屈若楓，馬 鄖，2，徐光黎，胡小慶

(1.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，武漢 430074;2.中南勘察設(shè)計(jì)院(湖北)有限責(zé)任公司，武漢 430074)

1 研究背景

隨著武漢城市建設(shè)的快速推進(jìn)，由高層建筑和地下建筑工程帶來的深基坑開挖與支護(hù)技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展。武漢地區(qū)長江Ⅰ—Ⅲ階地的基坑工程開挖地層主要是淤泥質(zhì)土、淤泥或軟黏性土，其主要特征表現(xiàn)為軟—流塑狀態(tài)，土質(zhì)軟弱;若基坑支護(hù)設(shè)計(jì)不當(dāng)，易造成過大的支護(hù)體系體側(cè)向變形、周圍地表沉陷等諸多問題，給該區(qū)域深基工程的設(shè)計(jì)、施工均造成較大困難。如何去避免這些問題的產(chǎn)生，尤其是如何去控制支護(hù)結(jié)構(gòu)位移變化，保證基坑穩(wěn)定性，其對基坑工程的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。

大量的工程實(shí)踐及理論分析證明:基坑被動(dòng)區(qū)加固技術(shù)能夠很好地改善基坑坑底土體的物理力學(xué)性質(zhì)，起到減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、水平位移及地面沉降的作用，能夠提高被動(dòng)區(qū)土體的側(cè)向抗力，減小基坑卸載的變形。

基坑被動(dòng)區(qū)土體加固技術(shù)具備多樣性、廣泛性、重要性、緊迫性等多種典型特征。因此，自21世紀(jì)以來，加固技術(shù)引起了很多專家及學(xué)者的高度關(guān)注，并已經(jīng)展開了一些研究。2003年2月在美國新奧爾良召開的由美國土木工程學(xué)會(huì)(ASCE)和國際深基礎(chǔ)協(xié)會(huì)(DFI)聯(lián)合主辦的第三屆注漿與地基加固國際會(huì)議上，從來自20多個(gè)國家的127篇論文中可見，加固技術(shù)正發(fā)揮著越來越重要的作用［1－2］;國內(nèi)壽旋等人［3－4］分析了基坑被動(dòng)區(qū)土體的深度(高度)及強(qiáng)度對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響;秦愛芳［5］以卸荷試驗(yàn)為基礎(chǔ)，就基坑工程中被動(dòng)區(qū)土體的合理加固深度進(jìn)行了研究。就目前基坑坑內(nèi)加固研究成果來看，現(xiàn)行的很多加固方案，不論是對加固區(qū)域形狀、加固寬度和深度等影響因素方面，還是對主要參數(shù)取值問題，其坑內(nèi)加固評(píng)價(jià)體系還不夠完善。

因此，本文以武漢地區(qū)某大樓建筑工程為實(shí)例，采用數(shù)值模擬分析，率先在該區(qū)域內(nèi)提出階梯式基坑被動(dòng)區(qū)加固的方案，考慮了加固形狀及階梯式加固尺寸參數(shù)對樁位移控制的影響，并與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)對比研究;通過系統(tǒng)地分析被動(dòng)區(qū)加固參數(shù)對樁位移的影響，進(jìn)一步優(yōu)化被動(dòng)區(qū)加固參數(shù)，為武漢地區(qū)今后類似工程的深基坑被動(dòng)區(qū)加固設(shè)計(jì)和施工提供經(jīng)驗(yàn)與指導(dǎo)。

2 工程概況

2.1 工程布局

該工程為武漢某大樓建筑工程，總建筑面積37 128 m2，其中地上建筑面積32 000 m2，地下建筑面積約4 120 m2。地上20層，地下2層，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。興建的地下室基坑總體形狀呈長方形，東西向長約85 m，南北向?qū)捈s65 m。基坑總周長約300 m，基坑面積約5 150 m2。支護(hù)樁采用鉆孔灌注樁工藝，樁身砼強(qiáng)度均為 C30;主筋均采用HRB400。基坑平面布置圖如圖1。

圖1 基坑典型剖面Fig.1 Vertical section of the foundation pit

2.2 工程地質(zhì)條件

擬建場地地貌上屬典型的長江Ⅰ—Ⅲ(高)階地，依勘探點(diǎn)孔口標(biāo)高計(jì)，擬建場地現(xiàn)地面標(biāo)高變化在19.90～21.07 m之間，地勢相對平坦。場區(qū)地層上部為黏性土，下部為砂性土，土的粒度由上而下逐漸由細(xì)變粗。下伏基巖為白堊－下第三系粉砂質(zhì)泥巖。本場地分布有上層滯水及孔隙承壓水2種類型地下水;上層滯水主要賦存于雜填土及淤泥層中;孔隙承壓水主要賦存于粉土、粉砂夾粉質(zhì)年土、粉細(xì)砂、細(xì)砂及卵石類土中。典型支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面、地質(zhì)剖面以及主要尺寸如圖1所示。

2.3 被動(dòng)區(qū)階梯式加固

2.3.1 被動(dòng)區(qū)階梯式加固的概念

被動(dòng)區(qū)階梯型加固指的是針對軟弱地基，提高被動(dòng)側(cè)土體的強(qiáng)度和抵抗變形能力，為改善基坑所處地層的土體力學(xué)性能，提高被動(dòng)區(qū)土體的側(cè)向抗力，保證基坑開挖的安全穩(wěn)定;進(jìn)而在基坑被動(dòng)區(qū)，根據(jù)具體的工程地質(zhì)條件，在樁基的背荷側(cè)對土體實(shí)行加固深度、加固寬度不統(tǒng)一的加固形式。

2.3.2 被動(dòng)區(qū)階梯式加固方案

該工程周邊環(huán)境均非常嚴(yán)峻，基坑除西側(cè)為空地外，其它三側(cè)均有建筑物，多緊臨基坑邊線，且建筑物基礎(chǔ)形式均較差，為靜壓方樁、錨桿靜壓樁，該樁型的抗剪、抗變形能力均較差，對基坑變形控制要求非常高。除了常規(guī)的支護(hù)方式，比如排樁、混凝土角撐、坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)加固、土釘掛網(wǎng)噴面、噴錨網(wǎng)、緊臨建筑物地基加固等多種聯(lián)合支護(hù)手段，還要輔助坡頂減載、止水帷幕、中型井點(diǎn)降水等手段，確保支護(hù)體系的完善。

為有效提高被動(dòng)區(qū)土體的力學(xué)性質(zhì)，控制好樁身位移，因此本基坑工程在坑底部位采取了坑內(nèi)加固處理措施，坑內(nèi)加固厚度根據(jù)每段坑內(nèi)淤泥厚度的不同而不同。目前國內(nèi)比較流行的加固豎向形狀主要包括坑底板式、多層式、滿坑式、階梯式等多重形式［6］，但鑒于武漢地區(qū)具備典型的長江Ⅰ—Ⅲ階地特性，其復(fù)雜的地質(zhì)條件都對基坑支護(hù)，尤其是保證加固區(qū)與支護(hù)樁間的充分咬合提出了更高的要求，既要保證加固的作用最大化，又要保證經(jīng)濟(jì)的合理化。于是在這樣的背景下，本文提出了對該工程在其被動(dòng)區(qū)加固采取階梯型加固。結(jié)合該工程地區(qū)特殊地質(zhì)情況，該工程內(nèi)土體加固采用粉噴樁加固，樁間距為450 mm×425 mm，加固寬度均為12 m，加固厚度按二級(jí)臺(tái)階(即為階梯型加固)設(shè)計(jì)，每級(jí)臺(tái)階寬為6 m。

圖2 被動(dòng)區(qū)加固區(qū)域剖面圖Fig.2 Profile of strengthened soil in passive zone

階梯型加固區(qū)域剖面圖如圖2所示，圖中H1=3 m，H2=2 m，B1=6 m，B2=6 m。

由于該場區(qū)上部各土層厚度、承臺(tái)底標(biāo)高及場地周邊環(huán)境在場地內(nèi)分布有一定的變化，為慎重起見，將基坑周邊概化成10個(gè)最不利地質(zhì)剖面分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，根據(jù)巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告和《湖北省基坑工程技術(shù)規(guī)程》(DB42/159—2004)［7］，結(jié)合相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，擬定基坑支護(hù)設(shè)計(jì)有關(guān)參數(shù)取值見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical properties of soil strata

3 數(shù)值模擬模型

FLAC采用的是有限差分法計(jì)算，內(nèi)部網(wǎng)格單元為四邊形。在模型材料的本構(gòu)模型選擇上，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)文件，將基坑頂部的橫撐采用梁單元(Beam單元)，梁單元采用線彈性本構(gòu)模型，彈性模量取 30 GPa、泊松比為0.20、重度 25 kN/m3;土體及粉噴樁加固體采用以 Mohr-Coulomb屈服條件為破壞準(zhǔn)則的彈塑性模型，各地層參數(shù)均依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)如表1。

為了減少邊界效應(yīng)對幾何模型的影響，在計(jì)算模型簡化原則上:本基坑實(shí)際長71.5 m，寬58 m，基坑幾何形狀基本為矩形，具對稱性，因此從中間取剖面，建立平面對稱模型。

基坑區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域，基坑區(qū)域網(wǎng)格取得較密，而離基坑較遠(yuǎn)的區(qū)域網(wǎng)格變大。模型左右邊界固定水平位移邊界條件，模型底部采用固定豎直位移邊界條件。由于采用對稱模型則在支撐梁單元與對稱軸的交點(diǎn)處限制其x，y方向的位移及xy平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)位移。

為方便計(jì)算，本文建模前作如下假設(shè)［8－9］:①不計(jì)基坑開挖的過程;②地表和各土層均呈水平層狀且勻質(zhì);③不考慮降水因素的影響。建立模型如圖3，圖3是數(shù)值模擬中的模型網(wǎng)絡(luò)劃分圖。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型Fig.3 Numerical simulation model

4 數(shù)值模擬與實(shí)測結(jié)果比較分析

在建立基坑被動(dòng)區(qū)的加固FLAC模型的基礎(chǔ)上，本文討論了加固區(qū)域的深度、寬度、形狀等參數(shù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的影響(被動(dòng)區(qū)加固區(qū)域剖面圖如圖2，令 H=H1+H2，B=B1+B2，以便后面討論)，在模型中，為了更好地反映支護(hù)樁位移的變化規(guī)律，選擇樁埋深 h 為 0，3.9，7.8，10.8，11.8，14.3，18.2，21.7 m等8個(gè)節(jié)點(diǎn)為位移監(jiān)測點(diǎn)，并將計(jì)算值與支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)測位移進(jìn)行了對比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性。

4.1 實(shí)測樁位移及其力學(xué)試驗(yàn)分析

為了更好地評(píng)價(jià)被動(dòng)區(qū)加固土體對支護(hù)體系的影響，施工期間分別對基坑進(jìn)行了坡頂位移及沉降、邊坡的測斜、周邊道路位移及沉降、周邊建(構(gòu))筑物的沉降、支護(hù)樁位移及應(yīng)力、支撐結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力等的監(jiān)測。

結(jié)合工程實(shí)例，在力學(xué)試驗(yàn)中，本文選取CX1，CX2，CX3，CX4，CX5，CX6 等6 處設(shè)立的測斜點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測得的結(jié)果，做出了不同測點(diǎn)處支護(hù)體系水平位移分布規(guī)律圖。圖4為在階梯型加固(加固區(qū)域尺寸為3 m×6 m+5 m×6 m)的前提下，現(xiàn)場6處典型斜測點(diǎn)處支護(hù)體系水平位移同深度的關(guān)系曲線圖，圖5為不同測點(diǎn)處支護(hù)樁最大側(cè)向位移。

圖4 不同測點(diǎn)處支護(hù)樁側(cè)向位移分布規(guī)律Fig.4 Distribution of lateral displacement at different measuring points of the supporting piles

通過圖4、圖5，可看出支護(hù)樁的結(jié)構(gòu)位移在深度h為0時(shí)，各測點(diǎn)位移均較小，可以認(rèn)為沒發(fā)生變化;隨著h變大，水平位移漸漸變大，當(dāng)增大到10～11 m 時(shí)，即為0.4～0.6倍樁長時(shí)水平位移達(dá)到最大，最大的位移在18.54～30.63 mm區(qū)間內(nèi);當(dāng) h＞10 m時(shí)，水平位移漸漸變小，位移改變不明顯;當(dāng)h=18～23 m時(shí)，位移變化逐漸減小至0，即在樁底端附近的位移變化為0;很明顯看出，各測點(diǎn)的位移變化規(guī)律基本一致。

圖5 不同測點(diǎn)處支護(hù)樁最大側(cè)向位移Fig.5 Maximum lateral displacement at different measuring points of the supporting piles

從圖6可以看出，在樁身應(yīng)力計(jì)埋深為0 m時(shí)，即在樁頂部位時(shí)，樁后土壓力累計(jì)變化為0，也就是樁頂處樁后土壓力基本無變化;在樁身應(yīng)力計(jì)埋深在10 m左右時(shí)，即為0.4～0.6倍樁長時(shí)樁后土壓力累計(jì)變化最大;在樁身應(yīng)力計(jì)埋深h＞10 m時(shí)，樁后土壓力累計(jì)變化趨勢呈現(xiàn)緩慢減小，最后趨近0的狀態(tài)。綜上研究表明:不同測點(diǎn)處樁后土壓力變化規(guī)律同支護(hù)體系水平位移分布規(guī)律的關(guān)系基本一致，從側(cè)面反映了不同測點(diǎn)處支護(hù)體系水平位移監(jiān)測的正確性。

圖6 不同測點(diǎn)處樁后土壓力變化規(guī)律Fig.6 Distribution of soil pressure of pile at different measuring points

4.2 階梯式被動(dòng)區(qū)加固尺寸影響分析

在研究階梯式被動(dòng)區(qū)加固尺寸對支護(hù)體系水平位移的影響分析時(shí)，本文保持H，B(據(jù)武漢地區(qū)一般的加固深度和寬度，取值H=5 m，B=12 m。)不變，擬定以下6種模型尺寸，詳見表2。

表2 加固模型尺寸Table 2 Reinforcement model size m

圖7為階梯式加固尺寸對支護(hù)體系水平位移的影響關(guān)系曲線。通過各種情況對樁位移的影響對比分析，明顯看出:在樁頂附近，由于支撐的存在，各種情況下樁的水平位移均較小;而隨著距樁頂距離的增大，支撐的影響逐漸減小，樁的水平位移逐漸增大，在0～10 m范圍內(nèi)，樁的水平位移變化很快;在10 m左右即0.4～0.6倍樁長時(shí)，各種情況下的水平位移達(dá)到最大。同時(shí)，將圖7與圖4不同測點(diǎn)處支護(hù)樁側(cè)向位移分布規(guī)律對比，二者變化規(guī)律一致，說明計(jì)算結(jié)果具備正確性和可靠性。

圖8 為A，B，C，D，E，F(xiàn) 6類模型情況下加固尺寸對樁最大側(cè)向位移的影響對比圖，現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測最大位移為30.63 mm;A 種情況下即未加固時(shí)，樁位移最大，為38.06 mm;E 種情況下即 H1=H2=2.5，B1=B2=6時(shí)，樁位移為25.42 mm，僅比最小位移25.12 mm大0.30 mm，加固效果可等效。

圖7 階梯式加固尺寸對支護(hù)體系側(cè)向位移的影響Fig.7 Influence of the size of stepped reinforcement on lateral displacement of supporting structure

圖8 加固尺寸對樁最大側(cè)向位移的影響Fig.8 Influence of the reinforcement size on the maximum lateral displacement of pile

4.3 被動(dòng)區(qū)加固形狀的影響分析

在研究被動(dòng)區(qū)加固形狀對支護(hù)體系水平位移的影響分析時(shí)，就加固形狀分別選取長方型(長方形尺寸為5 m×12 m即為D類模型)和階梯型(階梯型尺寸為3 m×6 m+5 m×6 m即為B類模型)2組方案進(jìn)行對比分析，并且將以上二者再與實(shí)際測斜結(jié)果對比分析。

圖9為在階梯型和長方形加固時(shí)，支護(hù)體系水平位移的變化規(guī)律。通過對比分析，可看出支護(hù)樁的水平位移隨著深度的不斷變化，各測點(diǎn)位移基本沒發(fā)生變化;二者曲線基本重合，說明在這2種情況下產(chǎn)生的加固效果相同。D種情況時(shí)(H=5 m)，最大位移為 26.5 mm;B 種 情 況(H1=3 m，H2=2 m)，最大位移為26.52 mm，位移僅比D種情況高0.075%，其差值基本可以忽略不計(jì)。因此，階梯型加固能夠更加充分的發(fā)揮加固的效果，使得工程經(jīng)濟(jì)更加合理，更加符合武漢地區(qū)特殊地質(zhì)條件的工程需求。

綜上所述，階梯式被動(dòng)區(qū)加固尺寸為H1=H2以及B1=B2時(shí)最佳，在武漢區(qū)域與本基坑類似的工程中，這樣的階梯型加固尺寸使得加固土體作用更加充分發(fā)揮，經(jīng)濟(jì)上更加合理，具備一定的優(yōu)勢。

圖9 加固形狀對支護(hù)體系側(cè)向位移的影響Fig.9 Influence of the shape of reinforcement on the lateral displacement of supporting structure

5 結(jié)論

本文結(jié)合武漢地區(qū)某一典型基坑工程，采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測二者對比分析研究，就土質(zhì)軟弱地區(qū)基坑被動(dòng)區(qū)加固參數(shù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的影響參數(shù)進(jìn)行了分析，討論了加固區(qū)域的尺寸及形狀對支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的影響，得出結(jié)論如下:

(1)樁身應(yīng)力變化規(guī)律、不同測點(diǎn)處樁后土壓力變化規(guī)律、支護(hù)體系水平位移各自隨深度變化的規(guī)律一致。

(2)數(shù)值模擬計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測值二者規(guī)律基本一致，表明數(shù)值模擬可以較好地給出支護(hù)體系的側(cè)向變形規(guī)律。

(3)階梯式被動(dòng)區(qū)加固尺寸為H1=H2以及B1=B2時(shí)，加固土體的作用能夠更加充分的發(fā)揮，能夠最大限度的減少支護(hù)體系的位移變化，作用顯著。

(4)相比長方形加固而言，階梯型加固能夠更加充分的發(fā)揮加固的效果，節(jié)約成本，降低施工難度，使得工程經(jīng)濟(jì)更加合理，更加符合武漢地區(qū)特殊地質(zhì)條件的工程需求。

［1］SHIRLAW J N.Jet Grouting Soft Clays for Tunneling and Deep Excavations-Design and Construction Issues［C］∥ASCE.Proceedings of the Third International Conference on Grouting and Ground Treatment，New Orleans，Louisiana，F(xiàn)ebruary 10－12，2003:257－268.

［2］LITTLEJOHN S.The Development of Practice in Permeation and Compensation Grouting:A Historical Review(1802－2002)［C］∥ASCE.Proceedings of the Third International Conference on Grouting and Ground Treatment，New Orleans，Louisiana，F(xiàn)ebruary 10 －12，2003:100－116.

［3］羅戰(zhàn)友，劉 薇，夏建中.基坑內(nèi)土體加固對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，(增1):1538 － 1540.(LUO Zhan-you，LIU Wei，XIA Jianzhong.Effect of Improvement Soils on Lateral Deformation of Foundation Pits［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，(Sup.1):1538 － 1540.(in Chinese))

［4］壽 旋，徐肖華，孫苗苗，等.軟土地區(qū)深基坑被動(dòng)土體加固高度改進(jìn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(增):104 －108.(SHOU Xuan，XU Xiao-hua，SUN Miao-miao，et al.Reinforcement Height of Passive Zone of Deep Foundation Pits in Soft Clay Regions［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32(Sup.):104 －108.(in Chinese))

［5］秦愛芳，胡中雄，彭世娟.上海軟土地區(qū)受卸荷影響的基坑工程被動(dòng)區(qū)土體加固深度研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(6):935 － 940.(QIN Ai-fang，HU Zhongxiong，PENG Shi-juan.Depth of Soil Stabilization in Passive Area of Foundation Pits for Shanghai Soft Clay［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30(6):935 －940.(in Chinese))

［6］賈 堅(jiān).土體加固技術(shù)在基坑開挖工程中的應(yīng)用［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007，3(1):132－137.(JIA Jian.The Application of Ground Treatment in Foundation Excavations［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering.2007，3(1):132 － 137.(in Chinese))

［7］DB42/159—2004，湖北省基坑工程技術(shù)規(guī)程［S］.武漢:湖北省建設(shè)廳，2004.(DB42/159—2004，Technical Specification for Engineering of Foundation Excavation in Hubei Province［S］.Wuhan:Department of Housing and Urban Rural Development of Hubei Province，2004.(in Chinese))

［8］張 輝，熊巨華，曾英俊.長條形基坑地下連續(xù)墻側(cè)向位移數(shù)值模擬及其影響因素分析［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2010，26(1):80 － 86.(ZHANG Hui，XIONG Ju-hua，ZENG Ying-jun.Numerical Simulation and Influence Factor Analysis on Lateral Displacement of Diaphragm Wall in Long-Narrow Pit［J］.Structural Engineers，2010，26(1):80 －86.(in Chinese))

［9］鄭俊杰，章榮軍，丁烈云，等.基坑被動(dòng)區(qū)加固的位移控制效果及參數(shù)分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(5):1042 － 1051.(ZHENG Jun-jie，ZHANG Rong-jun，DING Lie-yun，et al.Displacement Control Effects and Parameter Analysis of Passive Zone Improvement of Foundation Pits［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(5):1042 －1051.(in Chinese))