， ， ，

(1．福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350118； 2．地下工程福建省高校重點實驗室， 福建 福州 350118)

由于沿海地區(qū)軟土特殊的工程性質(zhì)，導(dǎo)致深基坑在開挖過程中常出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大、周圍地表沉陷及坑底隆起等現(xiàn)象[1]。工程實踐表明，在軟土場地單純依靠支護(hù)結(jié)構(gòu)不能有效地控制基坑變形[2]，導(dǎo)致工程事故頻發(fā)。由于被動區(qū)加固可以顯著改善軟土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，從而達(dá)到控制支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形和地面沉降目的，近年來土體加固在基坑工程實踐中得到了廣泛運用[3]。在加固時，合理確定坑內(nèi)土體的加固參數(shù)如加固深度、水泥摻量、置換率等是設(shè)計的關(guān)鍵。

目前，國內(nèi)外學(xué)者采用現(xiàn)場測試、數(shù)值計算、理論分析等[3-4]方法對被動區(qū)土體加固后支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與地表沉降進(jìn)行了研究。但由于軟土基坑變形影響因素眾多且關(guān)系復(fù)雜，工程技術(shù)人員對其影響認(rèn)知程度還相對不夠，關(guān)于被動區(qū)加固后基坑變形特征及其影響因素研究工作仍滯后于工程實踐,坑內(nèi)土體加固對基坑變形的影響規(guī)律還不明確，現(xiàn)有研究不能完全滿足基坑工程的設(shè)計、施工需要?；诖耍疚膶⒒觾?nèi)側(cè)加固體和相鄰?fù)馏w視為復(fù)合地層，根據(jù)土體強度等效原理計算加固后坑內(nèi)土體強度指標(biāo)和水平地基抗力系數(shù)的比例系數(shù)，以彈性地基梁法為基礎(chǔ)，建立基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)彈性桿系有限元模型，結(jié)合工程實例分析土體加固參數(shù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響。研究結(jié)果可為富水深厚軟弱地層中基坑內(nèi)側(cè)土體加固的設(shè)計與施工提供理論依據(jù)和參考。

1 計算原理與方法

1.1 計算原理

工程實踐中，軟土地區(qū)的深基坑工程大多采用支撐式或錨拉式支護(hù)結(jié)構(gòu)，將開挖面以上的土體卸除，擋土結(jié)構(gòu)可采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點法進(jìn)行分析，其實質(zhì)就是將基坑開挖面以下的地基視為彈性地基[5]，假定支點力為不同水平剛度系數(shù)的彈簧，將擋土結(jié)構(gòu)如地下連續(xù)墻或排樁視為豎直的彈性地基梁，計算模型如圖1所示。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)計算的彈性地基梁模型Fig.1 Elastic foundation beam model for calcula-ting the retaining structure

作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的水平荷載按朗肯主動土壓力理論計算，當(dāng)需要嚴(yán)格限制支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移時，支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的水平荷載可取靜止土壓力。基坑開挖面以下支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的水平荷載按規(guī)范推薦的“m”進(jìn)行計算[6]，即

ps=m(z-h)v+ps0

(1)

式中，ps為作用在擋土構(gòu)件上分布土反力(kPa)；v為計算點水平位移(m)；m為土水平反力系數(shù)的比例系數(shù)(kN/m4)；z為計算點距離地面深度(m)；h為基坑開挖深度(m)；ps0為初始土反力強度(kPa)。

1.2 計算方法

對于錨拉式或支撐式結(jié)構(gòu)，參照水平荷載作用下彈性樁，考慮不同的開挖工況，開挖面以上和開挖面以下支擋結(jié)構(gòu)的撓曲微分方程[5]如下：

(2)

(3)

式中，EI為支護(hù)結(jié)構(gòu)計算寬度的抗彎剛度；z為計算點距離地面的深度(m)；b0為土反力計算寬度(m)；ba為水平荷載計算寬度(m)；ps為作用在擋土結(jié)構(gòu)上的分布反力(kPa)；ps為作用在擋土結(jié)構(gòu)上外側(cè)水平荷載(kPa)；Fh為內(nèi)支撐或錨桿對支擋結(jié)構(gòu)計算寬度內(nèi)的彈性支點水平反力(kN)。

由于式(2)、(3)無法取得解析解，采用桿系有限元法求解。求解過程中，將擋土結(jié)構(gòu)視為梁單元，沿豎向每隔1～2 m劃分計算單位，在結(jié)構(gòu)的截面、荷載突變、土體水平反力系數(shù)、地下水水變化、開挖面及錨桿或支撐處均作為節(jié)點處理[7]。

1.3 等效m值的確定

工程實踐中，采用高壓旋噴樁或攪拌樁對基坑內(nèi)側(cè)軟土進(jìn)行加固。根據(jù)強度等效原理，把加固樁體和樁間土等效為均質(zhì)復(fù)合體，把樁均勻地彌散到整個加固區(qū)域，求得加固區(qū)域的等效強度指標(biāo)。復(fù)合體抗剪強度指標(biāo)csp、φsp按以下公式計算[8]：

csp=fcp+(1-f)cs

(4)

φsp=arctan(ftanφp+(1-f)tanφs)

(5)

式中,cp為加固體水泥土黏聚力(kPa)；φp為加固體水泥土內(nèi)摩擦角(。)；cs為原土體黏聚力(kPa)；φs為原土體內(nèi)摩擦角(。)；f為加固體置換率。

加固區(qū)域復(fù)合土體水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m′為[6]：

(6)

式中，vb為支擋結(jié)構(gòu)在基坑底面處的水平位移量(mm)。

當(dāng)加固深度范圍內(nèi)有多層土?xí)r，第i個開挖工況，基坑開挖面以下加固體的m分布如圖 2 。

圖2 m值分布圖Fig.2 Distribution of m along the depth

為方便計算，將多層土的水平抗力系數(shù)進(jìn)行等效。等效水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m′可參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)[9]進(jìn)行計算：

m′=

(7)

式中，m1、m2、m3為加固深度范圍內(nèi)加固后各土層水平反力系數(shù)的比例系數(shù)；h1、h2、h3為加固深度范圍內(nèi)土層厚度；ld為加固深度。

2 工程應(yīng)用

廈門市地鐵2號線某車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度16.83 m，寬度20.7 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚度800 mm的地下連續(xù)墻，共設(shè)4道支撐，第1道鋼筋混凝土支撐截面尺寸為1 m×1 m，第2道鋼支撐外徑609 mm，壁厚12 mm，預(yù)加力800 kN，第3道和第4道鋼支撐外徑800 mm，壁厚12 mm，預(yù)加力1 000 kN。內(nèi)支撐依次設(shè)置在地面以下0、4.5 、7、11.5 m處。地下水位于地表以下 2 m，地面超載取20 kPa。場地土體分層情況和物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表1。由于基坑內(nèi)側(cè)存在厚度約13 m的淤泥層，為保證基坑開挖順利進(jìn)行，擬采用650 mm@450 mm三軸攪拌樁對坑內(nèi)淤泥層進(jìn)行加固，初步設(shè)計每隔3 m抽條加固寬度為3 m。由直剪試驗得到水泥摻量為15%的水泥土抗剪強度指標(biāo)Cp=150 kPa，φp=20°。

表1土層物理力學(xué)參數(shù)

Tab.1Physicalandmechanicalparametersofdifferentsoillayers

巖土名稱h/m重度/(kN·m-3)cs/kPaφs/(°)m/(MN·m-4)素填土0～3．018．215154．50淤泥3．0～15．316．41040．92殘積砂質(zhì)黏性土15．3～17．418．3222411．32全風(fēng)化花崗巖17．4～20．618．4262512．60散體狀強風(fēng)化花崗巖20．6～31．019．2352816．38

計算中設(shè)置7個工況，從工況1～7依次為開挖至5 m、施加第2道支撐、開挖至7.5 m、施加第3道支撐、開挖至12 m、施加第4道支撐、開挖至16.83 m。利用FSPW軟件，計算不同工況下，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移如圖3所示。

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移隨工況的變化規(guī)律Fig.3 Variation of maximum lateral displacement of the retaining structure with working conditions

從圖3可以看出，隨著開挖深度的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移總體上在逐步增加，在開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移出現(xiàn)在工況5。加固后，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移在開挖過程中顯著降低，工況1～4支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向水平位移僅為加固前的30%左右。由于坑底以上的加固土體在開挖過程中被逐步挖除，因此支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移在加固前后逐步趨于一致?；娱_挖深度范圍內(nèi)的土體加固對支護(hù)結(jié)構(gòu)最終的水平位移基本沒有影響。

3 加固參數(shù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的影響

由于本文工程實例中淤泥處于基坑開挖深度范圍內(nèi)，為進(jìn)一步分析加固參數(shù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，選擇工況2和3的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移進(jìn)行分析。

3.1 加固深度對支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的影響

支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移與加固深度的關(guān)系如圖4?？梢钥闯?，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移隨土體加固深度的增加而顯著減小，但當(dāng)加固深度超過6 m后，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變化幅度較小。說明基坑內(nèi)側(cè)土體加固存在臨界深度，超過臨界深度加固效能顯著降低，因此工程實踐中應(yīng)通過計算確定合理的加固深度。

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移與加固深度的關(guān)系Fig.4 Relationship between the maximum horizontal displacement of the retaining structure and the reinforcement depth

3.2 水泥摻量對支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的影響

為研究基坑內(nèi)側(cè)加固土體中水泥摻量對基坑變形的影響，參考文獻(xiàn)[10]根據(jù)試驗提出的淤泥水泥土黏聚力與水泥摻量成線性關(guān)系，內(nèi)摩擦角與水泥摻量成指數(shù)關(guān)系，即：

cp=c1+A(x2-x1)

(8)

φp=φ1eBx2/eBx1

(9)

式中，x1、x2為水泥摻量；c1、cp分別為與x1、x2對應(yīng)的加固體黏聚力(kPa)；φ1、φp分別為與x1、x2對應(yīng)的加固體內(nèi)摩擦角(°)；A、B為計算參數(shù)。

根據(jù)工程實例中的參數(shù)，由式(8)、(9)反分析得到A=9.33，B=0.107 3。

將式(8)代入式(4)、式(9)代入式(5)，獲得加固區(qū)土體等效抗剪強度指標(biāo)，進(jìn)而計算獲得考慮水泥摻量的基坑內(nèi)側(cè)加固區(qū)的等效水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m′值。

分析表明，本文計算條件下加固臨界深度為6 m，取加固深度為6 m時進(jìn)行計算。支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移與水泥摻量關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移與水泥摻量關(guān)系Fig.5 Relationship between the maximum horizontal displacement of the retaining structure and the cement content

由圖5可知，隨著加固區(qū)水泥摻量增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移迅速減小。當(dāng)水泥摻量在0～15%范圍內(nèi)增大時，每增加單位百分比的水泥摻量，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化速率迅速降低，加固效果顯著降低，當(dāng)水泥摻量大于15%時，增加單位水平摻量，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化速率變化較小，單位水泥摻量加固效能基本不變。分析表明，當(dāng)水泥摻量小于15%時加固效果顯著，水泥摻量大于15%后加固效能明顯降低。

3.3 置換率對支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的影響

加固深度為6 m、水泥摻量為15%時，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移與基坑內(nèi)側(cè)加固體置換率的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移與置換率的關(guān)系Fig.6 Relationship between the maximum horizontal displacement of the retaining structure and the replacement rate

由圖6可知，隨著坑內(nèi)加固體置換率在0～0.5范圍內(nèi)的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移迅速減小，置換率每增加0.1，引起的位移變化量也顯著降低。當(dāng)置換率在0.5～1.0范圍內(nèi)增加時，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化速率顯著降低，置換率的增加引起的位移變化量很小且基本一致。分析表明，當(dāng)置換率低于0.5時，土體加固效果顯著，當(dāng)置換率大于0.5時，土體加固效能顯著降低。

通過上述分析，提出在廈門市地鐵2號線某車站基坑內(nèi)側(cè)土體加固時，加固深度取工況3以下6 m，即從淤泥層頂面往下10.5 m，水泥摻量取15%，置換率取0.5。

現(xiàn)場監(jiān)測工作與開挖同步進(jìn)行，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果如圖7所示?？煽闯觯陂_挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)最大累計位移約為8.4 mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計報警值30 mm，加固效果良好，且監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論分析結(jié)果較為接近，表明本文計算得出的加固參數(shù)合理。

4 結(jié)論

圖7 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果Fig.7 Monitoring results on site

1)基坑內(nèi)側(cè)軟弱土體的加固能顯著降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，隨著加固深度的增加水平位移減小，且加固深度存在一個臨界值，超過臨界深度，坑內(nèi)土體加固效能顯著降低。

2)加固體的水泥摻量在0～15%范圍內(nèi)增大時，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移顯著減小，加固效果顯著；當(dāng)水泥摻量大于15%時，隨著水泥摻量的增加支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化量較小，加固效能明顯降低。

3)加固置換率在0～0.5范圍內(nèi)增大時，支護(hù)結(jié)構(gòu)位移迅速減小，加固效果顯著；當(dāng)置換率大于0.5時，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化較小，加固效能顯著降低。

4)加固深度、水泥摻量、置換率等參數(shù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移影響較大，因此，在工程實踐中應(yīng)合理確定加固參數(shù)，在保證基坑安全的同時又能節(jié)省工程造價。

[1] 張立明,朱敢平,鄭習(xí)羽,等.軟土地區(qū)深基坑對臨近地鐵結(jié)構(gòu)影響的實測與分析[J].巖土工程學(xué)報,2017,39(S2):175-179.

[2] 史世雍.軟土地區(qū)深基坑支護(hù)體系安全性狀動態(tài)分析[D].上海：同濟大學(xué),2007.

[3] 夏建中,羅戰(zhàn)友,龔曉南.基坑內(nèi)土體加固對地表沉降的影響分析[J].巖土工程學(xué)報,2008,30(S1):212-215.

[4] 康志軍,譚勇,鄧剛,等.被動區(qū)土體加固對深基坑變形影響的研究[J].長江科學(xué)院院報,2017,34(06):119-123.

[5] 熊智彪.建筑基坑支護(hù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[6] 中國建筑科學(xué)研究院.建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程:JGJ120-2012[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[7] 羅戰(zhàn)友.基坑內(nèi)土體加固對圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響分析[C].中國水利學(xué)會.第一屆中國水利水電巖土力學(xué)與工程學(xué)術(shù)討論會論文集：下冊.北京:中國水利學(xué)會,2006:866-867.

[8] 顧長存,劉勝松.堤防水泥土攪拌樁復(fù)合地基穩(wěn)定分析及應(yīng)用研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報,2005,25(3):330-334.

[9] 中國建筑科學(xué)研究院.建筑樁基技術(shù)規(guī)范：JGJ94-2008[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[10] 李振龍,潘殿琦,楊書紅,等.海相淤泥特性水泥土攪拌樁強度影響因素及其變化規(guī)律的試驗研究[J].長春工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,16(3):16-19.