夏夢(mèng)然

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

在軟土中進(jìn)行基坑開挖會(huì)對(duì)周圍土體及環(huán)境造成很大影響，導(dǎo)致基底的隆起變形、引起鄰近既有建筑物的沉降等。在實(shí)際工程中，常采用加固坑底土體的方法改善坑底土體的物理力學(xué)性能，從而達(dá)到控制基坑變形的目的。

但如何評(píng)估注漿加固體的力學(xué)性能、加固效果以及適用條件，一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。郝峰[1]結(jié)合基坑支護(hù)實(shí)例，介紹了高壓旋噴樁在復(fù)合土釘墻系中的應(yīng)用，并通過PLAXIS 2D 軟件進(jìn)行了案例驗(yàn)證，指出了高壓旋噴樁的貢獻(xiàn)作用及規(guī)律；最后給出旋噴樁、土釘、混凝土面層相關(guān)力學(xué)參數(shù)在PLAXIS 2D軟件中的建議取值。來弘鵬等[2-3]結(jié)合廣福隧道、西安市地鐵隧道等工程實(shí)例，從數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)兩方面詳細(xì)介紹了地表預(yù)注漿方法在公路隧道、鐵路隧道中的加固機(jī)理以及加固效果。高峰等[4]結(jié)合隧道圍巖加固的研究現(xiàn)狀，針對(duì)常規(guī)有限元方法模擬注漿加固存在一定誤差的問題，利用有限元理論分析了該誤差產(chǎn)生的原因，進(jìn)而提出了在有限元中模擬加固效應(yīng)的改進(jìn)方法。秦愛芳等[5-6]對(duì)土體注漿加固的形式、深度、寬度進(jìn)行了研究，并結(jié)合室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)，討論了坑底土體加固的深度問題。朱志祥等[7]結(jié)合基坑工程實(shí)例，從墻內(nèi)側(cè)土壓力、地下連續(xù)墻變形和鄰近鐵路的沉降3方面分析了水泥土攪拌加固法在深基坑中的支護(hù)效果。Shirlaw等[8-10]結(jié)合工程實(shí)例和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)說明了噴射注漿板在基坑開挖過程中的加固效果以及注漿加固工藝的施工質(zhì)量要點(diǎn)；Goh[11]提出了考慮坑底注漿加固的基底抗隆起安全系數(shù)計(jì)算公式。但是，少有學(xué)者系統(tǒng)分析噴射注漿加固在基坑工程中的支護(hù)作用以及與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)同工作時(shí)的相互影響。

筆者結(jié)合工程案例，利用PLAXIS 2D軟件進(jìn)行了有限元建模分析，首先進(jìn)行了案例驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上對(duì)坑底加固的合理厚度進(jìn)行了研究，并針對(duì)地下連續(xù)墻嵌入深度和剛度、軟土層厚度3種參數(shù)進(jìn)行了參數(shù)分析，探究其對(duì)坑底加固體加固效果的影響。

1 工程概況

圖1 土層分布及支擋結(jié)構(gòu)設(shè)置(半結(jié)構(gòu))

某地鐵站的土層分布及支擋結(jié)構(gòu)設(shè)置如圖1所示。土層分布依次為雜填土、砂土、軟粘土和沖積層，其中，軟粘土層較厚，地下水位于地表下5 m?；拥拈_挖寬度約為16 m，開挖深度約為17.5 m，由于基坑的長(zhǎng)度約為129 m，相當(dāng)于寬度的8倍，故可作為平面應(yīng)變問題處理?；子?.5 m厚的噴射注漿加固體；支護(hù)結(jié)構(gòu)由0.8 m厚的地下連續(xù)墻(深度為35 m)和6道鋼管內(nèi)支撐組成(豎向間距為3 m)。距離基坑12 m處有1棟3層框架結(jié)構(gòu)建筑物。基坑施工順序?yàn)橄仁┕さ叵逻B續(xù)墻和坑底土體注漿加固，后進(jìn)行分步開挖，同時(shí)設(shè)置內(nèi)支撐。

2 有限元模型建立與驗(yàn)證

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

基坑采用對(duì)稱開挖，故可取半結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析。模型的左右邊界限制單元結(jié)點(diǎn)的水平方向位移，底部邊界限制單元結(jié)點(diǎn)的水平及豎向位移，模型的上部邊界為自由邊界。

考慮到基坑開挖過程中土體的小應(yīng)變硬化特性，采用PLAXIS 2D中的土體小應(yīng)變硬化模型(HSS模型)模擬土體，該模型與土體硬化模型(HS模型)相比，能夠更好地反映基坑開挖中土體的硬化行為。土體的輸入?yún)?shù)見表1，其中，雜填土、砂土采用排水模式模擬，以摩擦角(粘聚力設(shè)為0)作為強(qiáng)度參數(shù)；軟粘土、沖積層采用不排水B模式模擬，以不排水抗剪強(qiáng)度作為強(qiáng)度參數(shù)。表1中土體重度、摩擦角、不排水抗剪強(qiáng)度為現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)數(shù)據(jù)；小應(yīng)變硬化的范圍為0%～0.002%，其他參數(shù)均由HSS模型的計(jì)算公式得出，已有很多學(xué)者[11-16]驗(yàn)證過此計(jì)算公式，不再贅述。

支護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性體模擬?？紤]到地下連續(xù)墻在施工時(shí)質(zhì)量不易控制，故對(duì)彈性模量取0.7的折減系數(shù)；由于按平面應(yīng)變問題處理，內(nèi)支撐的等效抗壓剛度應(yīng)考慮平面外間距，具體的處理方式為將單根內(nèi)支撐的橫截面積除以平面外間距的平均值(見表2注釋)。支護(hù)結(jié)構(gòu)具體參數(shù)見表2。注漿加固土體采用摩爾-庫(kù)倫模型模擬。根據(jù)學(xué)者們[1-4,7,11]的建議，由于注漿體質(zhì)量受施工質(zhì)量影響很大，在量化其力學(xué)性能指標(biāo)時(shí)，可取較保守的值。表3列出了一些學(xué)者在模擬注漿加固體時(shí)物理力學(xué)參數(shù)的取值，由表3可知，破碎圍巖加固體的力學(xué)性質(zhì)要遠(yuǎn)高于軟弱土層中的加固體。依據(jù)表3中軟弱土層加固體參數(shù)的取值以及Shirlaw等[8]給出的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)；文中取彈性模量E=150 MPa，不排水抗剪強(qiáng)度cu=270 kPa(即按照不排水B模式進(jìn)行分析)。

針對(duì)鄰近建筑，采用均布荷載簡(jiǎn)化模擬，每層建筑荷載簡(jiǎn)化為25 kPa的均布荷載，并以地表最大沉降近似代替建筑的沉降。

施工步設(shè)置為10步：1)初始K0過程；2)激活均布荷載，模擬建筑施工；3)重置位移為0，將地下連續(xù)墻激活以模擬地連墻的施工，將基坑底部土體的材料參數(shù)改為注漿體材料參數(shù)(PLAXIS軟件支持在施工步中修改單元材料屬性，直接修改即可)；4)開挖至地下3 m處，同時(shí)設(shè)置第1道支撐；5)依此類推，逐步開挖至地下6、10、12.5、15、17.5 m，同時(shí)設(shè)置剩余5道內(nèi)支撐。

依據(jù)工程實(shí)際情況，采用先進(jìn)行坑內(nèi)降水，后進(jìn)行開挖的方式模擬，即在每個(gè)施工步中將坑內(nèi)水位設(shè)置為開挖面以下。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

注：等效面積A=鋼支撐的橫截面積/平面外間距。

表3 各工程中注漿加固體物理力學(xué)參數(shù)匯總

注：表中E為彈性模量；c為粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角；cu為土體不排水抗剪強(qiáng)度。

建立的有限元模型見圖2。模型包含799個(gè)單元、6 740個(gè)結(jié)點(diǎn)。

圖2 有限元模型示意圖

2.2 數(shù)值模型驗(yàn)證

建立有限元模型后，分析計(jì)算得到無注漿底板支護(hù)時(shí)擋墻的最大側(cè)移為84.23 mm，有注漿底板支護(hù)時(shí)擋墻的最大側(cè)移為52.69 mm，與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果80 mm(無注漿底板支護(hù)區(qū)域)、55 mm(有注漿底板支護(hù)區(qū)域)相比，誤差較小，說明土體和注漿體選用的參數(shù)基本合理。

3 坑底土體加固效果的參數(shù)分析

3.1 土體加固效果及加固厚度的影響分析

圖3為加固與未加固兩種情況的地連墻側(cè)移曲線及彎矩圖的對(duì)比。由圖3(a)可以看出，采用坑底土體加固后，地下連續(xù)墻的變形明顯減小。且由于對(duì)基坑底部1.5 m深度內(nèi)的土體進(jìn)行了加固，地連墻最大側(cè)移出現(xiàn)的位置有所下降，說明在軟土地區(qū)，對(duì)坑底土體采用注漿加固的方法比較有效。由圖2(b)可知，進(jìn)行注漿加固后，地連墻的內(nèi)力有所減小，最大正彎矩的出現(xiàn)位置大約位于28 m深度處，因此，此處為軟土層與沖積層的接觸面；而最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在開挖面下方，大致位于軟土層的中間層(20.714 m處)，與地連墻最大側(cè)移出現(xiàn)的位置一致(同理，進(jìn)行注漿加固后，最大負(fù)彎矩的出現(xiàn)位置在22.5 m處，與最大側(cè)移位置一致)。

圖3 地連墻側(cè)移曲線及彎矩圖的對(duì)比

為研究加固區(qū)厚度對(duì)加固效果的影響，選取了1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 m共8種工況，從地下連續(xù)墻側(cè)移、基底隆起、地表沉降3個(gè)方面評(píng)估加固效果，如圖4所示。

圖4 注漿加固厚度的影響

由圖4可以看出，底板厚度在1.5～3.0 m范圍內(nèi)，均有良好的抑制變形效果，能夠有效減小擋墻側(cè)移、基底隆起和地表沉降。底板厚度在2.0～2.5 m左右即可以減少變形50%左右，對(duì)變形控制較為嚴(yán)格時(shí)，可考慮采用3.0 m厚的注漿底板。當(dāng)加固厚度大于3 m時(shí)，加固的效果逐漸降低，4 m以上時(shí)，地下連續(xù)墻側(cè)移及地表沉降趨于穩(wěn)定，再擴(kuò)大加固區(qū)域已不能提高加固效果。因此，合理的加固范圍應(yīng)在1.5～3.0 m之間，相當(dāng)于開挖深度的10%～20%。

3.2 地下連續(xù)墻嵌入深度及剛度的影響分析

選取地下連續(xù)墻嵌入深度為29、32、35(原工況)、38、41 m共5種工況進(jìn)行分析。除地下連續(xù)墻嵌入深度外，地下連續(xù)墻的剛度也會(huì)影響支護(hù)系統(tǒng)，通過改變地下連續(xù)墻厚度的方式，選取了3組工況，研究不同剛度的地下連續(xù)墻對(duì)支護(hù)系統(tǒng)的影響。計(jì)算分析結(jié)果如表4、表5所示。

表4 地連墻嵌入深度的影響

表5 地連墻剛度的影響

由表4可以看出，擋墻深度為35、38、41 m時(shí)，擋墻的變形幾乎一致，這是因?yàn)榈剡B墻已經(jīng)嵌入至持力層。反之，減小地連墻的嵌入深度，由于30 m時(shí)地連墻仍嵌入持力層(但SPT<100)，所以，最大側(cè)移值略有增加，而沒有迅速增加。因此，采用地下連續(xù)墻與坑底注漿加固的復(fù)合支護(hù)方案時(shí)，地下連續(xù)墻嵌入持力層2～3 m即可。

與嵌入深度不同，地下連續(xù)墻的剛度對(duì)支護(hù)系統(tǒng)有較大的影響。由表4可以看出，地下連續(xù)墻的厚度減小時(shí)，基坑及地表的變形有所增加；厚度增大時(shí)，基坑及地表的變形均會(huì)減小。因此，在采用這種復(fù)合支護(hù)方案時(shí)，應(yīng)保證地下連續(xù)墻具有一定的剛度，以達(dá)到控制基坑變形的目的。

3.3 軟土層厚度及軟土力學(xué)性質(zhì)的影響分析

工程所處的鄰近區(qū)域，軟粘土廣泛分布在地表以下18～35 m深度處[8]，所以，選取了軟土層厚度分別為12.5、15、17.5、20、22.5 m共5種情況，研究分析結(jié)果見圖5。

由圖5可知，軟土層厚度是影響基坑變形的重要因素之一，隨著軟土層厚度的增加，基坑的側(cè)移變形、隆起變形、地表沉降均顯著增加，尤其是隆起變形。且隨著軟土層厚度的增加，地連墻的側(cè)移曲線變化更加劇烈，地連墻的最大位移出現(xiàn)位置也隨之下降，這是由于地連墻沒有嵌入下部堅(jiān)硬土層中。軟土層厚度減小后，基坑變形及建筑的附件沉降迅速下降。因此，在新加坡這類近海地區(qū)，若有軟粘土層存在，則變形主要發(fā)生在軟粘土中。對(duì)于下覆軟粘土層的深基坑工程，應(yīng)特別注意，需采用基底注漿加固與地下連續(xù)墻、內(nèi)支撐相結(jié)合的支護(hù)系統(tǒng)，才能夠有效控制基坑的變形，且軟粘土層較厚時(shí)，應(yīng)提高地下連續(xù)墻的嵌入深度(或剛度)以起到控制變形的作用。

4 結(jié)論

通過建立有限元分析模型，模擬基坑開挖及支護(hù)的全過程，系統(tǒng)分析了加固區(qū)厚度、地連墻嵌入深度、地連墻剛度、軟土層厚度對(duì)支護(hù)系統(tǒng)的影響。主要得到以下結(jié)論：

1)基底注漿加固的合理厚度應(yīng)為基坑開挖深度的10%～20%左右，可以充分抑制基坑的變形，減小地連墻的變形、基底隆起變形和地表沉降。

2)采用基底加固與地連墻相結(jié)合的復(fù)合式支護(hù)系統(tǒng)時(shí)，地連墻需嵌入堅(jiān)硬土層中2～3 m，不宜太深，并應(yīng)保證地連墻具備一定的剛度。

3)在軟土地區(qū)進(jìn)行基坑開挖時(shí)，應(yīng)注意施工區(qū)域的軟土層分布，基坑變形及地表沉降受軟土層厚度影響顯著。在軟土層較厚的區(qū)域，應(yīng)通過增加地連墻嵌入深度、增大地連墻剛度或者加大注漿加固區(qū)域等方式控制變形。