張 燚， 嚴(yán)柏楊， 亓永帥， 高玉峰

（1.巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098； 2.河海大學(xué)土木與工程學(xué)院，南京 210098）

隨著地下空間開發(fā)利用的熱度持續(xù)增長，大量地下空間開發(fā)利用項(xiàng)目得以興建. 這些工程項(xiàng)目開挖深度大，回填空間狹窄，采用灰土或素土分層碾壓的方法難以保證回填質(zhì)量，上部道路常由于不均勻沉降而出現(xiàn)大量的縱向裂縫［1-3］. 自密實(shí)水泥土是一種將土、固化劑和水拌和后形成的新型填筑材料［4-5］，其固結(jié)時(shí)間短，固結(jié)前的較高流動(dòng)性可以充填狹窄空間和異形結(jié)構(gòu)空間，固化后具有較高的密實(shí)度、強(qiáng)度和抗變形能力，解決了回填土與結(jié)構(gòu)邊緣部位回填不易密實(shí)的問題，避免施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)位移過大和上部結(jié)構(gòu)由于不均勻沉降而產(chǎn)生裂縫［6］. 該填筑材料可使用現(xiàn)場開挖的棄土和城市廢棄土，原料來源廣泛，在縮短工期、降低綜合造價(jià)的同時(shí)可減少土石資源的消耗，因此在地下空間回填工程中具有極大的應(yīng)用前景，是一項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)，對緩解城市棄土棄渣處置壓力和“生態(tài)文明建設(shè)”具有重大意義［7］.

本文在室內(nèi)配比試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用PLAXIS2D軟件對蘇州市某市政隧道基坑工程進(jìn)行模擬，選用自密實(shí)水泥土為回填材料，分析了換撐與回填全過程的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和周地表沉降，并計(jì)算了地表道路恢復(fù)交通后的路面沉降.

1 工程概況

該隧道工程位于蘇州市，工程所在場地平坦，地層信息見表1.

表1 各土層主要物理性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)Tab.1 The main physical properties and mechanical indexes of soil layers

隧道全長采用明挖法施工，基坑開挖深度較深，最大開挖深度為24.63 m. 采用地下連續(xù)墻加多道內(nèi)支撐的圍護(hù)體系，地下連續(xù)墻厚度為1.0 m；隧道結(jié)構(gòu)寬為30.6 m，高為7.7 m，由多根Φ0.8 m工程樁承擔(dān)豎向荷載. 隧道結(jié)構(gòu)和地下連續(xù)墻之間以1 m厚混凝土支撐板連接. 本文選取兩個(gè)典型施工斷面分析，模型簡化圖見圖1、圖2.

圖1 模型AFig.1 Model A

圖2 模型BFig.2 Model B

模型A為非對稱基坑，開挖深度為22.5 m，開挖寬度為38 m，第一、三道支撐為1.0 m×1.2 m鋼筋混凝土支撐，水平間距為4.5 m，深度為0.6 m、8.6 m；第二、四、五道支撐為Φ 609 mm×16 mm鋼支撐，水平間距為3.0 m，深度為5 m、12.6 m、16.2 m. 上下匝道寬均為11 m，上匝道高6.6 m，下匝道高為8.3 m.

模型B為對稱基坑，開挖深度為23 m，開挖寬度為40 m，第一、四道支撐為1.0 m×1.2 m鋼筋混凝土支撐，水平間距為4.5 m，深度為0.5 m、13.5 m；第二、三、五、六道支撐為Φ 609 mm×16 mm鋼支撐，水平間距為3.0 m，深度為4.5 m、10.5 m、17.5 m、21 m. 左右匝道寬均為11 m，高均為8.3 m.

2 有限元計(jì)算

采用PLAXIS 軟件按照平面應(yīng)變建立數(shù)值模型［8-10］. 地下連續(xù)墻、鋼支撐、鋼筋混凝土支撐均為線彈性模型，土體選用摩爾庫倫模型，地下水位為基底以下2 m處. 上邊界為完全自由，下邊界為完全約束，側(cè)向邊界為水平方向約束，豎直方向自由. 為簡化計(jì)算，計(jì)算深度取60 m，為基坑開挖深度的2～3倍，計(jì)算寬度取150 m，為基坑寬度的3～5倍［11-13］. 隧道通車后所受的車輛荷載采用A級荷載［14］，大小為22.5 kN/m2，布設(shè)在隧道結(jié)構(gòu)底板、匝道的底板和地表.

2.1 材料參數(shù)

本文通過室內(nèi)配比試驗(yàn)，以現(xiàn)場開挖棄土3-2粉質(zhì)黏土為原料土，對自密實(shí)水泥土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究. 固化劑選用42.5級普通硅酸鹽水泥，摻入量按8%、10%控制，并選用80、100、120 mm三種坍落度控制自密實(shí)水泥土的流動(dòng)性. 試樣為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體試塊，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下按7 d和28 d養(yǎng)護(hù)，測試不同配比的力學(xué)性能指標(biāo)，結(jié)果如表2.

表2 無側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The results of UCS

在8%水泥摻量下，7 d 齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)0.25～0.33 MPa，28 d 強(qiáng)度可達(dá)到0.48～0.53 MPa，28 d 模量可達(dá)61.2～81.1 MPa；10%水泥摻量的7 d 齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)0.31～0.38 MPa，28 d強(qiáng)度可達(dá)到0.58～0.63 MPa，28 d變形模量可達(dá)到93.4～102.5 MPa. 其中，8%摻量的自密實(shí)水泥土平均濕密度為1.70 g/cm3，10%摻量的自密實(shí)水泥土平均濕密度為1.77 g/cm3（圖3）.

水泥土的重度取為18 kN/m3，黏聚力可取0.2～0.3倍無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，保守取值為100 kPa，內(nèi)摩擦角為20°～30°，保守取值為20°［15-16］. 彈性模量保守取為80 MPa，泊松比取0.3［17］.

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻和混凝土支撐標(biāo)號為水下C30，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要受力鋼筋采用HRB400鋼筋；鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用Q235B鋼. 結(jié)構(gòu)等效參數(shù)如表3所示.

2.3 計(jì)算工況

計(jì)算工況步驟如表4所示.

圖3 自密實(shí)水泥土濕密度測量Fig.3 Wet density of self-compacting cemented soil

表3 結(jié)構(gòu)等效參數(shù)Tab.3 Structure equivalent parameters

表4 基坑回填過程工況Tab.4 Conditions in the process of foundation pit backfilling

3 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算結(jié)果整理如表5，其中地連墻側(cè)向變形以向基坑內(nèi)部為正，向基坑外部為負(fù)；坑外地表沉降以向下為正.

由表5數(shù)據(jù)可知，地下連續(xù)墻的側(cè)向變形主要發(fā)生在在下兩道鋼支撐拆除后、自密實(shí)水泥土回填前，出現(xiàn)在最下兩道拆除后的鋼支撐處，不超過設(shè)計(jì)限值（0.18%開挖深度）；基坑周邊地表沉降主要發(fā)生在基坑開挖完成后、最下一道鋼支撐拆除前，最大沉降值約為1.49 cm，未超過設(shè)計(jì)限值（0.15%開挖深度）. 且伴隨著自密實(shí)水泥土的回填，坑外土體的垂直沉降逐步穩(wěn)定.

如圖4、圖5所示，對于非對稱基坑模型A，其淺坑側(cè)坑頂水平位移向坑外偏移，最大位移為0.46 cm，深坑側(cè)水平位移向坑內(nèi)偏移，最大位移為1.19 cm；對于對稱基坑模型B，其坑頂水平位移基本向坑內(nèi)偏移，最大位移為0.83 cm. 以工況A-1、B-1為例，模型A淺坑側(cè)最大地表沉降發(fā)生在距離坑邊約20 m處，隨著遠(yuǎn)離基坑頂部，地表由沉降變?yōu)槁∑?，深坑?cè)地表沉降離坑邊越遠(yuǎn)，沉降越大，最大沉降為1.34 cm，見圖6；模型B坑外最大地表沉降發(fā)生在距離坑邊約35 m處，最大沉降為0.78 cm，見圖7.

表5 地下連續(xù)墻側(cè)向變形及坑外地表沉降Tab.5 Lateral deformation of underground continuous walls and surface subsidence outside the pit單位：cm

圖4 模型A坑頂側(cè)向位移Fig.4 Lateral deformation on the pit top of model A

圖5 模型B坑頂側(cè)向位移Fig.5 Lateral deformation on the pit top of model B

圖6 工況A-1地表沉降Fig.6 Settlement of case A-1

圖7 工況B-1地表沉降Fig.7 Settlement of case B-1

地表恢復(fù)交通后，在交通荷載作用下結(jié)構(gòu)沉降和不均勻沉降極?。ū?），最大沉降為1.6 cm，發(fā)生在模型A上匝道外測地表（圖8，圖9）.

表6 恢復(fù)交通后沉降Tab.6 Subsidence after restoring traffic

圖8 模型A恢復(fù)交通后沉降Fig.8 Subsidence after restoring traffic of model A

圖9 模型B恢復(fù)交通后沉降Fig.9 Subsidence after restoring traffic of model B

4 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際工程，通過PLAXIS分析了基坑換撐與回填過程中周圍地表沉降和地下連續(xù)墻側(cè)向變形，為保證實(shí)際工程安全提供了可靠的理論依據(jù). 本文研究結(jié)果表明：

1）自密實(shí)水泥土填筑技術(shù)在縮短施工工期的同時(shí)，通過對城市廢棄土的資源化再利用，減少了土石資源消耗和土方外運(yùn)量，極大地降低了綜合造價(jià)，為今后類似深基坑提供了新的回填方案；

2）自密實(shí)水泥土具有較高的密實(shí)度、強(qiáng)度和抗變形能力，其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)0.38 MPa，28 d強(qiáng)度可達(dá)到0.63 MPa，28 d變形模量可達(dá)102.5 MPa；

3）選用自密實(shí)水泥土作為回填材料，可有效控制深基坑變形. 回填過程中，各部位變形及周圍地表沉降均在容許范圍內(nèi)，在鋼支撐拆除后和自密實(shí)水泥土回填前的危險(xiǎn)階段，需加強(qiáng)對坑外地表沉降和支撐軸力的監(jiān)測；地表恢復(fù)交通后，在車輛荷載作用下，結(jié)構(gòu)和地表沉降較小，可保證上部道路結(jié)構(gòu)的正常使用.