尚 桌，葛忻聲，王菁悅，張 念

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024)

當(dāng)基坑坑底以下有承壓水的砂性土層時(shí)，坑底土層要被承壓水頂托上抬，產(chǎn)生破壞性隆起。甚至被承壓水頂破涌砂，造成基坑坍塌。當(dāng)坑底地基土不能滿足抗承壓水安全要求時(shí)，實(shí)際工程中常常采取滿堂注漿封底并配合降水井減壓來保證安全施工[1-2]。

本工程區(qū)域砂層較厚，基坑封底區(qū)與地連墻組成新的支護(hù)體系后，兩者如何影響基坑變形的研究較少。本文通過有限元模擬與實(shí)際工程作比較，系統(tǒng)地分析封底加固在不同加固厚度、不同加固位置及降水深度對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響。

1 工程概況

太原某地鐵車站區(qū)間采用明挖法，明挖段基坑開挖長(zhǎng)度約為240 m，開挖寬度約為13 m，開挖深度約為16.6 m，地下水位為地下4 m?；又苓吔ㄖ锛暗叵滤芫€眾多。周邊環(huán)境較為復(fù)雜。基坑?xùn)|西兩側(cè)以6層磚混結(jié)構(gòu)居民樓為主，其中東側(cè)居民樓距離基坑最近15 m左右，基坑西側(cè)居民樓距離基坑最近距離22 m左右。且基坑兩側(cè)管線眾多，故本基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境影響不能太大。

本基坑土層分布及支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示，基坑設(shè)計(jì)采用0.8 m厚地連墻加三道Ф800 mm壁厚16 mm鋼管支撐作為支護(hù)方式。地下連續(xù)墻采用柔性鎖口管接頭，墻長(zhǎng)25.9 m，嵌固深度9 m.

圖1 土層分布及支護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.1 Soil distribution and supporting structure

由于地連墻未能隔斷中砂層，故圍護(hù)結(jié)構(gòu)為懸掛式止水，使基坑內(nèi)外水系聯(lián)通，對(duì)于基坑開挖施工極其不利。同時(shí)，車站底板位于中砂層上層的粉細(xì)沙層。實(shí)際施工時(shí)，在未對(duì)基坑底部滿堂加固就進(jìn)行坑內(nèi)降水施工時(shí)，當(dāng)坑內(nèi)水位降至12 m時(shí)，坑內(nèi)外水頭差就超過10 m.承壓水的存在，在沒采取降壓等措施的情況下進(jìn)行基坑開挖，在很大程度上會(huì)導(dǎo)致基坑涌水、涌砂，不能保證基坑安全施工，必須采取安全可靠的處理措施。因此對(duì)基坑底板以下4 m范圍內(nèi)進(jìn)行注漿堵水帷幕封底加固。注漿堵水帷幕封底加固采用分區(qū)進(jìn)行，每區(qū)域長(zhǎng)度控制在25 m到35 m左右，共分8塊區(qū)域。區(qū)域之間采用3排高壓旋噴，形成連續(xù)墻。注漿工藝采用漸進(jìn)式差別化同步動(dòng)態(tài)注漿方案，同步注多孔(4-8孔)，使地層形成一個(gè)整體，還能有效防止?jié){液流失，提高注漿效果。施工順序采用一個(gè)方向推進(jìn)的方案，每個(gè)區(qū)域又采用模塊式推進(jìn)，注漿時(shí)做到同步、同位、均勻注漿。

2 有限元模型

2.1 數(shù)值模擬模型

采用Midas GTS有限元軟件對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行1∶1三維建模。基坑開挖長(zhǎng)度為240 m，開挖寬度為14 m，開挖深度為16.6 m.根據(jù)前期學(xué)者研究[1]，砂土地區(qū)基坑開挖的影響范圍一般為1～4倍開挖深度?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，距離基坑50 m外變形值趨于穩(wěn)定。為防止邊界效應(yīng)，基坑開挖區(qū)域向外擴(kuò)展50 m作為模型總區(qū)域。模型總長(zhǎng)度340 m，總寬度114 m，總深度60 m.對(duì)于基坑兩側(cè)的周邊建筑物，以模型沿長(zhǎng)度方向基坑兩側(cè)15～20 m范圍內(nèi)每層建筑物施加20 kPa的均布荷載進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬。具體模型見圖2.

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

地連墻采用二維墻單元，考慮到實(shí)際施工缺陷，為其強(qiáng)度取0.8的折減系數(shù)。不考慮地下連續(xù)墻的透水性，為其添加界面單元。內(nèi)支撐采用一維梁?jiǎn)卧?。?jì)算模型共計(jì)52 423個(gè)單元，并對(duì)基坑附近網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。

2.2 參數(shù)選取

計(jì)算模型采用修正摩爾庫倫模型。修正摩爾庫倫模型是一個(gè)可以模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型的土體行為的雙硬化(壓縮硬化和剪切硬化)彈塑性模型[12-13]。根據(jù)勘察報(bào)告，具體土體力學(xué)參數(shù)見表1.加固區(qū)土體力學(xué)參數(shù)對(duì)于計(jì)算結(jié)果影響很大，表2列出了其他學(xué)者計(jì)算加固體時(shí)用到的參數(shù)。水平封底加固過程通過軟件中屬性改變來實(shí)現(xiàn)。

表1 土層力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameter of soil layer

表2 加固體力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameter of reinforcement

2.3 邊界條件

在本模型中，粉細(xì)砂、中砂屬于承壓水層，并在其四周設(shè)置 “節(jié)點(diǎn)水頭”模擬降水邊界。將粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、加固后土體及地下連續(xù)墻視為隔水層。采用“節(jié)點(diǎn)水頭”設(shè)置滲流邊界條件?？紤]到周圍水源補(bǔ)給，為更貼近實(shí)際施工，邊界水頭設(shè)置在粉細(xì)砂層、中砂層四周。

2.4 分析步設(shè)置

對(duì)模型進(jìn)行分析。分析步驟為：1) 初始滲流場(chǎng)分析：激活所有土體單元及降水前水頭，分析初始滲流場(chǎng)；2) 初始位移場(chǎng)分析：激活土體位移邊界及土體自重，分析初始地應(yīng)力，并進(jìn)行位移清零，消除初始地應(yīng)力對(duì)變形結(jié)果的影響；3) 地下連續(xù)墻及加固區(qū)施工：激活地下連續(xù)墻單元和不透水界面單元，以及對(duì)加固區(qū)對(duì)應(yīng)土體改變屬性為加固體材料參數(shù)；4) 第一次開挖：鈍化第一層開挖土體，并激活冠梁和第一道內(nèi)支撐。開挖至地下2.6 m；5) 第一次降水：鈍化基坑內(nèi)開挖前水頭，并激活水頭邊界和第一次降水后水頭坑內(nèi)水位降至地下8.7 m.以此類推，分步開挖至地下8.2、13、16.6 m.

在懸掛式止水帷幕的基礎(chǔ)上。改變封底加固層厚度(分別取1、2、3、4、5、6、7、8、9 m)、加固區(qū)位置(分別為基底以下0、1、2、3、4、5、6 m)及降水深度(降至坑底下0.5、1、2、4、6 m)，對(duì)上述多種工況進(jìn)行模擬計(jì)算。分析不同組合下的封底效果。

2.5 數(shù)值計(jì)算與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過模擬原工況(封底加固4 m)注漿封底，結(jié)果得到地下連續(xù)墻最大側(cè)位移為32.29 mm、地表最大沉降30.18 mm、墻頂水平位移9.7 mm和坑外水位下降約3.6 m.與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地下連續(xù)墻最大位移31.88 mm、地表沉降平均值29.96 mm、墻頂水平位移10.1 mm和坑外水位下降3.98 m相比差距較小。認(rèn)為建立的模型正確如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及模擬數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig.3 Comparison of monitoring data and simulation data

3 封底加固計(jì)算分析

3.1 封底加固效應(yīng)分析

為探究封底加固的效果，對(duì)封底加固和未封底加固兩種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，封底加固區(qū)位于基底以下4 m(原工況)。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4知，以地連墻最大側(cè)位移、地表最大沉降和基底最大隆起作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。封底加固后，地連墻最大側(cè)位移、地表最大沉降和基底最大隆起分別為34.29、30.18、28.4 mm.對(duì)比未加固工況，三者變形量均減少約50%.由圖4(a)知，未封底加固時(shí)，地下連續(xù)墻在最大側(cè)位移位于墻頂下1.01h(h：開挖深度；h=16.6 m)深度處。封底加固后，最大側(cè)位移發(fā)生在墻頂下0.9h深度處。地連墻最大側(cè)位移發(fā)生位置向上移動(dòng)。由圖4(b)知，不論封底加固與否地表沉降均呈凹槽形沉降。未封底加固和封底加固地表最大沉降發(fā)生位置分別在墻后0.5h和0.55h處，封底加固后地表最大沉降位置距離墻體更遠(yuǎn)。本基坑屬于長(zhǎng)條形基坑，由圖4(c)知，基底隆起特征為中部隆起最大。綜合對(duì)比，封底加固能有效減小基坑變形，減小基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響。

圖4 加固效果對(duì)比Fig.4 Comparison of reinforcement effect

3.2 加固厚度分析

封底注漿加固能明顯減少地連墻最大側(cè)位移、地表最大沉降和基底最大隆起。選取加固厚度分別為1、2、3、4、5、6、7、8、9 m共9種工況，分析不同加固厚度下基坑變形控制效果。開挖后地下連續(xù)墻插入深度為9 m，加固區(qū)均在地連墻嵌固范圍內(nèi)，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同加固厚度下基坑變形Fig.5 Deformation of foundation pit under different reinforcement thickness

由圖5可知，當(dāng)加固厚度大于3 m，相比未加固工況，變形控制約減少45%。且地連墻最大側(cè)位移、地表最大沉降和基底最大隆起均滿足規(guī)范對(duì)于一級(jí)基坑變形控制要求，而加固厚度大于5 m后，再加大封底加固厚度則變形量趨于穩(wěn)定，對(duì)于變形控制效果增大不明顯。通過對(duì)比，封底加固厚度在3～5 m之間加固效果明顯。再加大封底加固層厚度對(duì)施工成本控制不利。經(jīng)濟(jì)的加固厚度折算后約為基坑開挖深度的18%～30%.

3.3 加固位置分析

通過前邊模擬結(jié)果可知，合理加固厚度在3～5 m之間。分析不同加固位置加固的加固效應(yīng)時(shí)，分別采用加固厚度為3、4、5 m進(jìn)行模擬計(jì)算?；滓韵挛撮_挖土層總厚度為9 m.以加固厚度3 m為例，可從基底以下0、1、2、3、4、5、6 m開始封底。封底加固區(qū)始終在地連墻嵌固深度范圍內(nèi)，即提高被動(dòng)區(qū)土體的力學(xué)性能。具體加固組合形式如表3所示，共模擬分析18種工況，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

表3 注漿加固位置Table 3 Jet grouting position

圖6 不同加固厚度在不同加固位置基坑變形Fig.6 Deformation of foundation pit with different reinforcement thicknesses at different reinforcement locations

由圖6可知，隨著加固區(qū)下移，三者變形量也隨之增大。不同加固厚度下，改變封底加固位置變形規(guī)律是一樣的。以加固厚度4 m(原工況)為例，由圖6(b)知，封底加固區(qū)每向下移動(dòng)1 m，地連墻最大側(cè)位移增加約1.41 mm，地表最大沉降增加約1.91 mm，基底最大隆起增加約1.86 mm.但是變形量隨著加固區(qū)下移有變緩的趨勢(shì)。這是由于注漿加固有效改善被動(dòng)區(qū)土體力學(xué)參數(shù)，相當(dāng)于在圍護(hù)結(jié)構(gòu)下設(shè)了一道支撐，基底以下未加固土體與加固土體力學(xué)性能差距很大。對(duì)于本工程地下連續(xù)墻，最大側(cè)位移發(fā)生在第三道支撐和基底之間，封底使基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)被動(dòng)區(qū)產(chǎn)生較大抗力。隨著這一抗力的向下移動(dòng)，更多的土壓力作用于第三道支撐和加固區(qū)墻體之間，因而變形量呈增大的趨勢(shì)。

綜合對(duì)比上述同一加固厚度在不同加固位置基坑變形控制的影響，封底加固體的位置對(duì)控制基坑變形作用比較顯著。故在實(shí)際施工時(shí)，在同樣的加固條件下，依據(jù)注漿工藝、上部結(jié)構(gòu)形式等實(shí)際情況，加固區(qū)宜從基坑底部以下開始注漿加固。

3.4 降水深度分析

注漿封底加固后，加固區(qū)與地下連續(xù)墻組合成一個(gè)像“水槽”一樣的結(jié)構(gòu)，割斷了基坑內(nèi)外水系聯(lián)系，由于承壓水的存在，坑底承受較大的水壓力，如果不配合降水減壓就進(jìn)行開挖施工，會(huì)導(dǎo)致坑底隆起值較大，嚴(yán)重至不足以抵抗坑內(nèi)承壓水頭時(shí)，甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞。因此探究不同降深下“水槽”結(jié)構(gòu)受力及變形是有必要的。以加固厚度4 m(原工況)進(jìn)行模擬不同降水深度下的變形控制和止水效果，降水深度分別為降至坑底以下0.5、1、2、4、6 m.計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同降水深度下基坑變形Fig.7 Foundation pit deformation under different precipitation depths

由圖7知，隨著降水深度的增加，基坑降水引起的地表最大沉降和地連墻最大側(cè)位移都有所增大，但基底最大隆起值呈減小趨勢(shì)。由圖7(a)知，隨著降水深度的增加，地下連續(xù)墻最大側(cè)位移逐漸增大。降水深度從坑底以下0.5 m增加到6 m，最大側(cè)位移從34.29 mm增加到37.54 mm.降水深度對(duì)地連墻變形影響較小。這是由于降水深度越大，坑內(nèi)外水頭差越大,地下水對(duì)地下連續(xù)墻的壓力就越大。降水深度越大，又會(huì)引起坑底土體大范圍的孔隙壓力消散，該部分土體有效應(yīng)力增加，減小了該部分墻體兩側(cè)的壓力差。綜合分析，降水深度增加導(dǎo)致地連墻側(cè)位移增大，但影響作用較小。由圖7(b)知，隨著降水深度的增加，地表沉降都發(fā)生凹槽形沉降,且沉降量越來越大。這是由于降水導(dǎo)致坑內(nèi)外水頭差變大，降水深度越大，滲流速度和滲透力越大。上述變化都導(dǎo)致地面沉降變大。降水至基底以下4 m后，地表沉降值不符合規(guī)范對(duì)于一級(jí)基坑變形要求。由圖7(c)知，隨著降水深度的逐漸增加，坑底隆起量逐漸降低。當(dāng)降水深度從坑底以下0.5 m增加到6 m，最大隆起值從28.4 mm減小到14.94 mm.降水深度每增加1 m，最大隆起值減小約2.43 mm.這是由于降水越深，封底加固體承受的壓力越小，且本工程地下連續(xù)墻底部是滲透系數(shù)較大的的砂性土層，坑內(nèi)降水對(duì)坑外地層產(chǎn)生排水固結(jié)影響較大，很大程度抵消一部分坑底隆起量。

綜合對(duì)比上述降水對(duì)基坑水平變形和豎向變形的影響，顯然降水減壓時(shí)對(duì)土體豎向變形的影響比較大。通過降水減小承壓水壓力水頭對(duì)地連墻最大側(cè)位移、地表最大沉降變形控制不利，但對(duì)控制坑底隆起破壞是有利的。

4 結(jié)論

本文以太原某地鐵車站區(qū)間基坑為背景進(jìn)行建模分析，分析了封底加固厚度、加固位置和降水設(shè)置對(duì)基坑變形的影響。主要得到以下結(jié)論：

1) 工程采用的厚度為4 m的封底加固有效控制了基坑變形。地連墻最大側(cè)位移、地表最大沉降和基底最大隆起相比未加固時(shí)變形量減少約50%.

2) 封底加固厚度在3～5 m之間加固效果最明顯。合理的加固厚度為基坑開挖深度的18%～30%.

3) 隨著封底加固區(qū)的下移，地連墻最大側(cè)位移、地表最大沉降和基底最大隆起隨之增大。加固體的位置對(duì)基坑變形控制作用顯著。封底加固宜從基底開始加固。

4) 基坑封底后，隨著降水深度的增加，對(duì)地表沉降控制不利，對(duì)地下連續(xù)墻影響較小，但對(duì)控制坑底隆起破壞是有利的。當(dāng)基底隆起較大時(shí)，可適當(dāng)增大降水深度。降水深度不宜小于基底以下0.5 m，不宜大于基底以下4 m.