黃金鑫, 張永杰, 羅偉庭

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410114;2.中國建筑第五工程局有限公司, 湖南 長沙 410004)

在軟土地區(qū)進(jìn)行基坑開挖時(shí),基坑設(shè)計(jì)逐漸從強(qiáng)度控制轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃慰刂?控制基坑開挖中支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和減小基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境的影響是基坑設(shè)計(jì)及施工的首要問題。而對(duì)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固是保證基坑整體穩(wěn)定性的重要措施[1]。目前對(duì)被動(dòng)區(qū)加固技術(shù)的研究大多針對(duì)單一支護(hù)形式,如水泥土攪拌樁支護(hù)[2]、灌注樁支護(hù)[3]、地下連續(xù)墻支護(hù)[4]和土釘墻支護(hù)[5]。研究發(fā)現(xiàn)水泥土攪拌樁對(duì)被動(dòng)區(qū)的加固深度和厚度都存在最優(yōu)解,其加固深度宜為0.55H(H為開挖深度)[6],且不宜小于3 m[7],加固寬度宜為0.5H～0.8H[8]。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和被動(dòng)區(qū)加固相結(jié)合的形式因其控制變形能力比單一基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng),常應(yīng)用于軟土地區(qū)深基坑工程,包括深層攪拌組合坑內(nèi)加固[9]、灌注樁組合坑內(nèi)加固[10]、鋼板樁組合坑內(nèi)加固[11]。本文運(yùn)用PLAXIS 3D軟件對(duì)基坑采用鋼板樁支護(hù)、被動(dòng)區(qū)采用水泥土攪拌樁和鉆孔灌注樁加固的支護(hù)形式建立硬化土小應(yīng)變本構(gòu)模型,對(duì)被動(dòng)區(qū)無加固、水泥土攪拌樁加固和鉆孔灌注樁加固時(shí)樁頂水平位移、樁身整體側(cè)向位移、地表沉降、土體深層水平位移進(jìn)行對(duì)比,分析水泥土攪拌樁和鉆孔灌注樁加固被動(dòng)區(qū)對(duì)基坑整體變形的影響。

1 工程概況

廣東省佛山市地鐵2號(hào)線林岳車輛段某基坑工程,基坑總長約495 m,放坡開挖段寬度約 35 m,管廊段寬度約4 m,平均開挖深度為10 m?；又苓吇緸檗r(nóng)田,暫未發(fā)現(xiàn)建(構(gòu))筑物和管線。該工程分為兩個(gè)施工段,第一施工段樁號(hào)為K0+026.8—085和K0+340—521.5,采用鋼板樁+鋼支撐的支護(hù)形式;第二施工段樁號(hào)為K0+085—340,主要以放坡開挖為主,放坡時(shí)按照1∶1.5的比例開挖,在放坡坡面上鋪設(shè)鋼筋網(wǎng),并插入長度為1 m的插筋固定鋼筋網(wǎng),噴射100 mm厚混凝土面層,局部采用放坡開挖+鋼板樁支護(hù)+被動(dòng)區(qū)加固的支護(hù)形式?？觾?nèi)被動(dòng)區(qū)土體局部采用三軸水泥土攪拌樁進(jìn)行滿堂加固(見圖1)。

圖1 水泥土攪拌樁加固斷面圖(單位:m)

三軸水泥土攪拌樁樁徑為850 mm,樁間相互搭接250 mm,加固深度為3 m,采用“套接一孔法”施工。樁身采用42.5級(jí)硅酸鹽水泥,水泥摻入比不小于20%,水泥土攪拌樁28 d取芯無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于0.6 MPa。基坑安全等級(jí)為二級(jí),采用明挖法施工。鋼板樁采用Ⅳ型拉森鋼板樁,材質(zhì)為Q235B,鋼板樁長度為9 m。

2 數(shù)值模型建立與計(jì)算對(duì)比分析

2.1 數(shù)值模型

巖土工程的地基實(shí)質(zhì)上是一個(gè)半無限空間體,分析區(qū)域應(yīng)無限大。根據(jù)規(guī)范[12]和工程經(jīng)驗(yàn),基坑開挖水平影響范圍為0.7H～3.0H[11];基坑開挖深度影響范圍為2.0H～4.0H[13];基坑內(nèi)地下水位一般取坑底以下0.5～1.0 m[7];基坑外地下水位高程為-1 m。為消除基坑深度的影響,數(shù)值模型尺寸取46 m×10 m×20 m。鋼板樁與土體之間的接觸面采用界面單元模擬。

水泥土攪拌樁采用PLAIXS 3D模擬時(shí),既不適合使用梁單元和Embedded樁模擬,也不適合使用板單元模擬。為此,將水泥土攪拌樁看成強(qiáng)化的土體,并按文獻(xiàn)[14]進(jìn)行換算?？紤]到施工條件及被動(dòng)區(qū)土體加固置換率等因素,內(nèi)摩擦角取20°,黏聚力取60 kPa,重度取18 kN/m3。該基坑對(duì)稱,取一半作為分析對(duì)象,從上至下各土層的黏聚力、摩擦角、剪脹角、密度割線彈性模量、切線壓縮模量、卸載-再加載模量等參數(shù)參考文獻(xiàn)[15]、文獻(xiàn)[16]取值(見表1)。數(shù)值模型見圖2。

表1 各土層的物理力學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值模擬網(wǎng)格圖

2.2 施工工序

根據(jù)開挖深度(標(biāo)高)將基坑施工過程劃分為8個(gè)施工步,分別為原狀土階段、+0.500 m、鋼板樁(+0.500 m)、-1.000 m、-2.392 m、-4.392 m、-6.392 m、-7.480 m,模擬分析被動(dòng)區(qū)加固類型和厚度及土體參數(shù)變化對(duì)基坑變形的影響。

2.3 邊界條件

數(shù)值模型采用直角坐標(biāo)系,Z軸為鉛直方向,東西方向?yàn)閄方向,南北方向?yàn)閅方向,以向東為正、向北為正、鉛直方向向上為正,坐標(biāo)系原點(diǎn)為模型標(biāo)高為零的位置。

左右兩個(gè)側(cè)面采用法向方向約束邊界,基坑底部采用固定約束邊界,上表面為自由邊界。

2.4 實(shí)測值與模擬值對(duì)比分析

考慮到基坑周邊變形監(jiān)測點(diǎn)較多、各鋼板樁之間存在一定差異,選取最危險(xiǎn)斷面懸臂長度為2.892 m作為數(shù)值模擬分析依據(jù),提取基坑的數(shù)值模擬值,選取圖1中A點(diǎn)處坡頂?shù)乇沓两岛屯馏w深層水平位移、B點(diǎn)處鋼板樁樁頂水平位移與模擬值進(jìn)行對(duì)比分析。

鋼板樁樁頂水平位移和地表沉降實(shí)測值與模擬值的比較見圖3、圖4。由圖3、圖4可知:1) 樁頂水平位移和地表沉降都隨著開挖深度的增加而增大,實(shí)測值和模擬值的整體變化趨勢相同,與文獻(xiàn)[7]得出的變形規(guī)律一致。在基坑未開挖前,開挖深度影響范圍內(nèi)的土體沒有受到擾動(dòng),整個(gè)土層系統(tǒng)維持相對(duì)平衡狀態(tài)。基坑開挖施工后,基坑內(nèi)外土體原有主、被動(dòng)區(qū)土壓力平衡被破壞,導(dǎo)致應(yīng)力重新分布。對(duì)于持續(xù)開挖的基坑,開挖過程是一個(gè)逐漸卸載的過程,基坑內(nèi)側(cè)卸掉了基坑沒有開挖前原有的土壓力。內(nèi)側(cè)被動(dòng)區(qū)土體被卸掉,被動(dòng)區(qū)土壓力合力作用點(diǎn)降低,被動(dòng)區(qū)土體抵抗圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的能力逐漸減弱,導(dǎo)致樁體側(cè)向位移增大,進(jìn)而加劇樁體外側(cè)地表沉降。2) 樁頂水平位移和地表沉降在標(biāo)高為-6.392 m及以上時(shí),實(shí)測值和模擬值存在一定差異,且實(shí)測值大于模擬值。主要原因是在建立模型時(shí)對(duì)土層進(jìn)行了簡化和假設(shè),與真實(shí)土層存在偏差,且在開挖前期受到地面動(dòng)載及水壓力等因素影響。開挖到一定深度后,實(shí)測值和模擬值趨于吻合,主要是隨著基坑內(nèi)外土壓力的變化,主動(dòng)土壓力成為影響鋼板樁及基坑變形的主要因素,其他因素對(duì)基坑整體變形的影響減小。

圖3 樁頂水平位移實(shí)測值與模擬值對(duì)比

圖4 地表沉降實(shí)測值與模擬值對(duì)比

土體深層水平位移實(shí)測值與模擬值的比較見圖5。由圖5可知:土體深層水平位移實(shí)測值和模擬值的差異隨著開挖深度的增加逐漸增大,原因與樁頂水平位移一致。開挖深度為0～8 m時(shí),土體深層水平位移模擬值大于實(shí)測值,模擬值出現(xiàn)下凹趨勢;開挖深度為8～13 m時(shí),實(shí)測值出現(xiàn)凸起變形,而模擬值為一條光滑的漸變曲線,且在鋼板樁施工完成后,兩者差異明顯增大。原因可能是鋼板樁插入土體時(shí)對(duì)周圍土體有擾動(dòng),造成周圍土體的局部變形增大,而數(shù)值分析時(shí)沒有考慮鋼板樁對(duì)土體的擾動(dòng)。

圖5 土體深層水平位移實(shí)測值與模擬值對(duì)比

3 水泥土攪拌樁和鉆孔灌注樁對(duì)比分析

3.1 樁頂水平位移和樁身整體側(cè)向位移對(duì)比分析

水泥土攪拌樁加固被動(dòng)區(qū)數(shù)值分析模型見圖2。被動(dòng)區(qū)無加固模型為基坑被動(dòng)區(qū)原狀土體,在圖1中刪除被動(dòng)區(qū)水泥土攪拌樁加固區(qū)域,且不對(duì)土層進(jìn)行任何加固處理。鉆孔灌注樁加固是在其他條件均不變的情況下,把水泥攪拌樁變更為鉆孔灌注樁。鉆孔灌注樁為雙排,直徑為1 000 mm,樁間距為1 000 mm,第一排距離鋼板樁500 mm,兩排相隔1 500 mm;采用C30混凝土,水泥強(qiáng)度均不小于42.5 MPa,重度為25 kN/m3,彈性模量為30 GPa(見圖6)。

圖6 鉆孔灌注樁加固橫斷面圖(單位:m)

被動(dòng)區(qū)無加固、水泥土攪拌樁加固和鉆孔灌注樁加固時(shí)樁頂水平位移和樁身整體側(cè)向位移的比較見圖7、圖8。

圖7 不同加固方式下樁頂水平位移對(duì)比

圖8 不同加固方式下樁身整體側(cè)向位移對(duì)比

由圖7、圖8可知:1) 3種加固方式下樁頂水平位移和樁身整體側(cè)向位移的變形規(guī)律與2.4節(jié)基本一致。但被動(dòng)區(qū)無加固時(shí)樁頂水平位移急劇變化,最大樁頂水平位移為-47.34 mm,已超過設(shè)計(jì)累計(jì)控制值40 mm和預(yù)警值32 mm。采用水泥土攪拌樁進(jìn)行被動(dòng)區(qū)加固的最大樁頂水平位移為-15.80 mm,為預(yù)警值的49.4%,比被動(dòng)區(qū)無加固時(shí)小66.6%;采用鉆孔灌注樁進(jìn)行被動(dòng)區(qū)加固的最大樁頂水平位移為-19.08 mm,比被動(dòng)區(qū)無加固時(shí)小59.7%。與文獻(xiàn)[17]中被動(dòng)區(qū)加固后樁頂水平位移比加固前降低50%比較吻合。在對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)有嚴(yán)格的變形要求時(shí),進(jìn)行被動(dòng)區(qū)加固對(duì)限制基坑變形和保證基坑穩(wěn)定性具有顯著作用。2) 開挖深度(標(biāo)高)為-4.392 m時(shí),水泥土攪拌樁加固時(shí)樁身整體側(cè)向位移與被動(dòng)區(qū)無加固時(shí)接近,水泥土攪拌樁對(duì)于限制鋼板樁的整體位移作用有限。開挖深度(標(biāo)高)為-7.480 m時(shí),水泥土攪拌樁加固時(shí)樁身整體側(cè)向位移只比被動(dòng)區(qū)無加固時(shí)減小11.8%;而鉆孔灌注樁加固時(shí)樁身整體側(cè)向位移比無加固時(shí)減小69.2%,比水泥土攪拌樁加固時(shí)減小65.1%。鉆孔灌注樁限制鋼板樁整體位移的效果遠(yuǎn)好于水泥土攪拌樁。但由于鉆孔灌注樁的整體性差,其與防水性好的支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合支護(hù)的效果更好。

3.2 地表沉降和土體深層水平位移對(duì)比分析

被動(dòng)區(qū)無加固、水泥土攪拌樁加固和鉆孔灌注樁加固時(shí)地表沉降見圖9。由圖9可知:1) 地表沉降隨著基坑開挖深度的增加逐漸增大,沉降影響范圍也擴(kuò)大;地表沉降整體呈凹槽形狀且都沒有發(fā)生在坡頂位置。采用水泥土攪拌樁和鉆孔灌注樁加固時(shí)最大沉降值隨著開挖深度的增加向基坑方向移動(dòng),水泥土攪拌樁加固時(shí)的最大沉降發(fā)生在距離坡頂2.5 m處,鉆孔灌注樁加固時(shí)的最大沉降發(fā)生在距離坡頂0.5 m處,最大沉降發(fā)生位置在文獻(xiàn)[12]描述的0.7H主要影響區(qū)內(nèi)。2) 基坑開挖初始階段,被動(dòng)區(qū)無加固時(shí)地表沉降是水泥土攪拌樁加固時(shí)地表沉降的1.5倍,是鉆孔灌注樁加固時(shí)地表沉降的1.1倍。開挖深度(標(biāo)高)為-4.392 m時(shí),隨著開挖深度的增加,3種加固方式的差異逐漸增大,被動(dòng)區(qū)無加固時(shí)最大地表沉降是水泥土攪拌樁加固時(shí)地表沉降的5.3倍,是鉆孔灌注樁加固時(shí)地表沉降的4.2倍。開挖深度(標(biāo)高)為-7.480 m時(shí),鉆孔灌注樁和水泥土攪拌樁加固時(shí)的最大地表沉降分別為-13.41 mm、-12.34 mm,僅相差8%,分別為預(yù)警值的33.5%和30.9%(地表沉降設(shè)計(jì)控制值為50 mm,預(yù)警值為40 mm)。開挖深度超過10 m時(shí),鉆孔灌注樁加固對(duì)基坑變形的約束能力逐漸超過水泥土攪拌樁。

圖9 不同加固方式下地表沉降對(duì)比

被動(dòng)區(qū)無加固、水泥土攪拌樁加固和鉆孔灌注樁加固時(shí)土體深層水平位移對(duì)比見圖10。由圖10可知:基坑開挖過程中土體深層水平位移整體呈鐮刀形變化,底部位移小,中部位移最大。開挖深度較淺時(shí),水泥土攪拌樁加固被動(dòng)區(qū)的效果優(yōu)于被動(dòng)區(qū)無加固和鉆孔灌注樁加固。基坑開挖深度(標(biāo)高)為-1.000 m時(shí),鉆孔灌注樁加固和被動(dòng)區(qū)無加固時(shí)土體深層水平位移差異很小;基坑開挖至標(biāo)高為-7.480 m時(shí),鉆孔灌注樁和水泥土攪拌樁加固對(duì)基坑整體變形的約束能力相差很小,分別為預(yù)警值的20.2%、18.4%(土體深層水平位移控制值為75 mm,預(yù)警值為63.8 mm);隨著開挖深度的增加,鉆孔灌注樁的約束能力逐漸超過水泥土攪拌樁。

圖10 不同加固方式下土體深層水平位移對(duì)比

不同加固方式下土體深層水平位移的比例關(guān)系見表2。由表2可知:1) 隨著開挖深度的增加,水泥土攪拌樁約束變形的能力逐漸增大。開挖深度(標(biāo)高)為-4.392 m時(shí),水泥土攪拌樁的加固效果達(dá)到最佳,為被動(dòng)區(qū)無加固時(shí)的6.0倍、鉆孔灌注樁加固時(shí)的3.7倍。開挖深度(標(biāo)高)增加至-7.480 m時(shí),水泥土攪拌樁的加固效果為被動(dòng)區(qū)無加固時(shí)的3.0倍,水泥土攪拌樁在基坑開挖深度(標(biāo)高)在-4.392 m以下時(shí)的加固效果逐漸減弱。2) 開挖深度(標(biāo)高)在-4.392 m以上時(shí),鉆孔灌注樁的加固效果有限;但隨著開挖深度的增加,鉆孔灌注樁的加固效果越來越明顯,在基坑底部(-7.480 m)達(dá)到最大,為被動(dòng)區(qū)無加固時(shí)的2.7倍。3) 隨著開挖深度的增加,被動(dòng)區(qū)采用水泥土攪拌樁和鉆孔灌注樁加固對(duì)基坑變形的約束能力差異逐漸減小。

表2 不同加固方式下土體深層水平位移的比例關(guān)系

綜上,在軟土地區(qū)進(jìn)行被動(dòng)區(qū)加固對(duì)于保證基坑的穩(wěn)定性和約束支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形具有顯著作用,基坑側(cè)向位移比無加固時(shí)減小約60%?；娱_挖深度為6 m左右時(shí),采用水泥土攪拌樁加固被動(dòng)區(qū)對(duì)基坑的支護(hù)效果最好。開挖深度6 m后,隨著開挖深度的增加,鉆孔灌注樁對(duì)鋼板樁整體位移的控制效果越來越好,開挖深度為10 m時(shí),采用鉆孔灌注樁加固被動(dòng)區(qū)的效果逐漸超過水泥土攪拌樁。但由于鉆孔灌注樁的隔水性和整體性差,采取組合加固方式,其支護(hù)效果最好。

4 結(jié)論

(1) 對(duì)基坑整體變形的影響程度表現(xiàn)為樁頂水平位移>地表沉降>土體深層水平位移。在基坑施工中,樁頂水平位移是最重要的變形因素,地表沉降次之。

(2) 基坑開挖深度為6 m左右時(shí),水泥土攪拌樁約束圍護(hù)結(jié)構(gòu)及基坑整體變形的效果最佳。

(3) 基坑開挖深度達(dá)到10 m時(shí),鉆孔灌注樁的支護(hù)能力逐漸超過水泥土攪拌樁,采用鉆孔灌注樁加固被動(dòng)區(qū)時(shí)樁身整體側(cè)向位移比水泥土攪拌樁加固時(shí)小65.1%,其限制鋼板樁整體位移的能力遠(yuǎn)大于水泥土攪拌樁。