非均質(zhì)填土注漿加固特性及基坑開挖穩(wěn)定分析

■吳玉鵬，張可能，楊宇航，張云毅，張順清■1.有色金屬成礦預測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室，湖南 長沙 41008；2.地球科學與信息物理學院 中南大學，湖南 長沙 41008；.湖南建工集團，湖南 長沙 410004

城市填土地層是伴隨人類活動產(chǎn)生的特殊非均質(zhì)土層，不同地域之間存在很大的差異，土體主要成分、固結特性、水、力學特征等都不盡相同，土體物理力學特性與當?shù)氐貙訔l件、氣候特征、人類生產(chǎn)方式等因素均有關聯(lián)。城市化建設過程中難以避免的會遇到很多特殊工程問題，與地上的結構問題不同，地下工程的安全性極易受到土體情況變化的影響，隨著工業(yè)技術的發(fā)展，世界范圍內(nèi)巖土工程技術水平在近代以來獲得了很大的提高，但依靠現(xiàn)有的勘察評價手段和土體理論研究成果仍然難以精確描述非均質(zhì)土體的力學特性，進行相關地下工程設計和施工時都存在不確定性的風險，因此現(xiàn)行的國家或行業(yè)規(guī)程對于填土層的評價一般基于定性的理論研究成果，填土的分類標準主要以土體成分和賦存年代劃分，具有一定的隨機性，不能很好的反應實際工程性質(zhì)變化［1］。在填土的一般研究過程中，以地基處理方面的成果居多，在分類標準上，也主要參考了地基承載力方面的要求，考慮要素包括時間、成分、含水、賦存條件、有機物含量等因素。對于基坑工程，土體內(nèi)摩擦角和粘聚力參數(shù)是巖土工程師最為常用的土體指標，相關研究很多，但大多具有地區(qū)區(qū)分度，尚未建立廣泛認可的通用標準［2-4］。為保證相關工程活動的安全開展，發(fā)展起來諸多坡體穩(wěn)定性評價方法，如圖1所示。

圖1 工程評價方法

為驗證非均質(zhì)土體條件下的坡體穩(wěn)定性，普通尺寸的室內(nèi)模型試驗和一般分析方法很難奏效，因此本文采用有限元分析的方法進行模擬計算，從基礎運動力學理論的觀點探究注漿工藝對坡體穩(wěn)定性方面的作用。

1 深厚填土層的注漿施工實例

1.1 工程概況

該基坑工程位于湖南省株洲市石峰區(qū)，屬于城市建設開發(fā)的外延中心帶，發(fā)展?jié)摿^大。其原始地形低洼，最初為人工魚塘，后在道路建設和商品住宅開發(fā)時進行了回填，回填用料和固結程度各不相同。2013年部分空閑場地開始進行新一期商品住宅的開發(fā)，基坑開挖過程中遇到平均深度超過5m的深厚填土層，土體內(nèi)含有大量建筑和生活垃圾，成分不均，勘察報告無法提供準確的力學性質(zhì)指標，相鄰高層住宅基坑開挖過程中采用了樁錨支護的保守設計，效果良好，但造價成本極高。經(jīng)過充分考察論證和安全性評估，工程建設單位擬對特殊地段采用注漿加固的方法對土層進行預處理［5］，再采用噴錨支護的手段進行加固。方案實施后基坑穩(wěn)定性良好，監(jiān)測指標滿足規(guī)范要求，實際造價相比傳統(tǒng)樁錨方法節(jié)約造價1/3以上，施工工期也大幅度縮短。

該工藝實施部分位于場地南側，臨近高層建筑，地面以下有超過5m的新近填土，為小區(qū)道路建設的回填土層，密實度較差，采用傳統(tǒng)的土釘、錨桿支護難以保證基坑安全，因此先采用雙排豎向注漿孔對土體進行注漿預加固（圖2）。

圖2 基坑支護剖面圖

1.2 施工工藝

豎向鉆孔。選擇坡頂合適部位進行放線，采用簡易煤田鉆機進行豎向孔的施工，施工單位自行研發(fā)的自鉆導水頭能夠滿足快速成孔的要求，孔徑可控制在±72mm，短接鉆桿為流體輸送用無縫鋼管，成本較低，性能可靠，可直接預留土體中充當注漿管使用。

漿液配比。注漿漿液主要采用水泥-水玻璃雙液漿，該類漿液通過水玻璃加量的調(diào)整可以有效控制漿液凝固時間，達到精確控制注漿量的要求，水灰比以1～0.5：1為宜，水泥漿和水玻璃液體體積比為1：0.08～0.15。

注漿控制。注漿過程中主要通過注漿壓力和注漿量進行施工控制，實施前應依據(jù)土體基本參數(shù)進行注漿量的預算［6］：

注漿量的大小與土體孔隙性和被壓縮程度等相關，式（1）中，Cc為土體壓縮系數(shù)，e1為漿后孔隙比。在本工程新近填土地層中注漿，壓力應控制在3.5MPa以下。

2 填土地層中漿液擴散特性分析

2.1 基本擴散理論

漿液擴散存在三個基本理論過程—滲透、擠密、劈裂，通過探槽開挖試驗，能夠很明顯的觀察到上述現(xiàn)象：

基于簡單滲透理論，在均質(zhì)填土中漿液擴散可以用球形公式表示：

圖3 土體中漿脈的分布

式中：K—填土的滲透系數(shù)（cm/s）；β—漿液粘度對水的粘度比；r—漿液擴散半徑（cm）；h1—注漿壓力水頭（cm）；r0—注漿管半徑（cm）；t—注漿時間（s）。

劈裂過程是漿液擴散的重要過程，參照莫爾-庫倫強度破壞理論可推導出各向同性地層中的臨界注漿壓力條件［7］：

式中：r—砂石重度；rw—水重度；h—灌漿段深度；hw—地下水位；K—主應力比；c′—有效粘聚力；φ′—有效內(nèi)摩擦角。

2.2 漿液結實體的形成

填土地層具有土體成分不均勻的特性，土體孔隙分布也存在較大的離散性，除了分散較為均一的填土顆粒成分，常有大型塊石成分，交接面之間容易形成大型孔隙，為漿液的滲透提供很好的填充空間，從而形成大型漿液結實體或者與堅硬塊石粘連形成復合結實體（圖4）。

4 坡體開挖發(fā)現(xiàn)的大型漿液結實體

2.3 水玻璃作用機理

漿液中水玻璃成分能有效控制漿液凝固時間進而限制漿液擴散半徑，這主要是基于水泥中的硅酸二鈣發(fā)生的水解和水化反應，其Ca（OH）2產(chǎn)物能與硅酸鈉迅速凝固，形成水化硅酸鈣的凝膠體。

3 試驗結果分析

3.1 原位剪切試驗結果分析

對基坑坡體向內(nèi)開挖后進行原位剪切試驗，試驗結果之一如下圖5所示。

圖5 J2直剪應力-應變曲線

當剪應力達到峰值后，隨著剪應變的增加，剪應力在峰值附近波動；在理論剪切破壞位移以內(nèi)（剪切盒邊長1/10的剪切位移），試樣的剪應力隨著應變的增加沒有出現(xiàn)明顯下降段；超過理論剪切破壞位移后，試樣的剪應力隨著應變的增加在峰值附近波動。

剪切試驗過程中，J2的注漿結石體首先受到剪切作用，由于注漿結石體的強度高，在剪應力與應變關系曲線中表現(xiàn)為：剪應變在0-2%范圍內(nèi)，剪應力隨應變的增加快速增大，隨著剪切的繼續(xù)進行，J2中的注漿結石體基本破壞，剪應力迅速達到峰值隨后緩慢變化（圖6）。

3.2 土體室內(nèi)實驗分析

注漿結束后對土體進行取樣分析，分別選取距離注漿口不同距離的土體進行重塑土直剪試驗，結果經(jīng)分析離散性較大，這主要是因為室內(nèi)試驗儀器尺寸有限，無法準確制備非均質(zhì)土試樣，填土單元隨機分布的特性很難通過簡單模型試驗進行模擬。

圖6 J2剪切面形態(tài)

為了探究注漿注入量與土體強度的關系，進行了摻加水泥漿液的重塑土直剪試驗，選用均質(zhì)土體作為基質(zhì)，添加不同比例的水泥漿液攪拌養(yǎng)護后進行試驗，結果如圖7、圖8。

圖7 峰值應力隨水泥加量變化的曲線圖

圖8 土體c、φ值統(tǒng)計表

圖8所示，土體c、 φ值總體上有一定的上升趨勢，但并不明顯，這與試驗過程控制不嚴和土體成分復雜有關，由以上實測數(shù)據(jù)分析，水泥漿注入量對土體的c值提升作用呈線性相關，水泥用量較少，分布均勻，改變了土體汲水特性，使土體內(nèi)部粘土成分的含水率穩(wěn)定在一個適當?shù)谋嚷剩斐烧惩灵g粘結力的提高。當漿液數(shù)量達到一定程度后，其土體聚粒成分必然增多，大顆粒土體間的摩擦力增大，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角數(shù)值的提高，因此在6%水泥加量條件下土體φ值明顯增大。

3.3 基于快速拉格朗日方法的有限元分析

利用flac命令流的方式建立基坑開挖模型，計算分析施加注漿結實體結構前后坡體位移應力的變化。

土層利用brick立方體模型生成，定義為莫爾-庫倫強度理論（model mohr）。采用property語句根據(jù)表1數(shù)據(jù)進行材料賦值。材料重度使用initial命令進行初始化賦值，在隨后的計算步驟中，重度指標會隨計算過程進行微調(diào)。

initial density 1970 range z 0 11.991；粘性土飽和重度

initial density 1800 range z 11.991 14.474；填土飽和重度

initial density 1656 range z 14.474 18.974；填土天然重度

initial pp 6.436e3 gradient 0 0-1e3 range z 8.038 14.474；設定填土層孔隙水壓力

初始應力的施加通過初始化計算自動添加，具體操作方法是將土體抗拉強度及粘聚力設為無窮大（1e10），利用fix命令對土體邊界節(jié)點進行條件約束并進行初始化計算。運算結束后再重新賦值，進行下一步建模計算。

初始沉降計算完成后應對各點位移及速度進行清零。

ini xdisp 0 ydisp 0 zdisp 0；位移歸零

ini xvel 0 yvel 0 zvel 0；速度歸零

土體開挖過程采用null模型實現(xiàn)，先對擬開挖土體部分進行分組：group kw1 range plane normal 1.495 0-0.194

origin 19.368 0 18.974 below …

z 17.479 18.974；開挖第一層分組，其它開挖層分組過程相同

model null range group kw1；模擬開挖過程

通過sel命令施加土釘（cable）、砼層（shell）等支護結構。注漿結實體模擬為立方體單元，通過設置特殊材料屬性的方式予以實現(xiàn)，強度參數(shù)模擬普通混凝土。

group sk1 range x 16.304 17.304 y 1.5 2.5 z 14.479 15.479；漿液結實體分組。

表1 土體參數(shù)取值

模型建立結果如下圖所示（圖9、圖10）。

由圖表可知，注漿結實體可以有效改善坡體的位移變化，基坑開挖至第二層后，坡體穩(wěn)定性計算結果云圖分析表明：水平位移（xdisp）出現(xiàn)在坡腳處，第一層開挖平臺也存在較大的位移變化點，通過對比兩種條件下的xdisp云圖，未設置漿液結實體試塊時云圖擴展面積略大，圖示最大位移量為-4.3536e-2m，存在注漿結實體時圖示最大位移量縮減為-3.938e-2m，位移量減少9.55%。

4 結論

（1）以株洲某深厚填土基坑為例，采用注漿預加固的方法可以有效提高基坑開挖過程的穩(wěn)定性，方法經(jīng)濟可行。

（2）非均質(zhì)填土地層中，漿液擴散的滲透、擠密、劈裂現(xiàn)象并存，非均勻分布的大空隙有利于大型漿液結實體的形成。

圖9 模擬注漿結實體試驗模型

圖10 xdisp-注漿結實體試驗結果

（3）原位剪切試驗和有限元計算分析表明漿液結實體可以有效提高坡體剪切變形過程的抗剪力，降低土體變形參數(shù)。

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