深基坑基底注漿加固效果數值模擬分析

夏夢然

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

在軟土中進行基坑開挖會對周圍土體及環境造成很大影響，導致基底的隆起變形、引起鄰近既有建筑物的沉降等。在實際工程中，常采用加固坑底土體的方法改善坑底土體的物理力學性能，從而達到控制基坑變形的目的。

但如何評估注漿加固體的力學性能、加固效果以及適用條件，一直是學者們研究的熱點。郝峰[1]結合基坑支護實例，介紹了高壓旋噴樁在復合土釘墻系中的應用，并通過PLAXIS 2D 軟件進行了案例驗證，指出了高壓旋噴樁的貢獻作用及規律；最后給出旋噴樁、土釘、混凝土面層相關力學參數在PLAXIS 2D軟件中的建議取值。來弘鵬等[2-3]結合廣福隧道、西安市地鐵隧道等工程實例，從數值模擬結果和現場實測數據兩方面詳細介紹了地表預注漿方法在公路隧道、鐵路隧道中的加固機理以及加固效果。高峰等[4]結合隧道圍巖加固的研究現狀，針對常規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生的原因，進而提出了在有限元中模擬加固效應的改進方法。秦愛芳等[5-6]對土體注漿加固的形式、深度、寬度進行了研究，并結合室內模型實驗，討論了坑底土體加固的深度問題。朱志祥等[7]結合基坑工程實例，從墻內側土壓力、地下連續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效果。Shirlaw等[8-10]結合工程實例和監測數據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量要點；Goh[11]提出了考慮坑底注漿加固的基底抗隆起安全系數計算公式。但是，少有學者系統分析噴射注漿加固在基坑工程中的支護作用以及與基坑支護結構協同工作時的相互影響。

筆者結合工程案例，利用PLAXIS 2D軟件進行了有限元建模分析，首先進行了案例驗證，在此基礎上對坑底加固的合理厚度進行了研究，并針對地下連續墻嵌入深度和剛度、軟土層厚度3種參數進行了參數分析，探究其對坑底加固體加固效果的影響。

1 工程概況

圖1 土層分布及支擋結構設置(半結構)

某地鐵站的土層分布及支擋結構設置如圖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。基坑的開挖寬度約為16 m，開挖深度約為17.5 m，由于基坑的長度約為129 m，相當于寬度的8倍，故可作為平面應變問題處理。基底有1.5 m厚的噴射注漿加固體；支護結構由0.8 m厚的地下連續墻(深度為35 m)和6道鋼管內支撐組成(豎向間距為3 m)。距離基坑12 m處有1棟3層框架結構建筑物。基坑施工順序為先施工地下連續墻和坑底土體注漿加固，后進行分步開挖，同時設置內支撐。

2 有限元模型建立與驗證

2.1 數值計算模型

基坑采用對稱開挖，故可取半結構進行建模分析。模型的左右邊界限制單元結點的水平方向位移，底部邊界限制單元結點的水平及豎向位移，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變硬化特性，采用PLAXIS 2D中的土體小應變硬化模型(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。土體的輸入參數見表1，其中，雜填土、砂土采用排水模式模擬，以摩擦角(粘聚力設為0)作為強度參數；軟粘土、沖積層采用不排水B模式模擬，以不排水抗剪強度作為強度參數。表1中土體重度、摩擦角、不排水抗剪強度為現場勘測數據；小應變硬化的范圍為0%～0.002%，其他參數均由HSS模型的計算公式得出，已有很多學者[11-16]驗證過此計算公式，不再贅述。

支護結構采用線彈性體模擬。考慮到地下連續墻在施工時質量不易控制，故對彈性模量取0.7的折減系數；由于按平面應變問題處理，內支撐的等效抗壓剛度應考慮平面外間距，具體的處理方式為將單根內支撐的橫截面積除以平面外間距的平均值(見表2注釋)。支護結構具體參數見表2。注漿加固土體采用摩爾-庫倫模型模擬。根據學者們[1-4,7,11]的建議，由于注漿體質量受施工質量影響很大，在量化其力學性能指標時，可取較保守的值。表3列出了一些學者在模擬注漿加固體時物理力學參數的取值，由表3可知，破碎圍巖加固體的力學性質要遠高于軟弱土層中的加固體。依據表3中軟弱土層加固體參數的取值以及Shirlaw等[8]給出的現場測試數據；文中取彈性模量E=150 MPa，不排水抗剪強度cu=270 kPa(即按照不排水B模式進行分析)。

針對鄰近建筑，采用均布荷載簡化模擬，每層建筑荷載簡化為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，將地下連續墻激活以模擬地連墻的施工，將基坑底部土體的材料參數改為注漿體材料參數(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，同時設置第1道支撐；5)依此類推，逐步開挖至地下6、10、12.5、15、17.5 m，同時設置剩余5道內支撐。

依據工程實際情況，采用先進行坑內降水，后進行開挖的方式模擬，即在每個施工步中將坑內水位設置為開挖面以下。

表1 土層物理力學參數

表2 支護結構物理力學參數

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參數匯總

注：表中E為彈性模量；c為粘聚力；φ為內摩擦角；cu為土體不排水抗剪強度。

建立的有限元模型見圖2。模型包含799個單元、6 740個結點。

圖2 有限元模型示意圖

2.2 數值模型驗證

建立有限元模型后，分析計算得到無注漿底板支護時擋墻的最大側移為84.23 mm，有注漿底板支護時擋墻的最大側移為52.69 mm，與現場檢測結果80 mm(無注漿底板支護區域)、55 mm(有注漿底板支護區域)相比，誤差較小，說明土體和注漿體選用的參數基本合理。

3 坑底土體加固效果的參數分析

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移曲線及彎矩圖的對比。由圖3(a)可以看出，采用坑底土體加固后，地下連續墻的變形明顯減小。且由于對基坑底部1.5 m深度內的土體進行了加固，地連墻最大側移出現的位置有所下降，說明在軟土地區，對坑底土體采用注漿加固的方法比較有效。由圖2(b)可知，進行注漿加固后，地連墻的內力有所減小，最大正彎矩的出現位置大約位于28 m深度處，因此，此處為軟土層與沖積層的接觸面；而最大負彎矩出現在開挖面下方，大致位于軟土層的中間層(20.714 m處)，與地連墻最大側移出現的位置一致(同理，進行注漿加固后，最大負彎矩的出現位置在22.5 m處，與最大側移位置一致)。

圖3 地連墻側移曲線及彎矩圖的對比

為研究加固區厚度對加固效果的影響，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，從地下連續墻側移、基底隆起、地表沉降3個方面評估加固效果，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，均有良好的抑制變形效果，能夠有效減小擋墻側移、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，對變形控制較為嚴格時，可考慮采用3.0 m厚的注漿底板。當加固厚度大于3 m時，加固的效果逐漸降低，4 m以上時，地下連續墻側移及地表沉降趨于穩定，再擴大加固區域已不能提高加固效果。因此，合理的加固范圍應在1.5～3.0 m之間，相當于開挖深度的10%～20%。

3.2 地下連續墻嵌入深度及剛度的影響分析

選取地下連續墻嵌入深度為29、32、35(原工況)、38、41 m共5種工況進行分析。除地下連續墻嵌入深度外，地下連續墻的剛度也會影響支護系統，通過改變地下連續墻厚度的方式，選取了3組工況，研究不同剛度的地下連續墻對支護系統的影響。計算分析結果如表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，擋墻的變形幾乎一致，這是因為地連墻已經嵌入至持力層。反之，減小地連墻的嵌入深度，由于30 m時地連墻仍嵌入持力層(但SPT<100)，所以，最大側移值略有增加，而沒有迅速增加。因此，采用地下連續墻與坑底注漿加固的復合支護方案時，地下連續墻嵌入持力層2～3 m即可。

與嵌入深度不同，地下連續墻的剛度對支護系統有較大的影響。由表4可以看出，地下連續墻的厚度減小時，基坑及地表的變形有所增加；厚度增大時，基坑及地表的變形均會減小。因此，在采用這種復合支護方案時，應保證地下連續墻具有一定的剛度，以達到控制基坑變形的目的。

3.3 軟土層厚度及軟土力學性質的影響分析

工程所處的鄰近區域，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，地連墻的側移曲線變化更加劇烈，地連墻的最大位移出現位置也隨之下降，這是由于地連墻沒有嵌入下部堅硬土層中。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，若有軟粘土層存在，則變形主要發生在軟粘土中。對于下覆軟粘土層的深基坑工程，應特別注意，需采用基底注漿加固與地下連續墻、內支撐相結合的支護系統，才能夠有效控制基坑的變形，且軟粘土層較厚時，應提高地下連續墻的嵌入深度(或剛度)以起到控制變形的作用。

4 結論

通過建立有限元分析模型，模擬基坑開挖及支護的全過程，系統分析了加固區厚度、地連墻嵌入深度、地連墻剛度、軟土層厚度對支護系統的影響。主要得到以下結論：

1)基底注漿加固的合理厚度應為基坑開挖深度的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合的復合式支護系統時，地連墻需嵌入堅硬土層中2～3 m，不宜太深，并應保證地連墻具備一定的剛度。

3)在軟土地區進行基坑開挖時，應注意施工區域的軟土層分布，基坑變形及地表沉降受軟土層厚度影響顯著。在軟土層較厚的區域，應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域等方式控制變形。