粉砂地層節制閘基坑注漿加固效果數值模擬研究

賈文惠

(山東省菏澤市河湖流域工程管理服務中心，山東 菏澤 274000)

1概 述

隨著我國基礎建設快速，地下空間的發展與利用已成為重要的研究內容。基坑工程是大型工業及民用建筑等的重要組成部分。但基坑在開挖過程中會面臨許多問題，如基坑處于富水地帶，巖土體的物理力學強度較低，開挖基坑可能導致基坑大變形及失穩，造成重大的工程事故。因此，實際工程中，通常對基坑底部進行加固處理，一方面可以提高巖土體的力學強度，另一方面可以防止地下水滲流。

李志鵬等[1]采用數值模擬手段，研究了某車站基坑斷層帶注漿加固效果。結果表明，注漿加固技術可以有效地對基坑進行加固處理，相比注漿加固前，其最大水平位移和地表累計沉降量減小50%以上，滿足工程要求。注漿后，基坑底部區域內以及基坑外塑性區范圍明顯減小。潘世強、鄧俊[2]基于某實際深基坑工程，研究了富水砂卵石層深基坑近接建筑物安全施工控制技術。結果表明，采用注漿加固技術能有效地減小基坑施工對建筑物的影響，基坑開挖結束時，建筑物最大沉降值僅為8mm，滿足規范的安全性要求。李享松等[3]基于現場注漿試驗和室內有限元數值模擬，研究了富水砂卵石地層注漿參數優化問題。結果表明，富水地層采用水灰比最優取值應為0.8～1.0，水玻璃濃度應控制在40波美度左右。此外，注漿孔間距宜控制在1.8 m左右。夏夢然等[4]基于有限元模擬，研究了深基坑基底注漿加固效果。結果表明，軟土地基采用注漿加固技術可滿足工程需要。加固后，可有效減小地連墻的側向變形和地表沉降。胡奇凡等[5]采用現場試驗，研究了超高壓旋噴注漿法在卵石地層的應用。結果表明，超高壓旋噴注漿技術在超深富水卵礫石地層中合理有效的，并且可以作為超深富水卵礫石地層加固加以推廣。曹雷[6]基于數值模擬，研究了基坑開挖對鄰近既有隧道結構影響及注漿加固措施。結果表明，注漿加固效果顯著，加固后的最大正負彎矩分別減小28.7%和30.2%，且隧道結構的最大拉應力減小32.0%，有效保證了隧道不會產生裂縫。李兵等[7]基于MIDAS數值模擬，研究了注漿對深基坑支護結構抗震性能的影響。結果表明，注漿加固對深基坑中的鋼支撐所受到的軸力有一定改善作用，但在土層加固區與土層非加固區交接處的位移與受力變化較大，實際工程中要加強監測。頡劍輝、曾兵兵[8]研究了注漿加固在某基坑軟弱地基中的應用，提出注漿加固的使用范圍，論證了注漿加固的實際效果，研究可為相似工程提供參考。

本文以某水利工程閘門深基坑工程為研究對象，采用數值模擬，研究注漿加固的效果。研究成果可為類似工程提供經驗與借鑒。

2 工程概況

某節制閘位于老沙河上,限制排水面積為1 424.2km2。該閘于1979年建成，因建設時間過長，需要重新拆除加固。閘門基坑屬于典型的富水基坑，地下水位較淺，土體滲透性較大，基坑開挖過程中多次發生涌水問題。

本文以基坑某段為研究對象，見圖1。基坑開挖深度為18m，地連墻厚度為0.8m，基坑內共有3道支撐。為了控制基坑變形，采用注漿加固技術進行加固。選用高壓旋噴注漿聯合雙液注漿技術，加固范圍主要為坑底2～7m范圍。

圖1 基坑剖面圖

3 數值模擬

3.1 模型及計算參數

為研究注漿加固效果及基坑變形特征，本文采用FLAC建立數值模型進行計算分析，模型的具體尺寸見圖2。模型的邊界條件為：底部為全約束，側面為約束側向位移，頂部為自由邊界。地下水在地表以下3m位置。

圖2 數值模型圖

參考既有研究，本文進行一些簡化，其中巖土體的本構模型為理想的摩爾-庫倫彈塑性本構。地連墻簡化為各向同性的線彈性體材料。考慮施工因素，對混凝土彈性模量進行折減，取值為25GPa，

地下連續墻則視為線彈性體，原設計地下連續墻和混凝土內支撐均采用C30號混凝土，考慮施工因素對混凝土的影響，對其彈性模量進行折減，彈性模量為24GPa，泊松比為0.2，容重為25kN/m3。

數值模擬中，巖土體的物理力學參數主要根據現場鉆孔資料取樣的室內土工試驗獲取得到。具體巖土體力學指標以及圍護結構的力學參數見表1、表2。

表1 巖土體物理力學參數

表2 圍護結構力學參數

3.2 計算工況

本文計算工況與實際情況相同。在基坑開挖前，清零初始位移場和速度場。基坑開挖共設置7個步驟：第一步，賦予材料參數及給定邊界條件；第二步，施加地連墻工程；第三步，坑底注漿加固；第四步，開挖基坑至-1m，施加第一道支撐；第五步，降低地下水，開挖至-8m，施加第二道支撐；第六步，基坑開挖至-14m，施加第三道支撐；第七步，基坑開挖至-18m。

4 結果與分析

4.1 地連墻位移特征

圖3為基坑開挖過程中，不同階段地連墻典型監測點的水平位移模擬值和實測值對比曲線。結果表明，隨著基坑開挖深度的增大，地連墻水平位移增大，基坑開挖結束時，水平位移最大值模擬結果為22mm，實測結果為20.6mm。此外，施工過程中，地連墻位移主要集中在深度為10m的位置處，因此實際工程中應對該段進行實時監測和保護。模擬值和實測值結果表明，地連墻的變形呈現出兩頭小中間大的分布規律。這也表明，地連墻在嵌固范圍內發揮了良好的加固作用。

圖3 地連墻位移曲線

4.2 坑外地表位移

圖4為基坑開挖過程中，不同施工階段，坑外地表沉降變形的實測值和模擬值。結果表明，實測值和模擬值變化規律基本一致，均呈現出先增大后減小的拋物線規律。當基坑開挖至坑底時，沉降變形最大值為15mm，沉降位置出現在距坑壁8m位置處。當沉降達到最大值時，隨著距地連墻距離的增大，沉降值迅速減小。基坑開挖對坑外影響范圍主要集中于1倍開挖深度范圍。

圖4 坑外地表變形曲線

綜上所述，通過地連墻側向位移和坑外沉降變形的模擬值與實測值對比發現，模擬結果與實測結果趨勢完全一致，兩者的相對誤差均在15%之內，表明本文數值模擬的可靠性。

5 注漿加固效果對比

5.1 坑外地表位移

圖5為注漿加固前后坑外地表沉降變形曲線。結果表明，隨距離的增大，地表沉降表現為先增大后減小的趨勢。加固后，地表沉降明顯小于加固前地表沉降值，且均表現出凹槽狀。3種不同的加固工況，沉降最大值均發生在距坑壁10m以內范圍。圖5表明，未注漿加固對地表沉降的影響范圍比注漿加固后的范圍更大。這主要是由于未注漿加固導致坑外地下水向坑內滲水，導致基坑底部有效應力減小；注漿加固后，土體的模量增大，強度明顯增大。

圖5 不同加固手段下坑外地表變形曲線

5.2 地連墻水平位移對比

圖6為注漿加固前后地連墻水平位移變化曲線。結果表明，地連墻的水平位移均呈拋物線形式，最大位移出現在12m位置，且注漿加固會大大減小地連墻的水平位移。加固土體彈性模量分別為50、100和200MPa工況下，地連墻最大水平位移為27、24和22mm，最大水平位移減小55%～65%。此外，在基坑深度為10～25m時，加固前后地連墻水平位移相差比較大。這主要是由于該處基坑開挖深度較深，墻兩側的壓力差較大，而加固后土體的強度增大，能夠較好抑制坑底隆起變形。而未加固的基坑土體強度較差，不能較好約束地連墻變形，導致發生“踢腳破壞”。因此，實際工程中應對坑底進行注漿加固處理。

圖6 不同加固手段下地連墻水平位移曲線

6 結 論

1)基坑開挖過程中，坑內地下水位線迅速降低，而坑外保持不變，表明施工過程中所采用的地連墻止水效果良好，可以阻止坑外地下水向坑內滲流。

2)基坑開挖過程中，坑外地表最大沉降點在距坑壁10m左右范圍內，開挖的影響范圍為1倍開挖深度。此外，采用注漿加固可以顯著減小坑外地表沉降變形。

3)地連墻的水平位移表現出中間大、兩端小的拋物線形態，且地連墻位移隨開挖深度增大而增大，最大位移出現在12m位置。注漿加固后，地連墻的水平位移大大減小。當加固土體彈性模量分別為50、100 和200MPa工況下，地連墻最大水平位移為27、24和22mm，最大水平位移減小60%左右。