中厚砂層條件下水泥攪拌樁加固地連墻成槽變形分析研究

耿東鋒

（中鐵一局集團（廣州）建設(shè)工程有限公司）

0 緒論

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速增長，城市化進程發(fā)展快速，地下商城、地鐵等大量地下工程發(fā)展規(guī)模壯大，地下空間的開挖深度越來越深，地下連續(xù)墻成為了深基坑圍護結(jié)構(gòu)中的重要施工方法，具有阻擋土體、抑制滲透等功能。然而，在我國沿海地區(qū)，深基坑工程多數(shù)處于軟弱地層的不良地質(zhì)條件中，給地連墻的成槽施工與深基坑的開挖施工帶來很多問題與挑戰(zhàn)。目前，在深基坑開挖施工技術(shù)方面都較為成熟，但對處于砂層、淤泥等不良地質(zhì)條件下的深基坑工程，其開挖支護施工仍具有較大的難度與風險。

針對不良地質(zhì)條件下深基坑開挖支護的施工難題，多數(shù)學(xué)者對深基坑加固及圍護結(jié)構(gòu)的施工進行了數(shù)值研究分析。麻鳳海[1]通過MIDAS模擬分析不同攪拌樁直徑對軟土條件下深基坑支護結(jié)構(gòu)變形的影響；楊世華[2]采用有限元方法結(jié)合實測數(shù)據(jù)分析不同支護方案對超大軟土深基坑工程變形的影響；于廷新[3]結(jié)合緊鄰題錄的深厚淤泥基坑工程，采用三維數(shù)值方法分析深厚淤泥對土體及鐵路的影響規(guī)律，并總結(jié)深基坑的加固方案；張煥榮等[4]采用MIDAS有限元軟件模擬分析地連墻支護下深基坑開挖引起臨近隧道的變形，通過對比計算驗證了攪拌樁加固的可靠性，為實際工程施工提供了參考；林曉春[5]基于修正硬化模型模擬分析深基坑施工過程對支護結(jié)構(gòu)與土體變形的影響規(guī)律；黃濤[6]采用有限元方法模擬分析被動區(qū)深層攪拌樁加固對深基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)墻、坑底土體及坑后土體的影響；尹幸樂[7]采用FLAC3D 軟件進行數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場試驗分析軟土條件下地連墻施工與深基坑加固對基坑開挖施工的影響；段尚磊[8]采用MIDAS-GTS 模擬分析深基坑裙邊加固工程效應(yīng)，并優(yōu)化裙邊加固施工方案。

廣州市軌道交通七號線二期某地鐵車站深基坑工程處于中厚砂層不良地質(zhì)中，在地連墻施工中，容易造成成槽塌孔，影響地連墻施工質(zhì)量及后續(xù)深基坑開挖施工，因此，采用水泥攪拌樁進行地連墻槽壁加固。本文結(jié)合該工程的施工問題，采用FLAC3D 建立數(shù)值模型，模擬分析有無攪拌樁支護下地連墻成槽施工及澆筑施工過程中槽段的變形情況，驗證水泥攪拌樁槽壁加固措施的有效性，為實際工程施工提供指導(dǎo)。

1 工程概況

某地鐵車站設(shè)計全長172.8m，標準段寬度21.5m，基坑深度27m，建筑面積14260m2。結(jié)構(gòu)底板設(shè)計厚度1000～1800mm，采用C35P10 抗?jié)B混凝土，負二層中板設(shè)計厚度700mm，負一層中板設(shè)計厚度600mm，采用C35P8抗?jié)B混凝土，頂板設(shè)計厚度800mm，采用C35P8抗?jié)B混凝土，側(cè)墻設(shè)計厚度900～1100mm，采用C35P8～P10 混凝土（負三層側(cè)墻為P10，其余為P8）。地連墻兩側(cè)采用水泥攪拌樁進行槽壁加固，攪拌樁長度23m。

本站的不良地質(zhì)主要為淤泥質(zhì)粉細砂層及淤泥質(zhì)中粗砂層。其松散、遇水崩解軟化的特性將對地下連續(xù)墻的施工質(zhì)量帶來較大影響。可能造成連續(xù)墻成槽塌孔，連續(xù)墻接縫處夾砂造成開挖后涌水。同時，由于站址四周均為珠江水系，地下水水頭壓力較高，具有一定的承壓性，基坑的小滲漏可能極快的發(fā)展為涌砂、涌泥，對基坑安全帶來較大影響。

根據(jù)勘測單位給出的原位試驗結(jié)果和土工試驗數(shù)據(jù)，并參考當?shù)毓こ探?jīng)驗選取材料參數(shù)，各土層力學(xué)性能參數(shù)值如表1。

表1 土層材料的各項力學(xué)性能參數(shù)

2 深基坑水泥攪拌樁支護地連墻成槽變形分析

2.1 FLAC3D簡介

FLAC 3D（Fast Lagrangian Analysis of Continu a）由美國ITASCA 公司開發(fā)的仿真計算軟件，是二維的有限差分程序FLAC2D 的拓展，能夠進行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動分析。通過調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合實際的結(jié)構(gòu)。單元材料可采用線性或非線性本構(gòu)模型，在外力作用下，當材料發(fā)生屈服流動后，網(wǎng)格能夠相應(yīng)發(fā)生變形和移動（大變形模式）。FLAC3D 采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠非常準確地模擬材料的塑性破壞和流動。由于無須形成剛度矩陣，因此，基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的三維問題。

2.2水泥攪拌樁加固地連墻數(shù)值模型建立

本文根據(jù)工程土層參數(shù)及地連墻的支護方案，采用FLAC3D 建立數(shù)值模型，模型如圖1、圖2 所示，土層模型沿地下連續(xù)墻方向長取60m，寬度范圍取30m，深度為75m。

圖1 水泥攪拌樁槽壁加固示意圖

圖2 攪拌樁支護模型

2.3成槽施工階段分析

為了研究水泥攪拌樁支護對地下連續(xù)墻成槽變形的影響，本節(jié)分別建立有水泥攪拌樁支護與無水泥攪拌樁支護兩種模型，對比分析成槽過程中槽壁的位移及沉降分布情況。圖3 為兩種模型的沉降云圖，圖4 為兩種模型在成槽施工階段槽壁的水平位移云圖。由圖3 分析可知，在成槽施工過程中，土體的沉降槽口兩側(cè)呈對稱分布，在槽壁處沉降值最大，并沿槽壁兩側(cè)擴散；其中，采用水泥攪拌樁支護的模型沉降值較無水泥攪拌樁支護的模型沉降值小，且擴散范圍也相對減小。由圖4分析可知，采用水泥攪拌樁支護能夠明顯減小槽壁兩側(cè)的水平位移。由此可知，水泥攪拌樁能夠明顯降低地連墻成槽施工過程中槽壁兩側(cè)土體的沉降及水平位移，保證成槽施工的穩(wěn)定性。

圖5 所示為地連墻成槽施工階段x 與y 方向上兩種模型的沉降曲線圖，0m 位置表示槽段中心處。由圖分析可知，兩個方向上的沉降曲線均表現(xiàn)為凹陷狀，最大沉降值均發(fā)生在槽段中心位置，其變形分布規(guī)律均滿足圖3 中的沉降云圖。在有攪拌樁支護情況下，槽壁周邊土體的沉降明顯減小；在圖5（a）中無攪拌樁支護的最大沉降達到24mm，在圖5（b）中無攪拌樁支護的最大沉降達到30mm，約為有攪拌樁支護的3 倍。在y 方向的沉降曲線中可看到，槽段處的沉降值出現(xiàn)突起，這主要是由于槽段的開挖，土體向槽段內(nèi)部產(chǎn)生較大壓力，從而形成一個滑動面所致，容易出現(xiàn)塌孔事故的發(fā)生，而采用水泥攪拌樁支護后能夠明顯減緩其變形。

圖3 沉降云圖

圖5 地連墻成槽施工階段沉降圖

圖6 所示為沿槽壁深度的水平位移變化曲線，圖中曲線變化規(guī)律與圖4 的槽壁位移圖一致。采用水泥攪拌樁支護后，能明顯限制槽壁的水平位移；尤其在地表至23m 深度范圍內(nèi)，由于土層較為軟弱，無水泥攪拌樁支護下，軟土容易失穩(wěn)，最大水平位移達到45mm，已在槽壁中形成鼓包，容易造成塌孔；而在23m 深度以下主要為微風化灰?guī)r，土層穩(wěn)定性較高，成槽時候后對其影響較小。

圖6 槽壁位移曲線

2.4混凝土澆筑階段分析

圖7和圖8為混凝土澆筑階段的沉降曲線和位移曲線圖。由圖7和圖8可知，相較于成槽施工階段，混凝土澆筑階段的沉降與水平位移均明顯減小，其變形曲線分布規(guī)律均與成槽施工階段相似，在有水泥攪拌樁支護的情況下，明顯減小槽壁的沉降及水平位移，有效提高槽壁的穩(wěn)定性。其中，在圖7（b）中可看出槽段位置的突起部分由于混凝土澆筑作用，已基本平緩。

圖7 混凝土澆筑階段沉降曲線

圖8 混凝土澆筑階段位移曲線

2.5混凝土硬化階段分析

圖9 與圖10 為混凝土硬化階段槽段的沉降曲線及水平位移曲線圖。由圖分析可知，混凝土硬化階段中槽段周邊土體的沉降及沿槽段深度的水平位移的變化規(guī)律與混凝土澆筑階段基本一致。然而，硬化階段的沉降值相較澆筑階段反而有所增大，這主要是由于澆筑階段混凝土未完全硬化，槽段兩側(cè)由于土壓力的作用，其變形仍在繼續(xù)向槽段內(nèi)部發(fā)展，因此在此過程中，槽段的沉降及水平位移均有所增大。

圖9 槽段混凝土硬化階段沉降圖

圖10 混凝土硬化階段槽壁位移曲線

3 結(jié)論

本文針對廣州市軌道交通七號線二期某地鐵車站工程的施工問題，對其水泥攪拌樁槽壁加固進行數(shù)值模擬研究，通過FLAC3D 模擬分析有無攪拌樁支護條件下地連墻成槽施工與混凝土澆筑施工過程中槽壁沉降與水平位移的分布情況及變化規(guī)律。在中厚砂層條件下，對地下連續(xù)墻采用水泥攪拌樁進行槽壁加固，能夠明顯降低槽段周邊土體的沉降及沿槽段深度的水平位移值，極大的提高了地連墻成槽施工過程的穩(wěn)定性，保證施工過程的安全。