被動區土體加固控制偏壓基坑變形效果研究

張嘯川 ZHANG Xiao-chuan

（重慶交通大學河海學院，重慶 400074）

0 引言

隨著城市化建設不斷推進，我國許多城市出現用地緊張這一不利于城市可持續發展的問題，開發地下空間、發展地下工程是解決這一問題的重要途徑。同時，各種基坑工程和工程問題隨之增加。基坑外偏壓荷載是一種相當典型的情況，偏壓荷載時，不但會使周邊的土體出現較大的下沉量，而且會導致基坑兩側土體不對稱變形。嚴重影響地基施工的穩定性[1]。

在工程實踐中，為達到控制基坑變形的目的，可對坑底被動區土體進行加固[2]。近年來，學者們針對基坑被動區加固開展了大量研究，主要體現在加固形式、加固體參數如：寬度、高度、彈性模量等對基坑變形特性的影響。蔣建平[3]等人認為被動區土體剛度越大，基坑變形量越小，整體安全系數越大；劉溢[4]等結合實際工程，采取不同被動區土體參數進行數值模擬，給出了較為合理的加固體參數建議取值；屈若楓等[5]認為被動區階梯式加固優于其他加固形式；朱志祥等[6]研究了三軸水泥土攪拌對于基坑變形作用的影響。

目前很少有研究關注在偏壓條件下被動區土體加固形式對基坑變形特性的影響問題。鑒于此，本文采用有限元分析方法，依托某隧道深基坑工程，針對偏壓作用對基坑變形特性的影響問題，考慮了不同被動區土體加固方案，分析了加固區長度、寬度及加固方式對基坑變形的影響。

1 工程概況

本基坑工程采用地下連續墻結合鋼管內支撐的支護形式，地下連續墻的厚度為800mm，另設有四道水平方向上的內支撐。支撐體系除第一道鋼筋混凝土支撐設置在地連墻頂部，截面尺寸為800mm×800mm 外，其余三道支撐皆采用鋼管支撐，截面為φ609×16。

基坑采用明挖順做法施工，圍護工程量巨大，穿越國道、高架橋1 處，穿越地鐵2 處，兩側地下管網復雜，涉及高壓電力及給水、通訊等管線遷改，施工過程中必須保證正常交通。

2 計算模型及方案

2.1 模型尺寸

基于MIDAS GTS NX 結合了實際設計中的典型地層及基礎構造數據，以構建同等工況下的隧道地基開挖數值計算模型，圖1 為數值計算模型。其中，b 為被動區加固寬度，h 為被動區加固深度。基坑開挖深度為14.0m。考慮基坑開挖邊界效應的影響，基坑開挖影響范圍取3～5 倍的基坑深度[6]。在本文中，簡化的模型尺寸為154m*56m。

2.2 計算參數

模型中土體采用二維平面應變單元模擬，土層計算參數見表1。土體單元用考慮剪切硬化和壓縮硬化的HSS 模型，被動加固區土體采用彈性本構模型。用梁單元模擬內支撐及地下連續墻，地下連續墻與土層間設置界面單元，接觸形式為庫倫摩擦，為了保證設置界面單元后墻-土界面間的節點耦合，故在設置界面單元時同時建立了剛性連接網格。內支撐和地連墻幾何及力學參數見表2。

表1 土層HSS 模型參數

表2 內支撐和地連墻幾何及力學參數

2.3 計算步驟與方案

基坑開挖及支撐安裝等過程可通過有限元軟件激活或鈍化單元的功能來模擬，具體施工模擬步驟如下：①激活所有土體單元與剛性連接網格，施加重力與位移約束進行初始應力狀態分析，隨后將位移清零；②施工地連墻，鈍化剛性連接，激活墻-土間的界面單元，隨后清零圍護結構施工產生的位移；③激活加固后改變屬性的坑底土體，并鈍化原先的土體單元；④開挖第一層土體，并施工第一道鋼管內支撐；⑤開挖第二層土體，并施工第一道鋼筋混凝內支撐；⑥~⑦：依次開挖第三、四層土體，并施工鋼筋混凝內支撐。

為系統研究被動區土體加固對偏壓基坑變形效果的影響，分別選取不同加固區寬度、加固區深度、加固區布置形式進行數值模擬計算，加固區土體參數如表3 所示。

表3 計算方案

3 對比工況分析

3.1 被動區土體加固寬度對偏壓基坑變形的影響

被動區土體加固后，基坑整體位移明顯減少[2]。為研究偏壓條件下不同被動區土體加固寬度對基坑變形性狀的影響，需要了解基坑的主要性狀的改變，本文主要分析圍護結構側向位移和彎矩、坑底回彈變形、地表沉降的變化。

3.1.1 不同加固寬度對應的地連墻水平位移

圖2 是基坑地連墻的水平位移及彎矩沿地連墻深度的分布曲線。可知被動區加固有效控制了地連墻水平位移，兩側圍護墻的水平位移均隨著被動區加固寬度b 的增大而逐漸減小，當被動加固區貫通整個坑底時，地連墻側向位移大幅度下降，圍護結構整體變形趨勢變平緩，最大圍護結構側向位移值出現面向上浮動，出現在基坑開挖面附近，沿地連墻插入深度呈現出一種向內凹陷的“拋物線”型分布。地連墻頂端側向位移被第一道內支撐限制，變形朝向坑外，呈現出典型的深槽向內的位移型態。偏壓側與非偏壓側地連墻的變形隨著加固寬度b 的增加都由向坑外變形轉向坑內變形。從圖3 可知，隨著加固區寬度b 的增大，地連墻彎矩值逐漸減小。當加固區土體未布滿整個基坑底部時，加固區寬度的增大并不會改變圍護樁彎矩在豎直方向上的分布規律，僅改變最大彎矩值。

圖2 地連墻水平位移與被動區土體加固寬度的關系曲線

圖3 被動區土體加固寬度對地連墻彎矩分布的影響曲線

3.1.2 不同加固寬度對應的地表沉降

圖4 是坑外地表沉降隨被動加固區深度的分布曲線。從圖4 可知，被動區土體加固能有效地限制基坑外側地表沉降變形，基坑墻后地表沉降值隨著加固區寬度的增加而減小。偏壓側曲線整體呈現下凹趨勢，地表最大沉降發生在距基坑邊緣約6m 處，非偏壓側土體最大沉降發生在右側地連墻后。

3.1.3 不同加固寬度對應的基坑坑底回彈

圖5 是偏壓條件下不同被動區加固寬度作用下坑底回彈變形在水平方向上的分布曲線。由圖可知，曲線中部位置有一段明顯近似水平的曲線，范圍與每種工況所對應的加固區寬度對應。當加固寬度b=0m 時，坑底回彈變形的最大值出現在基坑中線附近，坑底隆起形態是不均勻的馬鞍形；b=14m 時，坑底隆起形態為均勻的拱形。這表明隨著加固寬度b 的增大，坑底回彈變形逐漸由塑性變為彈性，可以看出，擴展加固區土體寬度對限制坑底回彈變形有著顯著作用。

圖5 被動區土體加固寬度對坑內基坑隆起的影響曲線

3.2 被動區土體加固深度對偏壓基坑變形的影響

3.2.1 不同加固深度下對應的地連墻水平位移

從圖6 可以看出，被動區加固對控制地連墻水平位移有著顯著的作用，隨著被動區土體向下拓展，圍護結構最大水平位移逐漸減小，地連墻最大水平位移出現面上浮。偏壓側與非偏壓側墻體皆向基坑內偏移，但兩側最大水平位移存在顯著差別。當被動加固區寬度保持不變時，圍護結構水平位移在加固深度保持0～4m 時的減少幅度最大，這表明被動區加固深度h 存在最優參數。本基坑模型H＝14m，可確定此基坑模型坑底被動區土體的合理加固深度為0.2～0.3h 左右。

圖6 被動區土體加固深度對應的地連墻水平位移分布曲線

3.2.2 不同加固深度對應的地表沉降

不同加固深度下的坑外地表沉降變形規律與不同加固寬度下的坑外地表沉降變形規律相同，故不再贅述。

3.2.3 不同加固深度對應的坑底隆起

如圖7 所示，被動區土體無加固情況下的基坑隆起曲線與有加固情況下的基坑隆起曲線存在明顯區別。隨著加固深度的增加，坑底隆起值不斷降低，當加固深度達到5m時趨于穩定，變形曲線是較為平滑的拋物線形，基坑隆起量隨著距基坑邊距離的增長逐漸增加，到基坑中線位置后基坑隆起最大值。

圖7 被動區土體加固深度對坑內基坑隆起的影響

3.3 被動區土體加固形式對偏壓基坑變形的影響

為探究相同加固區寬度下不同加固體布置形式對基坑被動區加固效果的影響，對加固區土體采用裙邊加固，具體如圖8 所示。加固區1 的寬度為b1，加固區2 的寬度為b2，且b1=b2，加固區寬度b=b1+b2。

圖8 加固區布置圖

圖9 是裙邊加固下基坑圍護結構側向位移沿豎直方向的分布曲線。可知，裙邊加固能有效地控制地連墻水平位移，圍護墻的水平位移隨著裙邊加固寬度b 的增大而逐漸減小，與圖2 相比，裙邊加固不會導致地連墻水平位移產生突變。曲線總體呈現出典型的類似于“弓形”的變形規律，在坑底出現最大水平位移并逐漸上移。

圖9 裙邊加固下地連墻水平位移與土體加固寬度的關系曲線

圖10是裙邊加固與滿堂加固在相同的加固寬度下圍護結構最大側向位移曲線。裙邊加固記為方案1，滿堂加固記為方案2。可知，相同加固區寬度下，當b=2～4m 時，滿堂加固產生的位移略小于裙邊加固產生的位移；當b=6～12m 時，方案1 產生的位移大于方案2 產生的位移，且隨著加固區寬度b 的增大，兩種加固方式產生位移之差逐漸增加。當b=12m 時，偏壓側，方案1 產生的最大水平位移是11.85mm，方案2 產生的最大水平位移是7.98mm，后者只有前者的67%。

圖10 不同加固寬度與地連墻最大位移的關系曲線

4 結論

本文進行了基坑被動區土體加固控制偏壓基坑變形效果研究，可得出以下結論與認識。

①偏壓條件下，當加固深度不變時，隨著土體加固寬度的增大，基坑被動區土體加固能夠有效控制圍護結構的水平位移，地表沉降最大值迅速減小后趨于穩定，主要影響范圍無太大變化。

②偏壓條件下，坑外地表沉降主要來源于偏壓荷載，被動區加固對其影響較小。

③滿堂加固可顯著減小坑內隆起量。隨著加固寬度的增加，坑內隆起值減小，在加固體側面與坑內未加固土體接觸面處，隆起量驟然增大。

④加固區寬度相等時，滿堂加固的效果優于裙邊加固。