坑底土體加固對(duì)深厚淤泥質(zhì)土地鐵深基坑安全的影響

王 燕,張 飛

(福建江夏學(xué)院 工程學(xué)院,福州 350108)

在軟土地區(qū)進(jìn)行基坑工程施工,由于開挖卸載和施工荷載使得基坑開挖不可避免地產(chǎn)生較大的變形,如若控制不當(dāng),將嚴(yán)重影響基坑本身的穩(wěn)定及周邊環(huán)境的安全[1-2]。近年來(lái)坑底土體加固在軟土地區(qū)地鐵深基坑工程中應(yīng)用廣泛,眾多工程實(shí)踐表明,坑底土體加固能夠有效地控制基坑開挖引起的變形,從而達(dá)到控制基坑變形和保護(hù)周邊環(huán)境的目的[3-4]。

坑底土體加固作為一種常見的控制基坑變形的措施,諸多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。談亦帆等[5]在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值模擬方法研究了坑底滿堂加固形式下基坑內(nèi)力和變形,并提出了合理的水泥摻入比;康志軍等[6]采用數(shù)值分析方法研究了滿堂加固和裙邊加固對(duì)基坑變形的影響,并對(duì)兩種加固措施進(jìn)行了對(duì)比研究,提出過(guò)度增大加固土體割線模量對(duì)控制基坑變形影響不大;孫輝[7]采用PLAXIS3D有限元軟件建立了二維數(shù)值模型,分析了加固土體力學(xué)參數(shù)的不同影響因素,提出內(nèi)摩擦角是影響基坑變形的主要因素;朱志祥等[8]通過(guò)數(shù)值分析,提出三軸攪拌樁加固基坑坑底能夠有效減少地連墻側(cè)向變形和坑外地表沉降;夏夢(mèng)然[9]對(duì)某實(shí)際基坑工程項(xiàng)目進(jìn)行了數(shù)值模擬,提出軟土地區(qū)基坑坑底注漿加固能夠有效抑制地連墻側(cè)向變形;冒千如等[10]對(duì)高壓旋噴樁加固濱海地區(qū)軟基沉降進(jìn)行了分析;施成華等[11]基于非線性接觸理論,研究了基坑上跨既有盾構(gòu)隧道時(shí)基底縱向加固、橫向抽條加固和格柵加固3種加固措施下隧道的變形及接頭混凝土應(yīng)力。但以上關(guān)于坑底土體加固的研究主要集中于加固方式、加固體的力學(xué)性能、加固效果以及適用條件,并未涉及到在深厚淤泥質(zhì)土的地質(zhì)條件下對(duì)坑底土體加固范圍和加固深度及基坑整體穩(wěn)定性的關(guān)注,而在深厚淤泥質(zhì)土層進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),基坑變形和整體穩(wěn)定性計(jì)算往往起控制作用[12]。此外,加固土體的物理力學(xué)參數(shù)主要依靠經(jīng)驗(yàn)取值[13-14],并未對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加固土體進(jìn)行實(shí)測(cè)。然而,實(shí)際工程中坑底土體加固質(zhì)量受施工質(zhì)量影響很大,土體經(jīng)加固擾動(dòng)后,其力學(xué)特性也變得更為復(fù)雜,因此,依靠經(jīng)驗(yàn)取值所進(jìn)行的數(shù)值分析也會(huì)與工程實(shí)際存在差異。

基于此,本文結(jié)合福州地區(qū)某地鐵車站深基坑工程,采用靜力觸探試驗(yàn)測(cè)定坑底土體加固前后錐尖阻力,進(jìn)而獲得加固土強(qiáng)度參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,采用ABAQUS有限元軟件,建立基坑開挖數(shù)值模型,研究深厚淤泥質(zhì)土層坑底土體加固置換率、加固深度對(duì)基坑工程變形及整體穩(wěn)定性的影響,為類似工程設(shè)計(jì)施工提供參考。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面

1 工程概況

本文所研究的基坑工程為福州地區(qū)某地鐵車站深基坑工程項(xiàng)目,該項(xiàng)目基坑長(zhǎng)約290.4 m,基坑標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)凈寬為20 m,標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度為18.5 m。車站主體基坑圍護(hù)體系采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐。地下連續(xù)墻800 mm厚,與內(nèi)襯墻采用復(fù)合式結(jié)構(gòu)形式,全包防水。車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑沿深度方向設(shè)置4道支撐,第1道采用鋼筋混凝土支撐,第2—4道采用鋼支撐。其中,端頭井段局部較長(zhǎng)鋼支撐采用φ800鋼支撐,余下均采用φ609鋼支撐,基坑設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)。中間標(biāo)準(zhǔn)段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。

該基坑采用明挖順作法施工。根據(jù)該場(chǎng)地巖土工程勘察報(bào)告,基坑開挖范圍土層主要以淤泥質(zhì)土和淤泥加砂為主,工程性質(zhì)較差。為減少基坑開挖階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移,提高車站底板所處地層的土體性質(zhì),標(biāo)準(zhǔn)段基坑范圍內(nèi)采用φ850@600三軸水泥攪拌樁在坑底以下3 m范圍進(jìn)行抽條加固,加固土寬度及間距分別為3 m。水泥攪拌樁加固土體采用42.5 MPa水泥,要求加固后土體28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu≥1.0 MPa。

2 有限元分析

2.1 計(jì)算模型

由于中間標(biāo)準(zhǔn)段基坑形狀和受力形式都較為規(guī)則,故本文基于ABAQUS有限元軟件建立二維數(shù)值模型進(jìn)行平面應(yīng)變分析。為簡(jiǎn)化計(jì)算,對(duì)模型進(jìn)行以下處理:①假設(shè)基坑內(nèi)外土層勻質(zhì)水平層狀分布;②土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型;③地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐采用線彈性本構(gòu)模型;④不考慮地連墻施工和坑底加固對(duì)基坑土體的擾動(dòng);⑤為了保證數(shù)值分析結(jié)果的精確性,對(duì)重點(diǎn)分析區(qū)域地連墻及周邊范圍土體采用網(wǎng)格加密方式進(jìn)行處理;⑥考慮到鄰近堆載以及施工荷載,在距離地連墻20 m范圍內(nèi),添加30 kN/m的均布荷載作為豎向應(yīng)力約束。

為充分考慮基坑開挖的邊界影響,模型尺寸取120 m(長(zhǎng))×90 m(深)。土層和地連墻均采用CPE8R單元,內(nèi)支撐采用B21梁?jiǎn)卧?。?jì)算模型左右邊界單元節(jié)點(diǎn)添加法向位移約束;底部邊界單元節(jié)點(diǎn)添加切向和法向位移約束;上表面邊界自由。

基坑開挖深度范圍內(nèi)各土層物理力學(xué)參數(shù)參照該項(xiàng)目的地質(zhì)勘察報(bào)告,加固土體力學(xué)參數(shù)根據(jù)靜力觸探試驗(yàn)所得錐尖阻力(表1)換算而成,其中,錐尖阻力與土體強(qiáng)度參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換參照文獻(xiàn)[15-17]。最終各土體性質(zhì)參數(shù)如表2所示。

表1 靜力觸探土層力學(xué)性能

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)基坑開挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬結(jié)果,基坑開挖完成后某測(cè)點(diǎn)地連墻水平位移及地表沉降計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2、圖3所示。

從圖2、圖3可以看出:①地連墻水平位移加固計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合,地連墻側(cè)向變形發(fā)展變化趨勢(shì)基本一致。②地連墻實(shí)測(cè)位移最大值大于加固計(jì)算值,且位移最大值出現(xiàn)位置更加靠近坑底,分析原因在于有限元計(jì)算沒(méi)有考慮基坑開挖完成后土體的塑性發(fā)展。③地表沉降呈明顯的“凹槽型”分布,實(shí)測(cè)沉降最大值為-19.8 mm,比加固計(jì)算結(jié)果稍大,位于約0.95倍開挖深度處,與計(jì)算值相比發(fā)生位置更加靠近擋墻,但兩者變化趨勢(shì)基本一致。這表明:①與未加固工況相比,坑底土體加固能有效地控制基坑開挖引起的變形。②有限元模型參數(shù)選取合理,計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠,可為該基坑工程項(xiàng)目的進(jìn)一步研究提供模型基礎(chǔ)。

整體穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算基于有限元強(qiáng)度折減法確定,選取基坑內(nèi)具有典型變化特征的點(diǎn)作為整體穩(wěn)定判定節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)位移變化量和強(qiáng)度折減系數(shù)關(guān)系曲線轉(zhuǎn)折最大處所對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)即為安全系數(shù)[18]。圖4、圖5分別給出了土體強(qiáng)度折減后極限狀態(tài)下土體變形增量云圖和土體變形矢量圖。最終得到基坑整體穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs=2.48。本文所采用強(qiáng)度折減有限元計(jì)算結(jié)果的可靠性已在文獻(xiàn)[19]中得到驗(yàn)證。

圖4 極限狀態(tài)下土體變形增量

圖5 極限狀態(tài)下土體變形矢量

3 對(duì)比工況分析

3.1 坑底抽條加固置換率影響

結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目,以加固深度為3 m,對(duì)坑底土體進(jìn)行抽條加固,研究坑底土體加固置換率(加固土體面積與坑底土體面積之比)對(duì)地連墻水平位移、坑外地表沉降、坑底土體隆起變形最大值及基坑整體穩(wěn)定性的影響。

圖6給出了基坑開挖至坑底時(shí)地連墻水平位移、坑外地表沉降、坑底隆起變形最大值與加固置換率的關(guān)系曲線?？傮w來(lái)看,隨著坑底土體加固置換率的增加,地連墻水平位移、坑外地表沉降、坑底隆起變形量都在不斷減小。在無(wú)加固工況下,地連墻水平位移、坑外地表沉降、坑底隆起變形量分別為77.4,56.6,118.8 mm;當(dāng)置換率從0%增加到100%時(shí),地連墻水平位移、坑外地表沉降、坑底隆起變形量分別減少為17.3,14.5,51.0 mm,說(shuō)明在深厚淤泥質(zhì)土層進(jìn)行基坑工程施工坑底土體加固能夠有效控制基坑變形。

當(dāng)加固置換率取60%時(shí),地連墻水平位移、坑外地表沉降、坑底隆起變形最大值分別為21.7,16.8,54.5 mm,與無(wú)加固工況相比分別減少72%,70%,54%,減幅明顯;當(dāng)加固置換率從60%增加到100%后,三者變形雖然會(huì)進(jìn)一步受到限制,但影響幅度顯著減少,說(shuō)明深厚淤泥質(zhì)土地鐵深基坑坑底土體加固存在加固比例限值,當(dāng)坑底加固置換率超過(guò)60%后,基坑變形曲線變緩。

當(dāng)坑底土體未采取加固措施時(shí),地連墻最大水平位移、坑外地表最大沉降量分別為77.4,56.6 mm,均超過(guò)二級(jí)基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)74 mm(δhm≤0.4%H,且≤50 mm,其中,δhm為支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移)、55.5 mm(δvn≤0.3%H,其中,δvn為坑外地表最大沉降量)。隨著加固土置換率的提高,基坑變形位移值受到限制,當(dāng)加固土置換率為40%時(shí),地連墻最大水平位移、坑外地表最大沉降量分別為29.5,22.0 mm,達(dá)到一級(jí)基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)30 mm(δhm≤0.2%H,且≤30 mm)、27.8 mm(δvn≤0.15%H)。因此,福州深厚淤泥質(zhì)土地鐵深基坑安全等級(jí)為一級(jí)時(shí),坑底土體抽條加固置換率在40%～60%較為經(jīng)濟(jì)合理。

圖7 基坑整體穩(wěn)定性與加固置換率關(guān)系曲線

不同坑底土體加固置換率下基坑整體穩(wěn)定性安全系數(shù)分布規(guī)律如圖7所示。總體來(lái)看,隨著坑底加固置換率的增加,基坑整體穩(wěn)定性安全系數(shù)近似呈“S”型增長(zhǎng)趨勢(shì),當(dāng)加固置換率從0%(無(wú)加固)增加到100%時(shí),基坑整體穩(wěn)定性安全系數(shù)由2.38增加至2.56。

當(dāng)加固置換率超過(guò)30%以后,加固置換率對(duì)基坑整體穩(wěn)定影響愈加顯著,在30%～60%時(shí),基坑整體穩(wěn)定性安全系數(shù)近似線性增長(zhǎng)。當(dāng)加固置換率超過(guò)60%以后,基坑整體穩(wěn)定性與加固置換率關(guān)系曲線趨于平緩,加固置換率對(duì)基坑整體穩(wěn)定性的影響減弱,基坑整體穩(wěn)定性安全系數(shù)曲線增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。因此,加固置換率處于30%～60%時(shí),抽條加固對(duì)基坑整體穩(wěn)定影響效果最好,效益最高。

3.2 坑底抽條加固深度的影響

采用寬3 m、間距3 m的水泥攪拌樁加固坑底土體,加固土深度與基坑開挖深度之比h/H分別取0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,研究抽條加固不同深度工況下的深厚淤泥質(zhì)土地鐵深基坑變形及對(duì)整體穩(wěn)定的影響。

圖8給出了基坑變形與抽條加固深度的關(guān)系曲線。由圖8可以看出,坑底土體加固深度在5.6 m(0.3H)范圍內(nèi),均有良好的抑制變形效果,能夠有效減少地連墻水平位移、基坑底部隆起和坑外地表沉降?？拥淄馏w加固深度在3.7 m(0.2H)左右可以減少基坑變形約75%,對(duì)變形控制較為嚴(yán)格時(shí),可考慮采用5.6 m(0.3H)深的坑底加固。但加固深度大于5.6 m(0.3H)時(shí),加固效果逐漸減弱,當(dāng)加固深度超過(guò)7.4 m(0.4H)時(shí),基坑變形趨于穩(wěn)定,基本不再變化。上述研究表明坑底土體加固存在加固深度限值,在該加固深度限值范圍內(nèi),隨著加固深度增大,基坑變形減少幅度非常明顯,基坑變形對(duì)加固深度變化敏感;超過(guò)該深度限值過(guò)度地增大坑底土體加固深度對(duì)基坑變形的影響不明顯。綜合上述研究,福州地區(qū)深厚淤泥質(zhì)土地鐵深基坑的加固深度建議取0.1H～0.4H,大于0.4H是不經(jīng)濟(jì)的。

不同抽條加固深度下基坑整體穩(wěn)定性安全系數(shù)分布規(guī)律如圖9所示。總體來(lái)看,隨著坑底土體加固深度的增加,安全系數(shù)也不斷增大。這是由于坑底土體加固有效抑制了基坑的內(nèi)力變形,提高了基坑整體穩(wěn)定性,這也與前面的研究成果相一致。

圖9 基坑穩(wěn)定性與加固深度關(guān)系曲線

當(dāng)加固深度小于0.3H時(shí),加固深度的增加對(duì)增大基坑整體穩(wěn)定性的影響最為明顯,近似呈線性增長(zhǎng)。加固深度超過(guò)0.4H以后,基坑整體穩(wěn)定性安全系數(shù)增長(zhǎng)速率放緩,加固深度超過(guò)0.5H以后,基坑整體穩(wěn)定性安全系數(shù)幾乎不增長(zhǎng)。因此,對(duì)于不能滿足整體穩(wěn)定要求的深厚淤泥質(zhì)土基坑,增加坑底土體加固深度是一種有效的解決方法,但當(dāng)加固深度超過(guò)0.5H以后效果不明顯。綜上所述,當(dāng)坑底土體加固深度達(dá)到一定限值時(shí),繼續(xù)增大加固土體深度對(duì)控制基坑變形和提高整體穩(wěn)定性影響甚微。在實(shí)際工程中,盲目加大坑底土體加固深度將造成浪費(fèi)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)福州深厚淤泥質(zhì)土某地鐵深基坑建立有限元分析模型,模擬基坑開挖過(guò)程,系統(tǒng)研究了坑底土體加固置換率、加固深度對(duì)基坑變形及整體穩(wěn)定性的影響。主要結(jié)論如下:

1) 工程采取的坑底3 m范圍三軸攪拌樁抽條加固土體措施有效控制了基坑變形,提高了基坑整體穩(wěn)定性,未采取加固措施的數(shù)值分析結(jié)果不能滿足基坑變形控制要求。

2) 福州深厚淤泥質(zhì)土地鐵深基坑安全等級(jí)為一級(jí)時(shí),抽條加固中坑底土體加固置換率在40%～60%時(shí),可以充分抑制基坑變形,減少地連墻水平位移、基坑底部隆起和坑外地表沉降。加固置換率處于30%～60%時(shí),抽條加固對(duì)增大基坑整體穩(wěn)定性效果最好。

3) 坑底土體抽條加固存在加固深度限值,福州深厚淤泥質(zhì)土地鐵深基坑坑底土體加固深度建議取0.1H～0.4H(H為基坑開挖深度),大于0.4H以后繼續(xù)增大加固深度對(duì)控制基坑變形影響甚微。當(dāng)加固深度小于0.3H時(shí),基坑整體穩(wěn)定性近似呈線性增長(zhǎng),加固深度超過(guò)0.5H以后,基坑整體穩(wěn)定性曲線趨于平緩。