不同土體加固方式對船閘基坑支護結構性狀的影響分析

吳超瑜，陳文霞，潘 健

(1.廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340；2.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510640)

在軟土地區中，為控制基坑的變形，確保施工期間基坑和基坑周邊環境的安全，常常在基坑主動區和被動區進行土體加固。目前，國內外不少學者通過試驗方法、現場監測法、數值模擬法對基坑加固進行了研究。秦愛芳、胡中熊等[1]根據現場卸荷試驗所測得的數據，針對上海軟土基坑工程提出了一種合理的被動區土體加固深度。胡文紅、鄭剛[2]根據現場載荷試驗，探究了進行淺層加固的樁周土對傾斜樁的影響，并對加固體尺寸、面積和深度等因素變化的影響進行了分析，探討了土體加固改善傾斜樁豎向承載性狀的機理。汪彪等[3]以雙排樁樁土相互作用的計算模型為基礎，把雙排樁樁間土加固體作為實體桿單元，通過水平向的樁土作用彈簧和前后排支護樁連接，提出了計算前后排樁樁間土加固作用對支護結構內力和變形影響的方法。孫輝[4]以大連灣跨海交通工程為工程背景，利用PLAXIS 3D軟件進行數值模擬，通過改變被動區的土體加固參數，研究了被動區加固對基坑變形的影響。

由于我國河航運貨的需求不斷擴大，舊閘重建、新建高等級船閘等工程項目不斷增加，以滿足通航需求[5-6]。某船閘基坑工程采用帶撐雙排地下連續墻的支護方案，而目前此類支護基坑的土體加固研究還不完善。本文以該工程為背景，采用MAIDAS GTS軟件，基于硬化土(HS)土體本構模型，對土體加固下船閘基坑開挖過程進行數值模擬，探討“僅主動區加固”、“僅被動區加固”、“僅墻間土加固”、“主動區+墻間土加固”和“被動區+墻間土加固”5種加固方式下基坑開挖時支護結構和鄰近原有船閘的水平變形特征。

1 工程概況及數值模擬模型

1.1 工程概況

某船閘基坑剖面示意見圖1，船閘基坑與原有一線船閘平行，基坑邊緣距原有船閘底板邊緣約為38 m，閘室段基坑寬為65 m，深為15 m。在靠近原有船閘側支護結構采用雙排地下連續墻，前排地下連續墻厚為1 200 mm，入巖止水，后排地下連續墻厚為1 000 mm，不入巖層，二者凈距為13.8 m，由頂部厚2 m、寬16 m混凝土連板相連。在基坑另一側，采用厚為1 200 mm單排地下連續墻支護，入巖止水。基坑內設置兩道鋼筋混凝土支撐，第一道支撐尺寸為 1.1 m×1 m(高×寬)，第二道支撐尺寸為1.2 m×1.1 m(高×寬)，沿基坑縱向間距為4.25 m。沿支撐方向設置5排立柱，跨度為13.5 m。勘察期間，地下水位埋深為2.4～9.1 m，最大埋深為16.9 m。

圖1 閘室段基坑剖面示意

該工程對雙排地下連續墻間和基坑兩側主動區土體進行了格柵式平面布置的Φ800mm高壓旋噴樁加固，樁底穿透淤泥粉質黏土混粉砂層1.5 m以上，雙排地下連續墻側主動區加固寬度約20 m，單排地下連續墻側主動區加固寬度約26 m，加固深度均約17.5 m，墻間土加固與主動區加固均加固至-12.3 m高程。

1.2 數值模擬模型

為了數值分析結果和現有實測資料對比分析以及計算參數選取合理，本文按工程閘室段典型剖面，據以往經驗[7](基坑長深比為21.7，長寬比為5)，通過MAIDAS GTS有限元軟件建立二維平面有限元模型。假定模型的計算寬度為280 m，深度為90 m。土體和加固體采用硬化土(HS)模型，土層物理力學參數的選取見文獻[8]，船閘結構、地連墻、連板、硂支撐和立柱采用線彈性模型。巖土體和船閘結構采用平面應變單元，地連墻、連板、硂支撐、立柱等采用梁單元，在地連墻、連板和土體之間設置界面單元來模擬支護結構和巖土體的接觸。

建立“未進行土體加固”、“僅主動區加固”、“僅被動區加固”、“僅墻間土加固”、“主動區+墻間土加固”、“被動區+墻間土加固”和“工程實際土體加固”7個工況，加固土參數取值見表1，每個工況均模擬基坑開挖過程，首先施工第一層內支撐(底部高程為3.8 m)，并挖土至第二層內支撐底(高程為-1.34 m)；其次施工第二層內支撐，并挖土至-6 m高程；最后，挖土至基坑底(高程為-10 m)。探究基坑開挖至坑底后，不同加固方式對支護結構和鄰近船閘側向變形的影響。

表1 加固土體取值

2 不同加固方式分析

2.1 主動區加固

1)主動區加固寬度

主動區加固深度取17.5 m，加固寬度依次取0 m(未進行加固)、4 m、8 m、12 m、16 m、20 m。通過計算，主動區不同加固寬度下前、后排墻水平位移變化曲線、每延米彎矩曲線如圖2所示，主動區加固寬度與水平位移減小量(加固后和未加固時墻身側向位移差)關系曲線如圖3所示。

(a)前排地下連續墻

圖3 主動區不同加固寬度下水平位移減少量曲線示意

隨著加固寬度由0 m增加至20 m，雙排地下連續墻支護結構墻頂水平位移不斷減小，由18.5 mm減小至12.4 mm，減少了33%，且減小幅度基本不變；前排地下連續墻最大水平位移所受影響較小，墻身彎矩基本不變，最大位移值由46.3 mm減小至43.6 mm，僅下降了6.2%，減小幅度約為墻頂水平位移減小幅度的1/2，最大位移處維持在坑底附近(墻體深度為17.5 m)；在加固寬度為0～8m時，后排地下連續墻最大負彎矩減小幅度較大，加固寬度為8m后，彎矩基本不變，所以后排地下連續墻早期最大水平位移減少量比墻頂水平位移減少量略微大些，后期基本相同，墻身水平位移弓形特性逐漸向懸臂形特性轉變；鄰近船閘閘室水平位移隨著加固寬度的增加而減小，由11.79 mm減小至9.61 mm，減小量為2.18 mm，在加固寬度為8～16 m之間時，水平位移減小幅度較大。

2)主動區加固深度

主動區加固寬度取20 m，加固深度依次取0 m(未加固)、2.5 m、7.5 m、12.5 m、17.5 m、22.5 m、27.5 m。隨著加固深度由0 m增加至27.5 m，墻頂水平位移由18.5 mm減小至12 mm，減少了35%，受加固深度的影響較大；前排地下連續墻墻身彎矩基本不變，最大位移減小幅度約為墻頂水平位移減小幅度的1/2，受加固深度的影響相對較小；在加固深度為0～7.5m時，后排地下連續墻最大負彎矩增大，但增加值不大，加固寬度為7.5～17.5 m時，后排地下連續墻最大負彎矩減小，加固寬度大于17.5 m之后，彎矩基本不變，所以后排地下連續墻早期最大水平位移減少量比墻頂水平位移減少量小，后面增大，最后基本相同；鄰近原有船閘閘室水平位移隨著加固寬度的增加而減小，由11.79 mm減小至9.21 mm，減小量為2.18 mm，在加固寬度為17.5 m之后，水平位移基本不變。主動區加固深度對控制支護結構和船閘的水平變形影響存在著邊際效應，當加固深度達到17.5 m(約為基坑深度)，支護結構水平位移基本不變。典型計算結果如圖4～5所示。

(a)前排地下連續墻

圖5 主動區不同加固深度鄰近船閘閘室最大水平位移示意

綜上所述，前后排地下連續墻通過連板連接，并與第一道支撐相連，墻頂位移隨著加固深度和寬度的增加而減少，一定程度上說明主動區加固改善了主動區土體物理力學性質，使得支護結構整體所受主動土壓力減少；主動區加固基本不影響前排墻墻身彎矩分布，但影響著與它直接接觸的后排墻墻身最大負彎矩；主動區加固寬度對支護結構和船閘的水平位移影響沒有明顯的邊際效應，但當加固寬度達到一定范圍時，對鄰近船閘水平位移的影響較顯著；而加固深度約為基坑深度時，對控制支護結構和鄰近船閘的水平位移較經濟合理。

2.2 墻間土加固

為探究墻間土加固深度對支護結構和鄰近船閘的影響，對雙排地下連續墻墻間土進行加固，加固深度依次取0(未加固)、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m。

隨著加固深度由0 m增加至30 m，雙排地下連續墻墻頂水平位移變化較大，由18.5 mm減小至5.7 mm，減少了69%；前排地下連續墻最大水平位移由46.3 mm減小至26.2 mm，降低了43%，加固效果顯著，當加固深度在10～20 m時，墻身最大負彎矩減小幅度較大，故最大水平位移減小幅度比墻頂水平位移大，加固深度在20 m之后，墻身的彎矩基本不變；后排地下連續墻最大負彎矩隨著加固深度增加而增加，墻體弓形變形特征越來越明顯，當加固深度為20 m之后時，后排地下連續墻最大負彎矩減小，所以最大水平位移變化小；就船閘的位移而言，最大水平位移由11.79 mm減少到9.44 mm，減少量為2.35 mm，船閘的水平位移與后排墻的水平變形特征有關，當加固深度在5～15 m時，一方面墻頂水平位移變化較大，另一方面后排墻最大負彎矩增加，墻身最大水平位移基本不變，最終使得船閘水平位移在加固深度為5～15 m范圍內影響較大。典型計算結果如圖6～7所示。

(a)前排地下連續墻

圖7 墻間土不同加固深度鄰近船閘閘室最大水平位移示意

綜上所述，對雙排地下連續墻墻間土體進行加固，增強了支護結構的整體剛度，使得支護結構位移減小顯著，同時改變了前后排墻的受力狀態，隨著加固深度的增加，前排墻最大負彎矩值減小，后排墻最大負彎矩先增大后減小，后排墻墻身弓形位移特性逐漸顯著。

2.3 坑底被動區加固

1)被動區加固寬度

為探究被動區加固寬度的影響，被動區加固深度取10 m，加固寬度依次取0 m(未加固)、3 m、6 m、9 m、12 m、15 m。隨著加固寬度由0增加至15 m，雙排地下連續墻墻頂水平位移由18.5 mm減小至9.7 mm，減少了48%；前排地下連續墻最大位移由46.3 mm逐漸減小到28.6 mm，減小了38%，隨著加固寬度增加，前排墻最大負彎矩值逐漸減小，當加固深度達到9 m之后，最大負彎矩基本不變；后排地下連續墻彎矩隨著加固寬度增大基本不變，最大位移與墻頂位移接近，所以最大位移變化特征與墻頂相近；鄰近原有船閘閘室水平位移隨著加固寬度的增加而減小，由11.79 mm減小至10.40 mm，減小量為1.39 mm。典型計算結果如圖8～9所示曲線。

(a)前排地下連續墻

圖9 被動區不同加固寬度鄰近船閘閘室最大水平位移示意

2)被動區加固深度

為探究被動區加固深度的影響，被動區加固寬度取9 m，加固深度依次取0 m(未加固)、2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m。

隨著加固深度由0 m增加至12 m，雙排地下連續墻墻頂位移由18.5 mm減小至11.2 mm，降低39%；前排墻最大負彎矩隨著加固深度增加而減小，當加固深度達到6 m之后，最大負彎矩基本不變；后排墻最大彎矩隨著加固深度增加基本不變；鄰近船閘最大水平位移特征也表現出與后排墻同樣的特征，當加固深度達到10 m后，鄰近船閘水平位移不再減小。被動區加固深度對控制支護結構和船閘的水平變形影響存在著邊際效應，當加固深度達到10 m，支護結構和鄰近船閘水平位移基本不變。典型計算結果如圖10～11所示。

(a)前排地下連續墻

圖11 被動區不同加固深度鄰近船閘閘室最大水平位移示意

綜上所述，對坑底被動區土體進行加固，增加了被動區土體抗力，使得支護結構墻頂位移減小，同時改變了前排墻的受力狀態，隨著加固深度和寬度增加，前排墻最大負彎矩值減小，當加固到一定寬度和深度時，彎矩基本不變；后排墻彎矩基本不變。被動區加固深度對控制支護結構和船閘水平變形存在邊際效應。

3 不同加固方式效果對比分析

主動區加固、被動區加固、墻間土加固3種加固方式，由于加固位置不同，加固效果各有千秋，若單一的加固方式不能滿足位移控制要求，可進行復合加固方案設計，對主動區和墻間土體進行加固或者對被動區和墻間土體進行加固。本文對比了“僅主動區加固”、“僅被動區加固”、“僅墻間土加固”、“主動區+墻間土加固”和“被動區+墻間土加固”五種加固方式的效果，其中墻間土體加固20 m深，后排墻主動區土體加固17.5 m深、20 m 寬，坑底被動區加固10 m深、20 m寬有限元計算結果和實測結果如圖12所示。

(a)前排地下連續墻

結果表明，支護結構側向變形實測結果與“主動區+墻間土加固”數值分析結果基本吻合，對土體進行加固能夠有效改善支護結構和鄰近船閘的水平位移。從雙排地下連續墻墻頂位移改善情況而言，“主動區+墻間土加固”和“被動區+墻間土加固”效果最好，二者加固效果相近但后者效果略優，其次為墻間土加固，最后是“僅主動區加固”和“僅被動區加固”，二者加固效果相近但后者效果略優；從前排墻最大位移的改善情況而言，“僅主動區加固”對前排墻最大位移影響小，而“僅被動區加固”和“僅墻間土加固”效果較好，因此復合方案“被動區+墻間土加固”加固效果優于“主動區+墻間土加固”；從后排墻最大位移改善情況而言，“墻間土加固”對后排墻的影響較大，后排墻墻身呈現出較為明顯的“弓形”特征，最大位移與未加固相比，基本未發生變化，而“僅主動區加固”和“僅被動區加固”效果相近且較好，前者加固效果略好些，墻身水平變形特征與未加固相近，所以復合方案“主動區+墻間土加固”和“被動區+墻間土加固”加固效果與“僅主動區加固”和“僅被動區加固”接近；從鄰近原有船閘水平位移出發，在“不進行加固”、“僅主動區加固”、“僅被動區加固”、“僅墻間土加固”、“主動區+墻間土加固”和“被動區+墻間土加固”下，船閘最大水平位移分別為11.79 mm、9.61 mm、10.71 mm、9.82 mm、6.11 mm、8.94 mm，結果表明僅在主動區或墻間土加固及“主動區+墻間土加固”的加固效果較好。

4 結語

基于HS土體本構，采用有限元方法，探討了“僅主動區加固”、“僅被動區加固”、“僅墻間土加固”、“主動區+墻間土加固”和“被動區+墻間土加固”5種加固方式對帶撐雙排地下連續墻支護基坑和鄰近原有船閘的影響，得出如下結論：

1)主動區土體加固對前排墻的水平位移沒有明顯影響，主要為改善后排墻受力、減少其水平位移的作用，同時也能減少鄰近船閘的水平位移，主動區的加固深度對后排墻和鄰近船閘的水平位移的改善效果具有明顯的邊際效應。

2)墻間土的加固能大幅度降低墻頂水平位移，有效地改善前排墻的受力特性，控制前排墻最大水平位移效果顯著。

3)被動區土體加固能有效地減少前排墻和后排墻的水平位移，但相對于墻間土加固和主動區加固，對鄰近原有船閘的水平位移減小程度較小。

4)被動區加固深度的加固效果對前排墻的最大水平位移及鄰近船閘的水平位移存在明顯的邊際效應。

5)“被動區+墻間土加固”方案比“主動區+墻間土加固”方案更好地降低帶撐雙排地下連續墻結構的最大水平位移，但其對鄰近船閘水平位移的控制效果稍遜，在類似工程中應視實際情況進行取舍。