富水圓礫地層局部止水帷幕作用下基坑開挖變形數值分析

楊汝賢， 靳高明， 張榮海， 羅成

(1.甘肅建投建設有限公司， 蘭州 730050； 2.蘭州理工大學甘肅省土木工程防災減災重點實驗室， 蘭州 730050；3.蘭州理工大學西部土木工程防災減災教育部工程研究中心， 蘭州 730050)

隨著中國城市化過程不斷推動，大量城市建筑修建過程中涌現出了不少基坑工程問題[1-2]。在基坑開挖深度范圍內，若遇到含水層則需對地下水進行處理，從而確保在施工“干作業”的基礎上提升基坑邊坡的整體穩定性。地下水的常用處理方式一般有兩種：降水和止水。基坑降水幅度過大容易造成周邊地表沉降，引發附近既有高層建筑發生不均勻沉降[3]。此外，中國很多城市正面臨著淡水資源污染和短缺的嚴峻局面，在一些城市已經開始通過征收水資源稅來加強水資源管理和保護，促進水資源節約與合理開發利用[4]。因此，未來限制基坑預降水施工，采用各種止水為主的地下水控制方法將成為行業主流。

目前中外對于基坑工程的研究已經相對成熟，對排樁-旋噴樁支護及抗滲的方案進行了一系列的研究。朱明誠等[5]通過室內試驗，分析了礫石層特性對樁直徑的影響。結果表明高壓旋噴技術可以能夠在礫石層中起到加固和止水的作用。劉震國[6]研究了高壓旋噴止水帷幕在不同基坑工程中的應用，闡述了高壓旋噴止水帷幕施工的主要注意事項。陳云彬等[7]研究了臨海基坑三管噴射注漿樁與單軸水泥攪拌樁的組合止水帷幕，驗證了此組合式止水帷幕能夠避免了基坑的滲流滲漏破壞。付瑞勇等[8]考慮了地層和周圍環境條件，基坑采用樁錨支護方案，采用高壓旋噴樁與管井降水方案進行地下水控制。監測結果表明，這種組合方式在能保證周邊建筑安全且經濟合理。詹濤等[9]利用有限元軟件還原基坑開挖過程，分析了基坑開挖對相鄰運營鐵路變形的影響以及利用鉆孔灌注樁+旋噴樁組合支護方式加固的安全性。結果表明鉆孔灌注樁+旋噴樁的組合支護方式能有效減少基坑開挖對鐵路變形的影響。李又云等[10]利用有限元軟件ABAQUS，研究了在地下水豐富且含較深的透水層的地層中采用懸掛式止水帷幕進行基坑支護對基坑變形的影響規律。羅正東等[11]采用ABAQUS軟件進行數值模擬，通過改變止水帷幕的滲透系數及嵌入深度等因素，研究止水帷幕在不同工況下的水平位移及地表沉降的規律。邱明明等[12]利用PLAXIS-2D研究了在富水砂卵石地層下地下連續墻不同工況下的變形特征，結果表明止水帷幕對基坑變形影響顯著，地下水位上升和砂層厚度增加會加劇基坑變形，合理控制止水帷幕深度和間距更有利于控制基坑變形。

綜上所述，對于富水圓礫地層采用局部排樁-旋噴樁聯合止水帷幕對基坑施工變形性狀及影響因素少有報道，因此對于此類局部排樁-旋噴樁聯合止水帷幕的研究還需進一步研究。以甘肅省煤田地質局綜合普查隊西部地球物理大廈基坑工程為例，采用Midas GTS有限元計算軟件對該基坑施工進行全階段數值還原，基于此探究了在圓礫地層中基坑開挖過程中地下水滲流路徑的分布規律、分析與傳統止水帷幕相比局部止水帷幕對間接限制基坑周邊地表豎向變形及支護樁水平位移所發揮的作用，能夠為類似地層條件的深基坑工程的支護與止水的設計提供有價值的參考依據。

1 工程概況

1.1 基坑概況

甘肅省煤田地質局綜合普查隊西部地球物理大廈為地上20層，地下室為2層，基礎形式為鋼筋混凝土平板式筏形基礎，持力層為強風化泥巖層。基坑北側邊線距離道路紅線約1.9 m，圍墻外有6.8 m寬的人行道，人行道外為主干道路；西側邊線距離華府豪庭公館24層高層建筑約8.7 m，豪庭公館為樁筏基礎，有地下室深度6 m；東側邊線距離華辰大酒店8.2 m，華辰酒店為樁筏基礎，有一層地下停車場，深度6 m；南側邊線距離6層工行家屬樓12.7 m，如圖1所示。本文中選取1-1截面開展研究。

圖1 基坑位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of foundation pit location

1.1.1 工程地質及水文地質條件

根據勘察報告，在勘察深度范圍內，場地地層自上而下順序如下。

雜填土層：分布整個場地主要以粉質黏土為主，含磚、石瓦塊、碳渣等及舊建筑物基礎等而成，屬于近期人工填土。層底標高一般為1 146.02～1 147.24 m，厚度5.00～6.00 m。

粉質黏土：黃褐-黑褐色，可塑狀，稍有光澤，韌性中等，干強度中等，不均勻，偶含碳渣，局部粉粒含量較高。 該層厚2.50～5.90 m，層底埋深8.50～11.40 m。

粉土層：暗黃色，很濕，中密，切面平整，無光澤，韌性差，干強度低，局部含粉、細砂。層厚1.60～3.60 m，層底埋深11.00～13.00 m。

圓礫層：雜色，中密，分選差，級配較好，顆粒成分以石英巖和變質巖碎屑為主，骨架顆粒間砂土充填密實，層厚 1.50～3.50 m，層底埋深14.10～14.60 m。

泥巖層：為第三系陸源碎屑沉積物，紅褐色，裂隙發育。

地下水主要存在粉土層的下部和圓礫層中屬潛水類型，粉土層的滲透系數為k=0.5 m/d，圓礫層的滲透系數k=60 m/d；普通單井出水量小于10 m3/h。地下水由東南方向排泄于籍河。水位埋深介于自然地坪以下9.6 m，隨季節升降幅度在1.5 m左右。

1.1.2 止水帷幕設計方案

工程基坑四周無放坡空間，周邊均設置排樁，支護樁樁徑0.9 m。為保證樁體的整體性樁頂設置冠梁，冠梁頂標高為自然地面以下1 m。截面支護結構的設計圖如圖2所示。

圖2 支護結構設計圖Fig.2 Design drawing of supporting structure

(1)支護樁樁身砼等級C30，鋼筋保護層厚度70 mm；樁身主筋采用通長、均勻配筋，鋼筋籠主筋型號為HRB400鋼筋，箍筋為HPB300螺旋箍；樁身每隔2.0 m設置一道內箍加強筋，鋼筋型號為HRB400，樁頂起吊位置應加強。

(2)樁頂設置冠梁，截面尺寸900 mm×500 mm，砼等級C30。鋼筋保護層70 mm，冠梁主筋均采用HRB400。箍筋型號為HPB300，排樁主筋插入冠梁430 mm。

(3)在自然地面以下3.5、6.0 、8.5 m處各設置一層預應力錨索，一樁三錨，錨索長L分別為21、18、16 m，固定段分別為15、12、10 m，自由端6.0 m；傾斜角度10°。錨索采用4Ф15.2 mm鋼絞線，錨索端頭設置導向帽，錨固段設置隔離支架和束線環，間距2.0 m，在自由段設置對中支架，間隔2 m。

2 數值計算

2.1 模型建立

采用Midas GTS建模時，采用平面應變假設，考慮到開挖深度的影響范圍模型的尺寸為65 m×65 m，同時利用數值模擬的對稱性取一半進行分析，模型共劃分16 379個單元，16 609個節點(圖3)，模型底部設置為固定約束，側面為滑動約束(即只限制水平位移不限制豎向位移)，上表面為自由邊界；排樁-旋噴樁的支護采用文獻[2, 4]中的方法等效為墻體。不含旋噴樁部分等效彈性模量計算公式為

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

EA總=E土A土+E排樁A排樁

(1)

含旋噴樁部分的等效彈性模量計算公式為

EA總=E土A土+E排樁A排樁+E旋噴樁A旋噴樁

(2)

排樁與土的等效墻體的滲透系數折合采用公式

K=(K1A1+K2A2+…+KnAn)/A總

(3)

式中：E為彈性模量；A為面積，式(1)、式(2)中的面積A參考圖4計算；K為滲透系數，排樁-旋噴樁等效墻體的結構滲透系數視為為0。

圖4 高壓旋噴樁及排樁支護體系結構圖Fig.4 Structural diagram of high pressure jet grouting pile and row pile supporting system

2.2 模型參數

由于基坑開挖涉及土體荷載和變形問題，土體本構選取十分重要。傳統Mohr-Coulomb模型僅是對巖土應力-應變行為的一種“一階”近似[5]，往往被推薦用于線彈塑性土工問題的初步分析和極限狀態判別。本文中土體本構采用Modified Mohr-Coulomb模型，該模型可以描述模量隨應力的發展變化情況，反映土體加卸載過程中的非線性力學特征。同時，也考慮了土體的壓縮硬化和剪切硬化，模型中引入了屈服帽，并通過輸入卸載/重加載剛度Eur考慮了基坑開挖過程中的卸荷影響。忽略冠梁頂部掛網噴護的荷載，放坡則通過施加12.5 kPa的等效荷載代替；采用軟件中內置的“錨建模助手”分別設置了錨索的起始位置、角度、灌漿長度及預應力；最后，采用生死單元的方法模擬土層的開挖過程，模型中各材料主要力學參數見表1。

表1 各材料主要物理力學參數Table 1 Main physical and mechanical parameters of each material

2.3 基坑降水開挖過程模擬方法

考慮降水滲流作用對基坑支護結構及周邊環境的變形影響，采用分層降水和分步開挖的方法模擬基坑開挖過程，具體施工步驟如下。

(1)地應力平衡(不含排樁、旋噴樁、錨索等)，并位移清零。

(2)激活排樁及旋噴樁，并位移清零。

(3)開挖至-4 m,并激活第一道錨索，并在自由端施加180 kN預應力。

(4)開挖至-6.5 m，并激活第二道錨索，并在自由端施加180 kN預應力。

(5)降水至-9.2 m，開挖至-9.0 m 并激活第三道錨索，并在自由端施加180 kN預應力。

(6)降水至-14 m，開挖至-13.7 m。

圖5為降水穩定后基坑開挖至坑底地下水滲流路徑及水頭等值線圖。在未考慮旋噴樁的工況中，坑外水頭差相差較大，導致滲流速度遠大于考慮旋噴樁的工況，且地下水直接通過圓礫層滲入坑內；在考慮旋噴樁的工況中，坑外水頭差變化緩慢地下水滲流速度得到控制，地下水從排樁-旋噴樁止水帷幕底端繞流然后進入到基坑內部，延長了地下水滲流的路程降低了滲流速度；此可知若不采取隔水措施會導致地下水由透水層直接滲入基坑，導致施工困難和增加施工風險。排樁-旋噴樁聯合止水帷幕改變了地下水滲流路徑，顯著影響了基坑滲流場分布降低滲流速度達到了隔水的效果，能保證施工質量和安全。

圖5 考慮與不考慮旋噴樁作用下基坑滲流路徑及水頭變化對比Fig.5 The comparison of seepage path and water head of foundation pit under the action of jet grouting pile is considered or not

3 結果分析

3.1 有無局部止水帷幕基坑邊形

圖6為基坑開挖誘發的樁身水平位移曲線對比。由圖6(a)可知隨著基坑開挖深度的加大，基坑中的土方開挖卸荷和降水滲流加劇導致樁身向基坑內略微側移；樁身在各施工階段最大水平位移分別為3.39、2.69、3.91、4.01、5.15、5.20、9.12 mm，由于基坑周邊存在較大車輛荷載及行人荷載導致各施工階段樁端發生的水平位移較大；隨著開挖到基坑底部樁身的最大位移處轉移到靠基坑底部位約-10 m處；三道錨索均有效的控制了樁身的側移，尤其在開挖至-4 m處激活的第一道錨索使樁身出現了明顯的反彎點；由圖6(b)可知無旋噴樁工況，有旋噴樁工況和現場實測工況樁身位移變化曲線趨勢基本吻合，3種工況樁身最大水平位移分別為11.3、9.12、8.87 mm，以現場實測作為參考，無旋噴樁的工況為現場實測值的127.40%，有旋噴樁的工況為現場實測值的102.82%，且有旋噴樁工況樁身最大水平位移較無噴樁工況減小了19.29%；可見旋噴樁的設置減小了樁身水平位移，反映了旋噴樁有一定擋土作用計算結果與現場實測數據更加吻合。

圖6 基坑開挖誘發的樁身水平位移曲線對比Fig.6 Comparison of horizontal displacement curves of piles induced by foundation pit excavation

圖7為基坑開挖誘發的樁后地表沉降曲線對比，由圖7(a)可知，隨著基坑開挖的深度的增加，地表沉降沿著水平方向和深度方向逐漸擴散、增大；前期基坑開挖深度較小，受行人荷載和車輛荷載影響較為明顯在開挖至-6.5 m時曲線呈現W形凹槽，在行人荷載區域凹槽部分比車輛荷載曲線凹槽更淺，隨著基坑開挖深度增加滲流作用加劇，沉降受車輛荷載更明顯W形凹槽逐漸變為V形凹槽，最大地表豎向位移出現在車輛荷載區域中部；無旋噴樁工況，有旋噴樁工況和現場實測工況的樁后地表沉降曲線變化趨勢基本吻合，3種工況地表最大沉降分別為6.83、5.26、5.51 mm，以現場實測作為參考，無旋噴樁工況為現場實測值的123.96%，有旋噴樁工況為現場實測值的95.46%，且有旋噴樁工況地表最大豎向位移較無考慮旋噴樁工況減小了22.99%，如圖7(b)所示。可見旋噴樁的設置能夠通過隔水減小地表沉降；根據樁后地表沉降曲線的分布情況，應充分重視樁后行人及車輛荷載影響區域的沉降對周邊已經有公路結構的影響確保行車安全。

圖7 基坑開挖誘發的樁后地表豎向位移曲線對比Fig.7 Comparison of vertical displacement curves of ground surface behind piles induced by foundation pit excavation

3.2 后置止水帷幕基坑變形

傳統止水帷幕一般設置方法是將旋噴樁后置根據查閱相關規范設置距離，形成單一止水帷幕。為了分析與傳統止水帷幕相比局部止水帷幕對間接限制基坑周邊地表豎向變形及支護樁水平位移所發揮的作用。模擬了3種旋噴樁不同設置方式分別為局部旋噴樁后置單一止水帷幕(工況1)，旋噴樁后置單一止水帷幕(工況2)，排樁-旋噴樁聯合止水帷幕(工況3)與局部排樁-旋噴樁聯合止水帷幕(原工況)，如圖8所示。圖9為旋噴樁不同設置方式對基坑施工變形的影響。由圖9(a)可知工況1、2、3的樁身最大水平位移分別為11.00、9.14、8.15 mm，與原工況作對比，工況1增大20.6%，工況2增大了0.2%，工況3減小了10.85%；由圖9(b)可知，工況1、2、3樁后地表最大豎向位移分別為5.93、3.46、4.59 mm，與原工況作對比，工況1增大12.7%，工況2減小了40.3%，工況3減小12.54%；可見將局部旋噴后置單一止水帷幕無論是從控制樁身水平位移和樁后地表沉降的效果都是較差的。旋噴樁后置單一止水帷幕對控制樁后沉降的效果最好，對樁身水平位移的控制效果不明顯。排樁-旋噴樁聯合止水帷幕對控制樁身水平位移效果最好，同時也能較好地控制樁后沉降。

圖8 旋噴樁不同設置方式Fig.8 Different setting modes of jet grouting piles

圖9 旋噴樁不同設置方式對基坑施工變形的影響Fig.9 The influence of different setting ways of jet grouting pile on the deformation of foundation pit construction

3.3 局部止水帷幕入巖深度對基坑變形的影響

隨著基坑開挖的深度的增加，地層的初始地應力平衡被破壞導致應力重分布，同時樁后土壓力對旋噴樁側向擠壓會導致排樁-旋噴樁聯合止水帷幕發生側向位移，為保證止水帷幕結構水平位移在安全范圍內，對原施工嵌入深度(0.5 m)設置進行優化，模擬了嵌入隔水層深度1、2、4 m 3種工況。當增加旋噴樁嵌入深度時，3種不同的工況的滲流路徑均被延長，能夠更有效地起到止水作用。在旋噴樁嵌入深度達到4 m時，滲流路徑明顯更長，樁后總水頭差變化更緩滲流速度大大降低，如圖10所示。可知隨著旋噴樁的嵌入深度的增加排樁-旋噴樁聯合止水帷幕的止水效果更好。如圖11隨著旋噴樁嵌入深度的增加，地表沉降與樁身位移均減小；旋噴樁嵌入深度在0.5～2 m時，樁身水平位移及樁后沉降減小明顯；當嵌入深度為2～4 m時，樁后地表沉降及樁身水平位移基本無變化，樁身最大水平位移減小至8.56 mm，樁后地表最大沉降減小至大約4.81 mm，相比原設置深度分別減小了6.14%和8.56%。

圖10 入巖深度加深后滲流路徑(嵌入深度為4 m)Fig.10 Percolation flow path after deepening rock penetration depth (embedding depth is 4 m)

圖11 旋噴樁嵌入深度變化對基坑施工變形的影響Fig.11 Influence of embedding depth of rotary jet grouting pile on foundation pit construction deformation

4 結論

(1)局部排樁-旋噴樁聯合止水帷的隔水作用改變了基坑滲流場，延長了地下水的滲流路徑降低了滲流速度，有效控制了因為降水發生的地表沉降，同時具有一定的擋土作用，達到了隔水的效果同時控制了樁身側移及地表沉降。

(2)傳統止水帷幕旋噴樁后置形成的單一止水帷幕，若只在含水層設置局部旋噴樁單一止水帷幕對樁身水平位移和樁后地表沉降控制效果均不大，而直接從地表打入隔水層形成的旋噴樁單一止水帷幕對樁身的水平位移控制較好，大幅度降低樁后沉降；局部排樁-旋噴樁聯合止水帷幕和排樁-旋噴樁聯合止水帷幕對控制樁身水平位移及樁后地表沉降均較好。

(3)當將旋噴樁的嵌入深度加大時，排樁-旋噴樁形聯合止水帷幕的隔水效果更好；旋噴樁嵌入深度存在最優值，取最優值時能夠在減小樁身水平位移和樁后沉降同時降低施工難度節約工程費用。

(4)建議在建筑群較多的地方采用排樁-旋噴樁聯合止水帷幕保證對原有建筑的影響降到最低，在保證地表沉降和樁身位移在安全范圍內采用局部排樁-旋噴樁聯合止水帷幕。在建筑群少的地勢開闊處綜合考慮選用適合相應基坑工程的最優止水帷幕設置方式。