粉砂地層節(jié)制閘基坑注漿加固效果數(shù)值模擬研究

賈文惠

(山東省菏澤市河湖流域工程管理服務(wù)中心，山東 菏澤 274000)

1概 述

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)快速，地下空間的發(fā)展與利用已成為重要的研究?jī)?nèi)容。基坑工程是大型工業(yè)及民用建筑等的重要組成部分。但基坑在開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)面臨許多問(wèn)題，如基坑處于富水地帶，巖土體的物理力學(xué)強(qiáng)度較低，開(kāi)挖基坑可能導(dǎo)致基坑大變形及失穩(wěn)，造成重大的工程事故。因此，實(shí)際工程中，通常對(duì)基坑底部進(jìn)行加固處理，一方面可以提高巖土體的力學(xué)強(qiáng)度，另一方面可以防止地下水滲流。

李志鵬等[1]采用數(shù)值模擬手段，研究了某車站基坑斷層帶注漿加固效果。結(jié)果表明，注漿加固技術(shù)可以有效地對(duì)基坑進(jìn)行加固處理，相比注漿加固前，其最大水平位移和地表累計(jì)沉降量減小50%以上，滿足工程要求。注漿后，基坑底部區(qū)域內(nèi)以及基坑外塑性區(qū)范圍明顯減小。潘世強(qiáng)、鄧俊[2]基于某實(shí)際深基坑工程，研究了富水砂卵石層深基坑近接建筑物安全施工控制技術(shù)。結(jié)果表明，采用注漿加固技術(shù)能有效地減小基坑施工對(duì)建筑物的影響，基坑開(kāi)挖結(jié)束時(shí)，建筑物最大沉降值僅為8mm，滿足規(guī)范的安全性要求。李享松等[3]基于現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)和室內(nèi)有限元數(shù)值模擬，研究了富水砂卵石地層注漿參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。結(jié)果表明，富水地層采用水灰比最優(yōu)取值應(yīng)為0.8～1.0，水玻璃濃度應(yīng)控制在40波美度左右。此外，注漿孔間距宜控制在1.8 m左右。夏夢(mèng)然等[4]基于有限元模擬，研究了深基坑基底注漿加固效果。結(jié)果表明，軟土地基采用注漿加固技術(shù)可滿足工程需要。加固后，可有效減小地連墻的側(cè)向變形和地表沉降。胡奇凡等[5]采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究了超高壓旋噴注漿法在卵石地層的應(yīng)用。結(jié)果表明，超高壓旋噴注漿技術(shù)在超深富水卵礫石地層中合理有效的，并且可以作為超深富水卵礫石地層加固加以推廣。曹雷[6]基于數(shù)值模擬，研究了基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近既有隧道結(jié)構(gòu)影響及注漿加固措施。結(jié)果表明，注漿加固效果顯著，加固后的最大正負(fù)彎矩分別減小28.7%和30.2%，且隧道結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力減小32.0%，有效保證了隧道不會(huì)產(chǎn)生裂縫。李兵等[7]基于MIDAS數(shù)值模擬，研究了注漿對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。結(jié)果表明，注漿加固對(duì)深基坑中的鋼支撐所受到的軸力有一定改善作用，但在土層加固區(qū)與土層非加固區(qū)交接處的位移與受力變化較大，實(shí)際工程中要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。頡劍輝、曾兵兵[8]研究了注漿加固在某基坑軟弱地基中的應(yīng)用，提出注漿加固的使用范圍，論證了注漿加固的實(shí)際效果，研究可為相似工程提供參考。

本文以某水利工程閘門深基坑工程為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬，研究注漿加固的效果。研究成果可為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)與借鑒。

2 工程概況

某節(jié)制閘位于老沙河上,限制排水面積為1 424.2km2。該閘于1979年建成，因建設(shè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，需要重新拆除加固。閘門基坑屬于典型的富水基坑，地下水位較淺，土體滲透性較大，基坑開(kāi)挖過(guò)程中多次發(fā)生涌水問(wèn)題。

本文以基坑某段為研究對(duì)象，見(jiàn)圖1。基坑開(kāi)挖深度為18m，地連墻厚度為0.8m，基坑內(nèi)共有3道支撐。為了控制基坑變形，采用注漿加固技術(shù)進(jìn)行加固。選用高壓旋噴注漿聯(lián)合雙液注漿技術(shù)，加固范圍主要為坑底2～7m范圍。

圖1 基坑剖面圖

3 數(shù)值模擬

3.1 模型及計(jì)算參數(shù)

為研究注漿加固效果及基坑變形特征，本文采用FLAC建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算分析，模型的具體尺寸見(jiàn)圖2。模型的邊界條件為：底部為全約束，側(cè)面為約束側(cè)向位移，頂部為自由邊界。地下水在地表以下3m位置。

圖2 數(shù)值模型圖

參考既有研究，本文進(jìn)行一些簡(jiǎn)化，其中巖土體的本構(gòu)模型為理想的摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)。地連墻簡(jiǎn)化為各向同性的線彈性體材料。考慮施工因素，對(duì)混凝土彈性模量進(jìn)行折減，取值為25GPa，

地下連續(xù)墻則視為線彈性體，原設(shè)計(jì)地下連續(xù)墻和混凝土內(nèi)支撐均采用C30號(hào)混凝土，考慮施工因素對(duì)混凝土的影響，對(duì)其彈性模量進(jìn)行折減，彈性模量為24GPa，泊松比為0.2，容重為25kN/m3。

數(shù)值模擬中，巖土體的物理力學(xué)參數(shù)主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔資料取樣的室內(nèi)土工試驗(yàn)獲取得到。具體巖土體力學(xué)指標(biāo)以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

3.2 計(jì)算工況

本文計(jì)算工況與實(shí)際情況相同。在基坑開(kāi)挖前，清零初始位移場(chǎng)和速度場(chǎng)。基坑開(kāi)挖共設(shè)置7個(gè)步驟：第一步，賦予材料參數(shù)及給定邊界條件；第二步，施加地連墻工程；第三步，坑底注漿加固；第四步，開(kāi)挖基坑至-1m，施加第一道支撐；第五步，降低地下水，開(kāi)挖至-8m，施加第二道支撐；第六步，基坑開(kāi)挖至-14m，施加第三道支撐；第七步，基坑開(kāi)挖至-18m。

4 結(jié)果與分析

4.1 地連墻位移特征

圖3為基坑開(kāi)挖過(guò)程中，不同階段地連墻典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線。結(jié)果表明，隨著基坑開(kāi)挖深度的增大，地連墻水平位移增大，基坑開(kāi)挖結(jié)束時(shí)，水平位移最大值模擬結(jié)果為22mm，實(shí)測(cè)結(jié)果為20.6mm。此外，施工過(guò)程中，地連墻位移主要集中在深度為10m的位置處，因此實(shí)際工程中應(yīng)對(duì)該段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和保護(hù)。模擬值和實(shí)測(cè)值結(jié)果表明，地連墻的變形呈現(xiàn)出兩頭小中間大的分布規(guī)律。這也表明，地連墻在嵌固范圍內(nèi)發(fā)揮了良好的加固作用。

圖3 地連墻位移曲線

4.2 坑外地表位移

圖4為基坑開(kāi)挖過(guò)程中，不同施工階段，坑外地表沉降變形的實(shí)測(cè)值和模擬值。結(jié)果表明，實(shí)測(cè)值和模擬值變化規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)出先增大后減小的拋物線規(guī)律。當(dāng)基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)，沉降變形最大值為15mm，沉降位置出現(xiàn)在距坑壁8m位置處。當(dāng)沉降達(dá)到最大值時(shí)，隨著距地連墻距離的增大，沉降值迅速減小。基坑開(kāi)挖對(duì)坑外影響范圍主要集中于1倍開(kāi)挖深度范圍。

圖4 坑外地表變形曲線

綜上所述，通過(guò)地連墻側(cè)向位移和坑外沉降變形的模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)完全一致，兩者的相對(duì)誤差均在15%之內(nèi)，表明本文數(shù)值模擬的可靠性。

5 注漿加固效果對(duì)比

5.1 坑外地表位移

圖5為注漿加固前后坑外地表沉降變形曲線。結(jié)果表明，隨距離的增大，地表沉降表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)。加固后，地表沉降明顯小于加固前地表沉降值，且均表現(xiàn)出凹槽狀。3種不同的加固工況，沉降最大值均發(fā)生在距坑壁10m以內(nèi)范圍。圖5表明，未注漿加固對(duì)地表沉降的影響范圍比注漿加固后的范圍更大。這主要是由于未注漿加固導(dǎo)致坑外地下水向坑內(nèi)滲水，導(dǎo)致基坑底部有效應(yīng)力減小；注漿加固后，土體的模量增大，強(qiáng)度明顯增大。

圖5 不同加固手段下坑外地表變形曲線

5.2 地連墻水平位移對(duì)比

圖6為注漿加固前后地連墻水平位移變化曲線。結(jié)果表明，地連墻的水平位移均呈拋物線形式，最大位移出現(xiàn)在12m位置，且注漿加固會(huì)大大減小地連墻的水平位移。加固土體彈性模量分別為50、100和200MPa工況下，地連墻最大水平位移為27、24和22mm，最大水平位移減小55%～65%。此外，在基坑深度為10～25m時(shí)，加固前后地連墻水平位移相差比較大。這主要是由于該處基坑開(kāi)挖深度較深，墻兩側(cè)的壓力差較大，而加固后土體的強(qiáng)度增大，能夠較好抑制坑底隆起變形。而未加固的基坑土體強(qiáng)度較差，不能較好約束地連墻變形，導(dǎo)致發(fā)生“踢腳破壞”。因此，實(shí)際工程中應(yīng)對(duì)坑底進(jìn)行注漿加固處理。

圖6 不同加固手段下地連墻水平位移曲線

6 結(jié) 論

1)基坑開(kāi)挖過(guò)程中，坑內(nèi)地下水位線迅速降低，而坑外保持不變，表明施工過(guò)程中所采用的地連墻止水效果良好，可以阻止坑外地下水向坑內(nèi)滲流。

2)基坑開(kāi)挖過(guò)程中，坑外地表最大沉降點(diǎn)在距坑壁10m左右范圍內(nèi)，開(kāi)挖的影響范圍為1倍開(kāi)挖深度。此外，采用注漿加固可以顯著減小坑外地表沉降變形。

3)地連墻的水平位移表現(xiàn)出中間大、兩端小的拋物線形態(tài)，且地連墻位移隨開(kāi)挖深度增大而增大，最大位移出現(xiàn)在12m位置。注漿加固后，地連墻的水平位移大大減小。當(dāng)加固土體彈性模量分別為50、100 和200MPa工況下，地連墻最大水平位移為27、24和22mm，最大水平位移減小60%左右。