軟土地區深基坑被動區加固穩定性對比分析*

黃金鑫, 張永杰, 羅偉庭

(1.長沙理工大學 土木工程學院, 湖南 長沙 410114;2.中國建筑第五工程局有限公司, 湖南 長沙 410004)

在軟土地區進行基坑開挖時,基坑設計逐漸從強度控制轉變為變形控制,控制基坑開挖中支護結構的變形和減小基坑開挖對周圍環境的影響是基坑設計及施工的首要問題。而對被動區土體進行加固是保證基坑整體穩定性的重要措施[1]。目前對被動區加固技術的研究大多針對單一支護形式,如水泥土攪拌樁支護[2]、灌注樁支護[3]、地下連續墻支護[4]和土釘墻支護[5]。研究發現水泥土攪拌樁對被動區的加固深度和厚度都存在最優解,其加固深度宜為0.55H(H為開挖深度)[6],且不宜小于3 m[7],加固寬度宜為0.5H～0.8H[8]。基坑支護結構和被動區加固相結合的形式因其控制變形能力比單一基坑支護結構強,常應用于軟土地區深基坑工程,包括深層攪拌組合坑內加固[9]、灌注樁組合坑內加固[10]、鋼板樁組合坑內加固[11]。本文運用PLAXIS 3D軟件對基坑采用鋼板樁支護、被動區采用水泥土攪拌樁和鉆孔灌注樁加固的支護形式建立硬化土小應變本構模型,對被動區無加固、水泥土攪拌樁加固和鉆孔灌注樁加固時樁頂水平位移、樁身整體側向位移、地表沉降、土體深層水平位移進行對比,分析水泥土攪拌樁和鉆孔灌注樁加固被動區對基坑整體變形的影響。

1 工程概況

廣東省佛山市地鐵2號線林岳車輛段某基坑工程,基坑總長約495 m,放坡開挖段寬度約 35 m,管廊段寬度約4 m,平均開挖深度為10 m。基坑周邊基本為農田,暫未發現建(構)筑物和管線。該工程分為兩個施工段,第一施工段樁號為K0+026.8—085和K0+340—521.5,采用鋼板樁+鋼支撐的支護形式;第二施工段樁號為K0+085—340,主要以放坡開挖為主,放坡時按照1∶1.5的比例開挖,在放坡坡面上鋪設鋼筋網,并插入長度為1 m的插筋固定鋼筋網,噴射100 mm厚混凝土面層,局部采用放坡開挖+鋼板樁支護+被動區加固的支護形式。坑內被動區土體局部采用三軸水泥土攪拌樁進行滿堂加固(見圖1)。

圖1 水泥土攪拌樁加固斷面圖(單位:m)

三軸水泥土攪拌樁樁徑為850 mm,樁間相互搭接250 mm,加固深度為3 m,采用“套接一孔法”施工。樁身采用42.5級硅酸鹽水泥,水泥摻入比不小于20%,水泥土攪拌樁28 d取芯無側限抗壓強度不低于0.6 MPa。基坑安全等級為二級,采用明挖法施工。鋼板樁采用Ⅳ型拉森鋼板樁,材質為Q235B,鋼板樁長度為9 m。

2 數值模型建立與計算對比分析

2.1 數值模型

巖土工程的地基實質上是一個半無限空間體,分析區域應無限大。根據規范[12]和工程經驗,基坑開挖水平影響范圍為0.7H～3.0H[11];基坑開挖深度影響范圍為2.0H～4.0H[13];基坑內地下水位一般取坑底以下0.5～1.0 m[7];基坑外地下水位高程為-1 m。為消除基坑深度的影響,數值模型尺寸取46 m×10 m×20 m。鋼板樁與土體之間的接觸面采用界面單元模擬。

水泥土攪拌樁采用PLAIXS 3D模擬時,既不適合使用梁單元和Embedded樁模擬,也不適合使用板單元模擬。為此,將水泥土攪拌樁看成強化的土體,并按文獻[14]進行換算。考慮到施工條件及被動區土體加固置換率等因素,內摩擦角取20°,黏聚力取60 kPa,重度取18 kN/m3。該基坑對稱,取一半作為分析對象,從上至下各土層的黏聚力、摩擦角、剪脹角、密度割線彈性模量、切線壓縮模量、卸載-再加載模量等參數參考文獻[15]、文獻[16]取值(見表1)。數值模型見圖2。

表1 各土層的物理力學參數

圖2 數值模擬網格圖

2.2 施工工序

根據開挖深度(標高)將基坑施工過程劃分為8個施工步,分別為原狀土階段、+0.500 m、鋼板樁(+0.500 m)、-1.000 m、-2.392 m、-4.392 m、-6.392 m、-7.480 m,模擬分析被動區加固類型和厚度及土體參數變化對基坑變形的影響。

2.3 邊界條件

數值模型采用直角坐標系,Z軸為鉛直方向,東西方向為X方向,南北方向為Y方向,以向東為正、向北為正、鉛直方向向上為正,坐標系原點為模型標高為零的位置。

左右兩個側面采用法向方向約束邊界,基坑底部采用固定約束邊界,上表面為自由邊界。

2.4 實測值與模擬值對比分析

考慮到基坑周邊變形監測點較多、各鋼板樁之間存在一定差異,選取最危險斷面懸臂長度為2.892 m作為數值模擬分析依據,提取基坑的數值模擬值,選取圖1中A點處坡頂地表沉降和土體深層水平位移、B點處鋼板樁樁頂水平位移與模擬值進行對比分析。

鋼板樁樁頂水平位移和地表沉降實測值與模擬值的比較見圖3、圖4。由圖3、圖4可知:1) 樁頂水平位移和地表沉降都隨著開挖深度的增加而增大,實測值和模擬值的整體變化趨勢相同,與文獻[7]得出的變形規律一致。在基坑未開挖前,開挖深度影響范圍內的土體沒有受到擾動,整個土層系統維持相對平衡狀態。基坑開挖施工后,基坑內外土體原有主、被動區土壓力平衡被破壞,導致應力重新分布。對于持續開挖的基坑,開挖過程是一個逐漸卸載的過程,基坑內側卸掉了基坑沒有開挖前原有的土壓力。內側被動區土體被卸掉,被動區土壓力合力作用點降低,被動區土體抵抗圍護結構側向位移的能力逐漸減弱,導致樁體側向位移增大,進而加劇樁體外側地表沉降。2) 樁頂水平位移和地表沉降在標高為-6.392 m及以上時,實測值和模擬值存在一定差異,且實測值大于模擬值。主要原因是在建立模型時對土層進行了簡化和假設,與真實土層存在偏差,且在開挖前期受到地面動載及水壓力等因素影響。開挖到一定深度后,實測值和模擬值趨于吻合,主要是隨著基坑內外土壓力的變化,主動土壓力成為影響鋼板樁及基坑變形的主要因素,其他因素對基坑整體變形的影響減小。

圖3 樁頂水平位移實測值與模擬值對比

圖4 地表沉降實測值與模擬值對比

土體深層水平位移實測值與模擬值的比較見圖5。由圖5可知:土體深層水平位移實測值和模擬值的差異隨著開挖深度的增加逐漸增大,原因與樁頂水平位移一致。開挖深度為0～8 m時,土體深層水平位移模擬值大于實測值,模擬值出現下凹趨勢;開挖深度為8～13 m時,實測值出現凸起變形,而模擬值為一條光滑的漸變曲線,且在鋼板樁施工完成后,兩者差異明顯增大。原因可能是鋼板樁插入土體時對周圍土體有擾動,造成周圍土體的局部變形增大,而數值分析時沒有考慮鋼板樁對土體的擾動。

圖5 土體深層水平位移實測值與模擬值對比

3 水泥土攪拌樁和鉆孔灌注樁對比分析

3.1 樁頂水平位移和樁身整體側向位移對比分析

水泥土攪拌樁加固被動區數值分析模型見圖2。被動區無加固模型為基坑被動區原狀土體,在圖1中刪除被動區水泥土攪拌樁加固區域,且不對土層進行任何加固處理。鉆孔灌注樁加固是在其他條件均不變的情況下,把水泥攪拌樁變更為鉆孔灌注樁。鉆孔灌注樁為雙排,直徑為1 000 mm,樁間距為1 000 mm,第一排距離鋼板樁500 mm,兩排相隔1 500 mm;采用C30混凝土,水泥強度均不小于42.5 MPa,重度為25 kN/m3,彈性模量為30 GPa(見圖6)。

圖6 鉆孔灌注樁加固橫斷面圖(單位:m)

被動區無加固、水泥土攪拌樁加固和鉆孔灌注樁加固時樁頂水平位移和樁身整體側向位移的比較見圖7、圖8。

圖7 不同加固方式下樁頂水平位移對比

圖8 不同加固方式下樁身整體側向位移對比

由圖7、圖8可知:1) 3種加固方式下樁頂水平位移和樁身整體側向位移的變形規律與2.4節基本一致。但被動區無加固時樁頂水平位移急劇變化,最大樁頂水平位移為-47.34 mm,已超過設計累計控制值40 mm和預警值32 mm。采用水泥土攪拌樁進行被動區加固的最大樁頂水平位移為-15.80 mm,為預警值的49.4%,比被動區無加固時小66.6%;采用鉆孔灌注樁進行被動區加固的最大樁頂水平位移為-19.08 mm,比被動區無加固時小59.7%。與文獻[17]中被動區加固后樁頂水平位移比加固前降低50%比較吻合。在對圍護結構有嚴格的變形要求時,進行被動區加固對限制基坑變形和保證基坑穩定性具有顯著作用。2) 開挖深度(標高)為-4.392 m時,水泥土攪拌樁加固時樁身整體側向位移與被動區無加固時接近,水泥土攪拌樁對于限制鋼板樁的整體位移作用有限。開挖深度(標高)為-7.480 m時,水泥土攪拌樁加固時樁身整體側向位移只比被動區無加固時減小11.8%;而鉆孔灌注樁加固時樁身整體側向位移比無加固時減小69.2%,比水泥土攪拌樁加固時減小65.1%。鉆孔灌注樁限制鋼板樁整體位移的效果遠好于水泥土攪拌樁。但由于鉆孔灌注樁的整體性差,其與防水性好的支擋結構進行組合支護的效果更好。

3.2 地表沉降和土體深層水平位移對比分析

被動區無加固、水泥土攪拌樁加固和鉆孔灌注樁加固時地表沉降見圖9。由圖9可知:1) 地表沉降隨著基坑開挖深度的增加逐漸增大,沉降影響范圍也擴大;地表沉降整體呈凹槽形狀且都沒有發生在坡頂位置。采用水泥土攪拌樁和鉆孔灌注樁加固時最大沉降值隨著開挖深度的增加向基坑方向移動,水泥土攪拌樁加固時的最大沉降發生在距離坡頂2.5 m處,鉆孔灌注樁加固時的最大沉降發生在距離坡頂0.5 m處,最大沉降發生位置在文獻[12]描述的0.7H主要影響區內。2) 基坑開挖初始階段,被動區無加固時地表沉降是水泥土攪拌樁加固時地表沉降的1.5倍,是鉆孔灌注樁加固時地表沉降的1.1倍。開挖深度(標高)為-4.392 m時,隨著開挖深度的增加,3種加固方式的差異逐漸增大,被動區無加固時最大地表沉降是水泥土攪拌樁加固時地表沉降的5.3倍,是鉆孔灌注樁加固時地表沉降的4.2倍。開挖深度(標高)為-7.480 m時,鉆孔灌注樁和水泥土攪拌樁加固時的最大地表沉降分別為-13.41 mm、-12.34 mm,僅相差8%,分別為預警值的33.5%和30.9%(地表沉降設計控制值為50 mm,預警值為40 mm)。開挖深度超過10 m時,鉆孔灌注樁加固對基坑變形的約束能力逐漸超過水泥土攪拌樁。

圖9 不同加固方式下地表沉降對比

被動區無加固、水泥土攪拌樁加固和鉆孔灌注樁加固時土體深層水平位移對比見圖10。由圖10可知:基坑開挖過程中土體深層水平位移整體呈鐮刀形變化,底部位移小,中部位移最大。開挖深度較淺時,水泥土攪拌樁加固被動區的效果優于被動區無加固和鉆孔灌注樁加固。基坑開挖深度(標高)為-1.000 m時,鉆孔灌注樁加固和被動區無加固時土體深層水平位移差異很小;基坑開挖至標高為-7.480 m時,鉆孔灌注樁和水泥土攪拌樁加固對基坑整體變形的約束能力相差很小,分別為預警值的20.2%、18.4%(土體深層水平位移控制值為75 mm,預警值為63.8 mm);隨著開挖深度的增加,鉆孔灌注樁的約束能力逐漸超過水泥土攪拌樁。

圖10 不同加固方式下土體深層水平位移對比

不同加固方式下土體深層水平位移的比例關系見表2。由表2可知:1) 隨著開挖深度的增加,水泥土攪拌樁約束變形的能力逐漸增大。開挖深度(標高)為-4.392 m時,水泥土攪拌樁的加固效果達到最佳,為被動區無加固時的6.0倍、鉆孔灌注樁加固時的3.7倍。開挖深度(標高)增加至-7.480 m時,水泥土攪拌樁的加固效果為被動區無加固時的3.0倍,水泥土攪拌樁在基坑開挖深度(標高)在-4.392 m以下時的加固效果逐漸減弱。2) 開挖深度(標高)在-4.392 m以上時,鉆孔灌注樁的加固效果有限;但隨著開挖深度的增加,鉆孔灌注樁的加固效果越來越明顯,在基坑底部(-7.480 m)達到最大,為被動區無加固時的2.7倍。3) 隨著開挖深度的增加,被動區采用水泥土攪拌樁和鉆孔灌注樁加固對基坑變形的約束能力差異逐漸減小。

表2 不同加固方式下土體深層水平位移的比例關系

綜上,在軟土地區進行被動區加固對于保證基坑的穩定性和約束支護結構的變形具有顯著作用,基坑側向位移比無加固時減小約60%。基坑開挖深度為6 m左右時,采用水泥土攪拌樁加固被動區對基坑的支護效果最好。開挖深度6 m后,隨著開挖深度的增加,鉆孔灌注樁對鋼板樁整體位移的控制效果越來越好,開挖深度為10 m時,采用鉆孔灌注樁加固被動區的效果逐漸超過水泥土攪拌樁。但由于鉆孔灌注樁的隔水性和整體性差,采取組合加固方式,其支護效果最好。

4 結論

(1) 對基坑整體變形的影響程度表現為樁頂水平位移>地表沉降>土體深層水平位移。在基坑施工中,樁頂水平位移是最重要的變形因素,地表沉降次之。

(2) 基坑開挖深度為6 m左右時,水泥土攪拌樁約束圍護結構及基坑整體變形的效果最佳。

(3) 基坑開挖深度達到10 m時,鉆孔灌注樁的支護能力逐漸超過水泥土攪拌樁,采用鉆孔灌注樁加固被動區時樁身整體側向位移比水泥土攪拌樁加固時小65.1%,其限制鋼板樁整體位移的能力遠大于水泥土攪拌樁。