基坑被動區(qū)階梯式加固尺寸對樁位移影響分析

屈若楓，馬 鄖，2，徐光黎，胡小慶

(1.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，武漢 430074;2.中南勘察設(shè)計院(湖北)有限責(zé)任公司，武漢 430074)

1 研究背景

隨著武漢城市建設(shè)的快速推進，由高層建筑和地下建筑工程帶來的深基坑開挖與支護技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展。武漢地區(qū)長江Ⅰ—Ⅲ階地的基坑工程開挖地層主要是淤泥質(zhì)土、淤泥或軟黏性土，其主要特征表現(xiàn)為軟—流塑狀態(tài)，土質(zhì)軟弱;若基坑支護設(shè)計不當(dāng)，易造成過大的支護體系體側(cè)向變形、周圍地表沉陷等諸多問題，給該區(qū)域深基工程的設(shè)計、施工均造成較大困難。如何去避免這些問題的產(chǎn)生，尤其是如何去控制支護結(jié)構(gòu)位移變化，保證基坑穩(wěn)定性，其對基坑工程的設(shè)計提出了很高的要求。

大量的工程實踐及理論分析證明:基坑被動區(qū)加固技術(shù)能夠很好地改善基坑坑底土體的物理力學(xué)性質(zhì)，起到減小支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、水平位移及地面沉降的作用，能夠提高被動區(qū)土體的側(cè)向抗力，減小基坑卸載的變形。

基坑被動區(qū)土體加固技術(shù)具備多樣性、廣泛性、重要性、緊迫性等多種典型特征。因此，自21世紀(jì)以來，加固技術(shù)引起了很多專家及學(xué)者的高度關(guān)注，并已經(jīng)展開了一些研究。2003年2月在美國新奧爾良召開的由美國土木工程學(xué)會(ASCE)和國際深基礎(chǔ)協(xié)會(DFI)聯(lián)合主辦的第三屆注漿與地基加固國際會議上，從來自20多個國家的127篇論文中可見，加固技術(shù)正發(fā)揮著越來越重要的作用［1－2］;國內(nèi)壽旋等人［3－4］分析了基坑被動區(qū)土體的深度(高度)及強度對圍護結(jié)構(gòu)變形的影響;秦愛芳［5］以卸荷試驗為基礎(chǔ)，就基坑工程中被動區(qū)土體的合理加固深度進行了研究。就目前基坑坑內(nèi)加固研究成果來看，現(xiàn)行的很多加固方案，不論是對加固區(qū)域形狀、加固寬度和深度等影響因素方面，還是對主要參數(shù)取值問題，其坑內(nèi)加固評價體系還不夠完善。

因此，本文以武漢地區(qū)某大樓建筑工程為實例，采用數(shù)值模擬分析，率先在該區(qū)域內(nèi)提出階梯式基坑被動區(qū)加固的方案，考慮了加固形狀及階梯式加固尺寸參數(shù)對樁位移控制的影響，并與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了相關(guān)對比研究;通過系統(tǒng)地分析被動區(qū)加固參數(shù)對樁位移的影響，進一步優(yōu)化被動區(qū)加固參數(shù)，為武漢地區(qū)今后類似工程的深基坑被動區(qū)加固設(shè)計和施工提供經(jīng)驗與指導(dǎo)。

2 工程概況

2.1 工程布局

該工程為武漢某大樓建筑工程，總建筑面積37 128 m2，其中地上建筑面積32 000 m2，地下建筑面積約4 120 m2。地上20層，地下2層，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。興建的地下室基坑總體形狀呈長方形，東西向長約85 m，南北向?qū)捈s65 m?；涌傊荛L約300 m，基坑面積約5 150 m2。支護樁采用鉆孔灌注樁工藝，樁身砼強度均為 C30;主筋均采用HRB400?；悠矫娌贾脠D如圖1。

圖1 基坑典型剖面Fig.1 Vertical section of the foundation pit

2.2 工程地質(zhì)條件

擬建場地地貌上屬典型的長江Ⅰ—Ⅲ(高)階地，依勘探點孔口標(biāo)高計，擬建場地現(xiàn)地面標(biāo)高變化在19.90～21.07 m之間，地勢相對平坦。場區(qū)地層上部為黏性土，下部為砂性土，土的粒度由上而下逐漸由細(xì)變粗。下伏基巖為白堊－下第三系粉砂質(zhì)泥巖。本場地分布有上層滯水及孔隙承壓水2種類型地下水;上層滯水主要賦存于雜填土及淤泥層中;孔隙承壓水主要賦存于粉土、粉砂夾粉質(zhì)年土、粉細(xì)砂、細(xì)砂及卵石類土中。典型支護結(jié)構(gòu)剖面、地質(zhì)剖面以及主要尺寸如圖1所示。

2.3 被動區(qū)階梯式加固

2.3.1 被動區(qū)階梯式加固的概念

被動區(qū)階梯型加固指的是針對軟弱地基，提高被動側(cè)土體的強度和抵抗變形能力，為改善基坑所處地層的土體力學(xué)性能，提高被動區(qū)土體的側(cè)向抗力，保證基坑開挖的安全穩(wěn)定;進而在基坑被動區(qū)，根據(jù)具體的工程地質(zhì)條件，在樁基的背荷側(cè)對土體實行加固深度、加固寬度不統(tǒng)一的加固形式。

2.3.2 被動區(qū)階梯式加固方案

該工程周邊環(huán)境均非常嚴(yán)峻，基坑除西側(cè)為空地外，其它三側(cè)均有建筑物，多緊臨基坑邊線，且建筑物基礎(chǔ)形式均較差，為靜壓方樁、錨桿靜壓樁，該樁型的抗剪、抗變形能力均較差，對基坑變形控制要求非常高。除了常規(guī)的支護方式，比如排樁、混凝土角撐、坑內(nèi)被動區(qū)加固、土釘掛網(wǎng)噴面、噴錨網(wǎng)、緊臨建筑物地基加固等多種聯(lián)合支護手段，還要輔助坡頂減載、止水帷幕、中型井點降水等手段，確保支護體系的完善。

為有效提高被動區(qū)土體的力學(xué)性質(zhì)，控制好樁身位移，因此本基坑工程在坑底部位采取了坑內(nèi)加固處理措施，坑內(nèi)加固厚度根據(jù)每段坑內(nèi)淤泥厚度的不同而不同。目前國內(nèi)比較流行的加固豎向形狀主要包括坑底板式、多層式、滿坑式、階梯式等多重形式［6］，但鑒于武漢地區(qū)具備典型的長江Ⅰ—Ⅲ階地特性，其復(fù)雜的地質(zhì)條件都對基坑支護，尤其是保證加固區(qū)與支護樁間的充分咬合提出了更高的要求，既要保證加固的作用最大化，又要保證經(jīng)濟的合理化。于是在這樣的背景下，本文提出了對該工程在其被動區(qū)加固采取階梯型加固。結(jié)合該工程地區(qū)特殊地質(zhì)情況，該工程內(nèi)土體加固采用粉噴樁加固，樁間距為450 mm×425 mm，加固寬度均為12 m，加固厚度按二級臺階(即為階梯型加固)設(shè)計，每級臺階寬為6 m。

圖2 被動區(qū)加固區(qū)域剖面圖Fig.2 Profile of strengthened soil in passive zone

階梯型加固區(qū)域剖面圖如圖2所示，圖中H1=3 m，H2=2 m，B1=6 m，B2=6 m。

由于該場區(qū)上部各土層厚度、承臺底標(biāo)高及場地周邊環(huán)境在場地內(nèi)分布有一定的變化，為慎重起見，將基坑周邊概化成10個最不利地質(zhì)剖面分別進行數(shù)值計算，根據(jù)巖土工程詳細(xì)勘察報告和《湖北省基坑工程技術(shù)規(guī)程》(DB42/159—2004)［7］，結(jié)合相關(guān)工程實踐經(jīng)驗，擬定基坑支護設(shè)計有關(guān)參數(shù)取值見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical properties of soil strata

3 數(shù)值模擬模型

FLAC采用的是有限差分法計算，內(nèi)部網(wǎng)格單元為四邊形。在模型材料的本構(gòu)模型選擇上，根據(jù)實際設(shè)計文件，將基坑頂部的橫撐采用梁單元(Beam單元)，梁單元采用線彈性本構(gòu)模型，彈性模量取 30 GPa、泊松比為0.20、重度 25 kN/m3;土體及粉噴樁加固體采用以 Mohr-Coulomb屈服條件為破壞準(zhǔn)則的彈塑性模型，各地層參數(shù)均依據(jù)實測數(shù)據(jù)如表1。

為了減少邊界效應(yīng)對幾何模型的影響，在計算模型簡化原則上:本基坑實際長71.5 m，寬58 m，基坑幾何形狀基本為矩形，具對稱性，因此從中間取剖面，建立平面對稱模型。

基坑區(qū)域為研究區(qū)域，基坑區(qū)域網(wǎng)格取得較密，而離基坑較遠(yuǎn)的區(qū)域網(wǎng)格變大。模型左右邊界固定水平位移邊界條件，模型底部采用固定豎直位移邊界條件。由于采用對稱模型則在支撐梁單元與對稱軸的交點處限制其x，y方向的位移及xy平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動位移。

為方便計算，本文建模前作如下假設(shè)［8－9］:①不計基坑開挖的過程;②地表和各土層均呈水平層狀且勻質(zhì);③不考慮降水因素的影響。建立模型如圖3，圖3是數(shù)值模擬中的模型網(wǎng)絡(luò)劃分圖。

圖3 數(shù)值計算模型Fig.3 Numerical simulation model

4 數(shù)值模擬與實測結(jié)果比較分析

在建立基坑被動區(qū)的加固FLAC模型的基礎(chǔ)上，本文討論了加固區(qū)域的深度、寬度、形狀等參數(shù)對支護結(jié)構(gòu)位移的影響(被動區(qū)加固區(qū)域剖面圖如圖2，令 H=H1+H2，B=B1+B2，以便后面討論)，在模型中，為了更好地反映支護樁位移的變化規(guī)律，選擇樁埋深 h 為 0，3.9，7.8，10.8，11.8，14.3，18.2，21.7 m等8個節(jié)點為位移監(jiān)測點，并將計算值與支護結(jié)構(gòu)的實測位移進行了對比分析，驗證數(shù)值模擬的合理性。

4.1 實測樁位移及其力學(xué)試驗分析

為了更好地評價被動區(qū)加固土體對支護體系的影響，施工期間分別對基坑進行了坡頂位移及沉降、邊坡的測斜、周邊道路位移及沉降、周邊建(構(gòu))筑物的沉降、支護樁位移及應(yīng)力、支撐結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力等的監(jiān)測。

結(jié)合工程實例，在力學(xué)試驗中，本文選取CX1，CX2，CX3，CX4，CX5，CX6 等6 處設(shè)立的測斜點，根據(jù)實際監(jiān)測得的結(jié)果，做出了不同測點處支護體系水平位移分布規(guī)律圖。圖4為在階梯型加固(加固區(qū)域尺寸為3 m×6 m+5 m×6 m)的前提下，現(xiàn)場6處典型斜測點處支護體系水平位移同深度的關(guān)系曲線圖，圖5為不同測點處支護樁最大側(cè)向位移。

圖4 不同測點處支護樁側(cè)向位移分布規(guī)律Fig.4 Distribution of lateral displacement at different measuring points of the supporting piles

通過圖4、圖5，可看出支護樁的結(jié)構(gòu)位移在深度h為0時，各測點位移均較小，可以認(rèn)為沒發(fā)生變化;隨著h變大，水平位移漸漸變大，當(dāng)增大到10～11 m 時，即為0.4～0.6倍樁長時水平位移達(dá)到最大，最大的位移在18.54～30.63 mm區(qū)間內(nèi);當(dāng) h＞10 m時，水平位移漸漸變小，位移改變不明顯;當(dāng)h=18～23 m時，位移變化逐漸減小至0，即在樁底端附近的位移變化為0;很明顯看出，各測點的位移變化規(guī)律基本一致。

圖5 不同測點處支護樁最大側(cè)向位移Fig.5 Maximum lateral displacement at different measuring points of the supporting piles

從圖6可以看出，在樁身應(yīng)力計埋深為0 m時，即在樁頂部位時，樁后土壓力累計變化為0，也就是樁頂處樁后土壓力基本無變化;在樁身應(yīng)力計埋深在10 m左右時，即為0.4～0.6倍樁長時樁后土壓力累計變化最大;在樁身應(yīng)力計埋深h＞10 m時，樁后土壓力累計變化趨勢呈現(xiàn)緩慢減小，最后趨近0的狀態(tài)。綜上研究表明:不同測點處樁后土壓力變化規(guī)律同支護體系水平位移分布規(guī)律的關(guān)系基本一致，從側(cè)面反映了不同測點處支護體系水平位移監(jiān)測的正確性。

圖6 不同測點處樁后土壓力變化規(guī)律Fig.6 Distribution of soil pressure of pile at different measuring points

4.2 階梯式被動區(qū)加固尺寸影響分析

在研究階梯式被動區(qū)加固尺寸對支護體系水平位移的影響分析時，本文保持H，B(據(jù)武漢地區(qū)一般的加固深度和寬度，取值H=5 m，B=12 m。)不變，擬定以下6種模型尺寸，詳見表2。

表2 加固模型尺寸Table 2 Reinforcement model size m

圖7為階梯式加固尺寸對支護體系水平位移的影響關(guān)系曲線。通過各種情況對樁位移的影響對比分析，明顯看出:在樁頂附近，由于支撐的存在，各種情況下樁的水平位移均較小;而隨著距樁頂距離的增大，支撐的影響逐漸減小，樁的水平位移逐漸增大，在0～10 m范圍內(nèi)，樁的水平位移變化很快;在10 m左右即0.4～0.6倍樁長時，各種情況下的水平位移達(dá)到最大。同時，將圖7與圖4不同測點處支護樁側(cè)向位移分布規(guī)律對比，二者變化規(guī)律一致，說明計算結(jié)果具備正確性和可靠性。

圖8 為A，B，C，D，E，F(xiàn) 6類模型情況下加固尺寸對樁最大側(cè)向位移的影響對比圖，現(xiàn)場實際監(jiān)測最大位移為30.63 mm;A 種情況下即未加固時，樁位移最大，為38.06 mm;E 種情況下即 H1=H2=2.5，B1=B2=6時，樁位移為25.42 mm，僅比最小位移25.12 mm大0.30 mm，加固效果可等效。

圖7 階梯式加固尺寸對支護體系側(cè)向位移的影響Fig.7 Influence of the size of stepped reinforcement on lateral displacement of supporting structure

圖8 加固尺寸對樁最大側(cè)向位移的影響Fig.8 Influence of the reinforcement size on the maximum lateral displacement of pile

4.3 被動區(qū)加固形狀的影響分析

在研究被動區(qū)加固形狀對支護體系水平位移的影響分析時，就加固形狀分別選取長方型(長方形尺寸為5 m×12 m即為D類模型)和階梯型(階梯型尺寸為3 m×6 m+5 m×6 m即為B類模型)2組方案進行對比分析，并且將以上二者再與實際測斜結(jié)果對比分析。

圖9為在階梯型和長方形加固時，支護體系水平位移的變化規(guī)律。通過對比分析，可看出支護樁的水平位移隨著深度的不斷變化，各測點位移基本沒發(fā)生變化;二者曲線基本重合，說明在這2種情況下產(chǎn)生的加固效果相同。D種情況時(H=5 m)，最大位移為 26.5 mm;B 種 情 況(H1=3 m，H2=2 m)，最大位移為26.52 mm，位移僅比D種情況高0.075%，其差值基本可以忽略不計。因此，階梯型加固能夠更加充分的發(fā)揮加固的效果，使得工程經(jīng)濟更加合理，更加符合武漢地區(qū)特殊地質(zhì)條件的工程需求。

綜上所述，階梯式被動區(qū)加固尺寸為H1=H2以及B1=B2時最佳，在武漢區(qū)域與本基坑類似的工程中，這樣的階梯型加固尺寸使得加固土體作用更加充分發(fā)揮，經(jīng)濟上更加合理，具備一定的優(yōu)勢。

圖9 加固形狀對支護體系側(cè)向位移的影響Fig.9 Influence of the shape of reinforcement on the lateral displacement of supporting structure

5 結(jié)論

本文結(jié)合武漢地區(qū)某一典型基坑工程，采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測二者對比分析研究，就土質(zhì)軟弱地區(qū)基坑被動區(qū)加固參數(shù)對支護結(jié)構(gòu)位移的影響參數(shù)進行了分析，討論了加固區(qū)域的尺寸及形狀對支護結(jié)構(gòu)位移的影響，得出結(jié)論如下:

(1)樁身應(yīng)力變化規(guī)律、不同測點處樁后土壓力變化規(guī)律、支護體系水平位移各自隨深度變化的規(guī)律一致。

(2)數(shù)值模擬計算值與實際監(jiān)測值二者規(guī)律基本一致，表明數(shù)值模擬可以較好地給出支護體系的側(cè)向變形規(guī)律。

(3)階梯式被動區(qū)加固尺寸為H1=H2以及B1=B2時，加固土體的作用能夠更加充分的發(fā)揮，能夠最大限度的減少支護體系的位移變化，作用顯著。

(4)相比長方形加固而言，階梯型加固能夠更加充分的發(fā)揮加固的效果，節(jié)約成本，降低施工難度，使得工程經(jīng)濟更加合理，更加符合武漢地區(qū)特殊地質(zhì)條件的工程需求。

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