非均質(zhì)填土注漿加固特性及基坑開挖穩(wěn)定分析

■吳玉鵬，張可能，楊宇航，張?jiān)埔?，張順清?.有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 41008；2.地球科學(xué)與信息物理學(xué)院 中南大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 41008；.湖南建工集團(tuán)，湖南 長(zhǎng)沙 410004

城市填土地層是伴隨人類活動(dòng)產(chǎn)生的特殊非均質(zhì)土層，不同地域之間存在很大的差異，土體主要成分、固結(jié)特性、水、力學(xué)特征等都不盡相同，土體物理力學(xué)特性與當(dāng)?shù)氐貙訔l件、氣候特征、人類生產(chǎn)方式等因素均有關(guān)聯(lián)。城市化建設(shè)過程中難以避免的會(huì)遇到很多特殊工程問題，與地上的結(jié)構(gòu)問題不同，地下工程的安全性極易受到土體情況變化的影響，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，世界范圍內(nèi)巖土工程技術(shù)水平在近代以來獲得了很大的提高，但依靠現(xiàn)有的勘察評(píng)價(jià)手段和土體理論研究成果仍然難以精確描述非均質(zhì)土體的力學(xué)特性，進(jìn)行相關(guān)地下工程設(shè)計(jì)和施工時(shí)都存在不確定性的風(fēng)險(xiǎn)，因此現(xiàn)行的國(guó)家或行業(yè)規(guī)程對(duì)于填土層的評(píng)價(jià)一般基于定性的理論研究成果，填土的分類標(biāo)準(zhǔn)主要以土體成分和賦存年代劃分，具有一定的隨機(jī)性，不能很好的反應(yīng)實(shí)際工程性質(zhì)變化［1］。在填土的一般研究過程中，以地基處理方面的成果居多，在分類標(biāo)準(zhǔn)上，也主要參考了地基承載力方面的要求，考慮要素包括時(shí)間、成分、含水、賦存條件、有機(jī)物含量等因素。對(duì)于基坑工程，土體內(nèi)摩擦角和粘聚力參數(shù)是巖土工程師最為常用的土體指標(biāo)，相關(guān)研究很多，但大多具有地區(qū)區(qū)分度，尚未建立廣泛認(rèn)可的通用標(biāo)準(zhǔn)［2-4］。為保證相關(guān)工程活動(dòng)的安全開展，發(fā)展起來諸多坡體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，如圖1所示。

圖1 工程評(píng)價(jià)方法

為驗(yàn)證非均質(zhì)土體條件下的坡體穩(wěn)定性，普通尺寸的室內(nèi)模型試驗(yàn)和一般分析方法很難奏效，因此本文采用有限元分析的方法進(jìn)行模擬計(jì)算，從基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論的觀點(diǎn)探究注漿工藝對(duì)坡體穩(wěn)定性方面的作用。

1 深厚填土層的注漿施工實(shí)例

1.1 工程概況

該基坑工程位于湖南省株洲市石峰區(qū)，屬于城市建設(shè)開發(fā)的外延中心帶，發(fā)展?jié)摿^大。其原始地形低洼，最初為人工魚塘，后在道路建設(shè)和商品住宅開發(fā)時(shí)進(jìn)行了回填，回填用料和固結(jié)程度各不相同。2013年部分空閑場(chǎng)地開始進(jìn)行新一期商品住宅的開發(fā)，基坑開挖過程中遇到平均深度超過5m的深厚填土層，土體內(nèi)含有大量建筑和生活垃圾，成分不均，勘察報(bào)告無(wú)法提供準(zhǔn)確的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，相鄰高層住宅基坑開挖過程中采用了樁錨支護(hù)的保守設(shè)計(jì)，效果良好，但造價(jià)成本極高。經(jīng)過充分考察論證和安全性評(píng)估，工程建設(shè)單位擬對(duì)特殊地段采用注漿加固的方法對(duì)土層進(jìn)行預(yù)處理［5］，再采用噴錨支護(hù)的手段進(jìn)行加固。方案實(shí)施后基坑穩(wěn)定性良好，監(jiān)測(cè)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，實(shí)際造價(jià)相比傳統(tǒng)樁錨方法節(jié)約造價(jià)1/3以上，施工工期也大幅度縮短。

該工藝實(shí)施部分位于場(chǎng)地南側(cè)，臨近高層建筑，地面以下有超過5m的新近填土，為小區(qū)道路建設(shè)的回填土層，密實(shí)度較差，采用傳統(tǒng)的土釘、錨桿支護(hù)難以保證基坑安全，因此先采用雙排豎向注漿孔對(duì)土體進(jìn)行注漿預(yù)加固（圖2）。

圖2 基坑支護(hù)剖面圖

1.2 施工工藝

豎向鉆孔。選擇坡頂合適部位進(jìn)行放線，采用簡(jiǎn)易煤田鉆機(jī)進(jìn)行豎向孔的施工，施工單位自行研發(fā)的自鉆導(dǎo)水頭能夠滿足快速成孔的要求，孔徑可控制在±72mm，短接鉆桿為流體輸送用無(wú)縫鋼管，成本較低，性能可靠，可直接預(yù)留土體中充當(dāng)注漿管使用。

漿液配比。注漿漿液主要采用水泥-水玻璃雙液漿，該類漿液通過水玻璃加量的調(diào)整可以有效控制漿液凝固時(shí)間，達(dá)到精確控制注漿量的要求，水灰比以1～0.5：1為宜，水泥漿和水玻璃液體體積比為1：0.08～0.15。

注漿控制。注漿過程中主要通過注漿壓力和注漿量進(jìn)行施工控制，實(shí)施前應(yīng)依據(jù)土體基本參數(shù)進(jìn)行注漿量的預(yù)算［6］：

注漿量的大小與土體孔隙性和被壓縮程度等相關(guān)，式（1）中，Cc為土體壓縮系數(shù)，e1為漿后孔隙比。在本工程新近填土地層中注漿，壓力應(yīng)控制在3.5MPa以下。

2 填土地層中漿液擴(kuò)散特性分析

2.1 基本擴(kuò)散理論

漿液擴(kuò)散存在三個(gè)基本理論過程—滲透、擠密、劈裂，通過探槽開挖試驗(yàn)，能夠很明顯的觀察到上述現(xiàn)象：

基于簡(jiǎn)單滲透理論，在均質(zhì)填土中漿液擴(kuò)散可以用球形公式表示：

圖3 土體中漿脈的分布

式中：K—填土的滲透系數(shù)（cm/s）；β—漿液粘度對(duì)水的粘度比；r—漿液擴(kuò)散半徑（cm）；h1—注漿壓力水頭（cm）；r0—注漿管半徑（cm）；t—注漿時(shí)間（s）。

劈裂過程是漿液擴(kuò)散的重要過程，參照莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度破壞理論可推導(dǎo)出各向同性地層中的臨界注漿壓力條件［7］：

式中：r—砂石重度；rw—水重度；h—灌漿段深度；hw—地下水位；K—主應(yīng)力比；c′—有效粘聚力；φ′—有效內(nèi)摩擦角。

2.2 漿液結(jié)實(shí)體的形成

填土地層具有土體成分不均勻的特性，土體孔隙分布也存在較大的離散性，除了分散較為均一的填土顆粒成分，常有大型塊石成分，交接面之間容易形成大型孔隙，為漿液的滲透提供很好的填充空間，從而形成大型漿液結(jié)實(shí)體或者與堅(jiān)硬塊石粘連形成復(fù)合結(jié)實(shí)體（圖4）。

4 坡體開挖發(fā)現(xiàn)的大型漿液結(jié)實(shí)體

2.3 水玻璃作用機(jī)理

漿液中水玻璃成分能有效控制漿液凝固時(shí)間進(jìn)而限制漿液擴(kuò)散半徑，這主要是基于水泥中的硅酸二鈣發(fā)生的水解和水化反應(yīng)，其Ca（OH）2產(chǎn)物能與硅酸鈉迅速凝固，形成水化硅酸鈣的凝膠體。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 原位剪切試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)基坑坡體向內(nèi)開挖后進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果之一如下圖5所示。

圖5 J2直剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線

當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到峰值后，隨著剪應(yīng)變的增加，剪應(yīng)力在峰值附近波動(dòng)；在理論剪切破壞位移以內(nèi)（剪切盒邊長(zhǎng)1/10的剪切位移），試樣的剪應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加沒有出現(xiàn)明顯下降段；超過理論剪切破壞位移后，試樣的剪應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加在峰值附近波動(dòng)。

剪切試驗(yàn)過程中，J2的注漿結(jié)石體首先受到剪切作用，由于注漿結(jié)石體的強(qiáng)度高，在剪應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線中表現(xiàn)為：剪應(yīng)變?cè)?-2%范圍內(nèi)，剪應(yīng)力隨應(yīng)變的增加快速增大，隨著剪切的繼續(xù)進(jìn)行，J2中的注漿結(jié)石體基本破壞，剪應(yīng)力迅速達(dá)到峰值隨后緩慢變化（圖6）。

3.2 土體室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析

注漿結(jié)束后對(duì)土體進(jìn)行取樣分析，分別選取距離注漿口不同距離的土體進(jìn)行重塑土直剪試驗(yàn)，結(jié)果經(jīng)分析離散性較大，這主要是因?yàn)槭覂?nèi)試驗(yàn)儀器尺寸有限，無(wú)法準(zhǔn)確制備非均質(zhì)土試樣，填土單元隨機(jī)分布的特性很難通過簡(jiǎn)單模型試驗(yàn)進(jìn)行模擬。

圖6 J2剪切面形態(tài)

為了探究注漿注入量與土體強(qiáng)度的關(guān)系，進(jìn)行了摻加水泥漿液的重塑土直剪試驗(yàn)，選用均質(zhì)土體作為基質(zhì)，添加不同比例的水泥漿液攪拌養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖7、圖8。

圖7 峰值應(yīng)力隨水泥加量變化的曲線圖

圖8 土體c、φ值統(tǒng)計(jì)表

圖8所示，土體c、 φ值總體上有一定的上升趨勢(shì)，但并不明顯，這與試驗(yàn)過程控制不嚴(yán)和土體成分復(fù)雜有關(guān)，由以上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，水泥漿注入量對(duì)土體的c值提升作用呈線性相關(guān)，水泥用量較少，分布均勻，改變了土體汲水特性，使土體內(nèi)部粘土成分的含水率穩(wěn)定在一個(gè)適當(dāng)?shù)谋嚷?，造成粘土間粘結(jié)力的提高。當(dāng)漿液數(shù)量達(dá)到一定程度后，其土體聚粒成分必然增多，大顆粒土體間的摩擦力增大，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角數(shù)值的提高，因此在6%水泥加量條件下土體φ值明顯增大。

3.3 基于快速拉格朗日方法的有限元分析

利用flac命令流的方式建立基坑開挖模型，計(jì)算分析施加注漿結(jié)實(shí)體結(jié)構(gòu)前后坡體位移應(yīng)力的變化。

土層利用brick立方體模型生成，定義為莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論（model mohr）。采用property語(yǔ)句根據(jù)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行材料賦值。材料重度使用initial命令進(jìn)行初始化賦值，在隨后的計(jì)算步驟中，重度指標(biāo)會(huì)隨計(jì)算過程進(jìn)行微調(diào)。

initial density 1970 range z 0 11.991；粘性土飽和重度

initial density 1800 range z 11.991 14.474；填土飽和重度

initial density 1656 range z 14.474 18.974；填土天然重度

initial pp 6.436e3 gradient 0 0-1e3 range z 8.038 14.474；設(shè)定填土層孔隙水壓力

初始應(yīng)力的施加通過初始化計(jì)算自動(dòng)添加，具體操作方法是將土體抗拉強(qiáng)度及粘聚力設(shè)為無(wú)窮大（1e10），利用fix命令對(duì)土體邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行條件約束并進(jìn)行初始化計(jì)算。運(yùn)算結(jié)束后再重新賦值，進(jìn)行下一步建模計(jì)算。

初始沉降計(jì)算完成后應(yīng)對(duì)各點(diǎn)位移及速度進(jìn)行清零。

ini xdisp 0 ydisp 0 zdisp 0；位移歸零

ini xvel 0 yvel 0 zvel 0；速度歸零

土體開挖過程采用null模型實(shí)現(xiàn)，先對(duì)擬開挖土體部分進(jìn)行分組：group kw1 range plane normal 1.495 0-0.194

origin 19.368 0 18.974 below …

z 17.479 18.974；開挖第一層分組，其它開挖層分組過程相同

model null range group kw1；模擬開挖過程

通過sel命令施加土釘（cable）、砼層（shell）等支護(hù)結(jié)構(gòu)。注漿結(jié)實(shí)體模擬為立方體單元，通過設(shè)置特殊材料屬性的方式予以實(shí)現(xiàn)，強(qiáng)度參數(shù)模擬普通混凝土。

group sk1 range x 16.304 17.304 y 1.5 2.5 z 14.479 15.479；漿液結(jié)實(shí)體分組。

表1 土體參數(shù)取值

模型建立結(jié)果如下圖所示（圖9、圖10）。

由圖表可知，注漿結(jié)實(shí)體可以有效改善坡體的位移變化，基坑開挖至第二層后，坡體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果云圖分析表明：水平位移（xdisp）出現(xiàn)在坡腳處，第一層開挖平臺(tái)也存在較大的位移變化點(diǎn)，通過對(duì)比兩種條件下的xdisp云圖，未設(shè)置漿液結(jié)實(shí)體試塊時(shí)云圖擴(kuò)展面積略大，圖示最大位移量為-4.3536e-2m，存在注漿結(jié)實(shí)體時(shí)圖示最大位移量縮減為-3.938e-2m，位移量減少9.55%。

4 結(jié)論

（1）以株洲某深厚填土基坑為例，采用注漿預(yù)加固的方法可以有效提高基坑開挖過程的穩(wěn)定性，方法經(jīng)濟(jì)可行。

（2）非均質(zhì)填土地層中，漿液擴(kuò)散的滲透、擠密、劈裂現(xiàn)象并存，非均勻分布的大空隙有利于大型漿液結(jié)實(shí)體的形成。

圖9 模擬注漿結(jié)實(shí)體試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖10 xdisp-注漿結(jié)實(shí)體試驗(yàn)結(jié)果

（3）原位剪切試驗(yàn)和有限元計(jì)算分析表明漿液結(jié)實(shí)體可以有效提高坡體剪切變形過程的抗剪力，降低土體變形參數(shù)。

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