孟志豪 ,于同生
(1.太原理工大學,山西 太原 030024;2.山西省交通科學研究院,山西 太原 030006)
近年來,城市軌道交通的飛速發(fā)展,隨之而來的是大量復雜地質(zhì)條件下的深基坑工程。由于車站大多地處城市繁華區(qū)域,不僅施工難度大,同時合理控制深基坑施工所帶來的環(huán)境效應也成為了設計過程中的一大難點。尤其是對于覆蓋深厚軟土層的沿海、沿江地帶,深基坑施工過程中的變形控制難度更為巨大。針對于此,不少工程實踐表明,采用坑底被動區(qū)加固的方法可以有效減小軟土地區(qū)深基坑施工所帶來的環(huán)境效應,同時對一些地下水問題突出的區(qū)域,還可以起到兼做止水帷幕的作用,具有極佳的經(jīng)濟效應[1-2]。
然而,無論是基于水泥土攪拌法或者是高壓旋噴法施工的坑底加固區(qū),由于施工工藝的局限性及材料本身屬性的變異性,其材料參數(shù)均具有很強的空間變異性[3-5],這些變異性的存在將不可避免地影響施工質(zhì)量及工程特性,從而對工程安全產(chǎn)生不確定性。一方面,現(xiàn)有的關(guān)于坑底被動區(qū)加固對深基坑工程性質(zhì)的影響還大多停留在確定性分析層面,大多是集中于對加固區(qū)幾何參數(shù)的探究[1-2];另一方面,關(guān)于考慮土體參數(shù)空間變異性對工程特性影響的分析大多集中于自然土體層面[6-7],關(guān)于變異性更強的考慮水泥土參數(shù)空間變異性的研究則相對較少。
因此,針對以上問題,本文采用隨機場理論描述水泥土材料參數(shù)的空間變異性,基于FLAC3D軟件進行模擬。開展考慮水泥土參數(shù)空間變異性對被動區(qū)加固深基坑變形性狀的影響研究。
本文依托武漢某地鐵車站工程,深基坑工程標準段寬度20m,深度16m,圍護結(jié)構(gòu)采取鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐+坑底被動區(qū)加固。鉆孔灌注樁直徑1.0m、中心間距1.5m、樁長28m。從上到下分別在深度-1m、-6m和-11m位置處設置3道支撐,第一道支撐為800mm×800mm的鋼筋混凝土支撐,第二道支撐為φ800mm壁厚20mm的鋼支撐,第三道支撐為φ609mm壁厚16mm的鋼支撐,支撐間距均為3m,坑底加固區(qū)厚度為4m,深基坑及圍護結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1 基坑及圍護結(jié)構(gòu)示意圖
采用FLAC3D有限差分軟件,建立如圖2所示的幾何模型,模型尺寸為180m×3m×36m,即沿基坑的延伸方向取一個支撐段長度進行分析。土體和坑底加固區(qū)采用實體單元模擬,鉆孔灌注樁采用樁單元模擬,坑內(nèi)支撐采用梁單元進行模擬,同時考慮到被動區(qū)為考慮參數(shù)空間變異性的主要研究區(qū)域,網(wǎng)格需要進一步加密。
場地土層條件為典型的長江I級階地區(qū)域,上部主要以黏性土、粉土等軟土土層為主,深基坑施工過程中會帶來較大的變形。下部主要以深厚的砂土層為主,滲透系數(shù)大,且地處長江沿岸,水力補充豐沛,地下水處理困難。根據(jù)工程地質(zhì)勘查報告,總結(jié)土體及材料參數(shù)見表1中。對于水泥土而言,黏聚力與壓縮模量對變形影響最大,且變異性較強,作為隨機變量考慮;黏聚力取值為等效黏聚力,此時類似于飽和黏性土,其值為無側(cè)限抗壓強度的0.5倍,摩擦角為0;同時,研究表明,壓縮模量(E)與無側(cè)限抗壓強度(qu)之間存在近似的線性關(guān)系,按照文獻中關(guān)于水泥土的統(tǒng)計規(guī)律可以取值為E=140qu。因此,最終的黏聚力與壓縮模量隨機場就可以等效成一個關(guān)于無側(cè)限抗壓強度的單參數(shù)隨機場。
圖2 數(shù)值模型示意圖
表1 巖土體材料參數(shù)表
基于隨機場理論來描述巖土體參數(shù)空間變異性已在業(yè)界形成共識。各種生成隨機場的方法也都比較成熟,常見的有局部平均法[8]、譜分解法、中心點法[9]等。由于中心點法原理簡單、計算過程簡便,極易編程實現(xiàn),且可模擬任意分布形式、任意幾何形狀的隨機場,同時具有不錯的計算效率,因此本文采用中心點法生成模擬所需的單參數(shù)隨機場。
一般而言,描述參數(shù)空間變異性特征的指標包括參數(shù)分布形式、參數(shù)均值(μqu)、變異系數(shù)(COVqu)和相關(guān)距離。并且對水泥土的強度變異性特征而言,不少文獻已經(jīng)做出了較為詳盡的總結(jié)。一般而言,水泥土無側(cè)限抗壓強度認為滿足對數(shù)正態(tài)或正態(tài)分布的形式,且由于土體參數(shù)的非負性,對數(shù)正態(tài)的分布形式顯然更為合理[10]。而水泥土無側(cè)限抗壓強度均值(μqu)一般認為在 1.5~4.5MPa之間,本文取1.5MPa分析;變異系數(shù)(COVqu)的變化范圍在0.2~0.8之間[11],本文取0.6分析;水平向相關(guān)距離(θh)和豎向相關(guān)距離(θv)的取值范圍分別在 0.4~1.2m、1~4m之間[12],本文分別取0.8m和2m分析。據(jù)此,設計了表2所示的5種確定性分析工況及一種隨機分析工況。
表2 模擬工況表
圖3 確定性分析基坑變形響應圖
如圖3所示為5種確定性工況下地表沉降及樁身側(cè)移曲線圖。對比是否采用坑底被動區(qū)加固的基坑變形響應可以發(fā)現(xiàn),坑底被動區(qū)加固可以明顯減小深基坑施工帶來的環(huán)境效應。以無加固區(qū)工況和水泥土qu=1.5MPa的工況對比為例,通過坑底被動區(qū)加固,最大沉降量減小了49.7%、最大樁身側(cè)移減小了40.0%,說明坑底被動區(qū)加固對于基坑變形控制效果良好;同時,進一步增大水泥土無側(cè)限抗壓強度值,基坑變形進一步減小,但是效果并不十分顯著。
如圖4所示為黏聚力隨機場的一次典型實現(xiàn)示意圖,可以看出空間不同位置處的黏聚力各不相同,即隨機性體現(xiàn),同時,相鄰區(qū)域(相關(guān)距離范圍內(nèi))的黏聚力大小又會較為接近,即相關(guān)性體現(xiàn)。
圖4 黏聚力隨機場的一次典型實現(xiàn)
如圖5所示為B0工況(隨機工況)與A1工況(確定性工況)開挖結(jié)束后地表沉降與樁身側(cè)移對比??梢钥闯?,空間變異性的存在會影響深基坑變形響應的大小,但是對地表沉降槽以及樁身側(cè)移的整體分布形式不會產(chǎn)生明顯影響。更重要的是,不考慮參數(shù)空間變異性會明顯低估深基坑的變形響應,由此證明考慮水泥土加固體參數(shù)空間變異性對分析深基坑變形有著重要意義。
圖5 確定性工況與基準工況基坑變形響應對比
圖6為隨機工況B0對應的500個變形響應最大值的頻數(shù)分布直方圖,對其進行分布假設檢驗,發(fā)現(xiàn)正態(tài)分布可以很好地描述其特征,其中Sdmax和Ldmax分別表示A1工況對應的地表沉降最大值和樁身側(cè)移最大值。通過計算發(fā)現(xiàn),Sdmax和Ldmax分別位于對應正態(tài)分布的0.22%分位點和1.59%分位點,也就是說不考慮水泥土加固體參數(shù)空間變異性時,有99.18%和98.41%的概率低估地表沉降和樁身側(cè)移。
圖6 工況B0深基坑變形響應最大值頻數(shù)分布直方圖
本文基于隨機場理論,采用FLAC3D數(shù)值模擬的方法,探究了考慮水泥土參數(shù)空間變異性對軟土地區(qū)被動區(qū)加固深基坑環(huán)境效應的影響,主要得到以下結(jié)論:
a)被動區(qū)加固可以有效減小深基坑施工帶來的環(huán)境效應,其減小幅度甚至可以達到50%左右。
b)考慮水泥土參數(shù)空間變異性時,基坑變形響應可以認為呈現(xiàn)正態(tài)分布,且對比確定性分析的結(jié)果,不考慮變異性時會有超過90%的概率低估基坑變形響應。