富水圓礫地層局部止水帷幕作用下基坑開挖變形數(shù)值分析

楊汝賢， 靳高明， 張榮海， 羅成

(1.甘肅建投建設(shè)有限公司， 蘭州 730050； 2.蘭州理工大學(xué)甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室， 蘭州 730050；3.蘭州理工大學(xué)西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心， 蘭州 730050)

隨著中國城市化過程不斷推動，大量城市建筑修建過程中涌現(xiàn)出了不少基坑工程問題[1-2]。在基坑開挖深度范圍內(nèi)，若遇到含水層則需對地下水進(jìn)行處理，從而確保在施工“干作業(yè)”的基礎(chǔ)上提升基坑邊坡的整體穩(wěn)定性。地下水的常用處理方式一般有兩種：降水和止水?；咏邓冗^大容易造成周邊地表沉降，引發(fā)附近既有高層建筑發(fā)生不均勻沉降[3]。此外，中國很多城市正面臨著淡水資源污染和短缺的嚴(yán)峻局面，在一些城市已經(jīng)開始通過征收水資源稅來加強(qiáng)水資源管理和保護(hù)，促進(jìn)水資源節(jié)約與合理開發(fā)利用[4]。因此，未來限制基坑預(yù)降水施工，采用各種止水為主的地下水控制方法將成為行業(yè)主流。

目前中外對于基坑工程的研究已經(jīng)相對成熟，對排樁-旋噴樁支護(hù)及抗?jié)B的方案進(jìn)行了一系列的研究。朱明誠等[5]通過室內(nèi)試驗，分析了礫石層特性對樁直徑的影響。結(jié)果表明高壓旋噴技術(shù)可以能夠在礫石層中起到加固和止水的作用。劉震國[6]研究了高壓旋噴止水帷幕在不同基坑工程中的應(yīng)用，闡述了高壓旋噴止水帷幕施工的主要注意事項。陳云彬等[7]研究了臨海基坑三管噴射注漿樁與單軸水泥攪拌樁的組合止水帷幕，驗證了此組合式止水帷幕能夠避免了基坑的滲流滲漏破壞。付瑞勇等[8]考慮了地層和周圍環(huán)境條件，基坑采用樁錨支護(hù)方案，采用高壓旋噴樁與管井降水方案進(jìn)行地下水控制。監(jiān)測結(jié)果表明，這種組合方式在能保證周邊建筑安全且經(jīng)濟(jì)合理。詹濤等[9]利用有限元軟件還原基坑開挖過程，分析了基坑開挖對相鄰運(yùn)營鐵路變形的影響以及利用鉆孔灌注樁+旋噴樁組合支護(hù)方式加固的安全性。結(jié)果表明鉆孔灌注樁+旋噴樁的組合支護(hù)方式能有效減少基坑開挖對鐵路變形的影響。李又云等[10]利用有限元軟件ABAQUS，研究了在地下水豐富且含較深的透水層的地層中采用懸掛式止水帷幕進(jìn)行基坑支護(hù)對基坑變形的影響規(guī)律。羅正東等[11]采用ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，通過改變止水帷幕的滲透系數(shù)及嵌入深度等因素，研究止水帷幕在不同工況下的水平位移及地表沉降的規(guī)律。邱明明等[12]利用PLAXIS-2D研究了在富水砂卵石地層下地下連續(xù)墻不同工況下的變形特征，結(jié)果表明止水帷幕對基坑變形影響顯著，地下水位上升和砂層厚度增加會加劇基坑變形，合理控制止水帷幕深度和間距更有利于控制基坑變形。

綜上所述，對于富水圓礫地層采用局部排樁-旋噴樁聯(lián)合止水帷幕對基坑施工變形性狀及影響因素少有報道，因此對于此類局部排樁-旋噴樁聯(lián)合止水帷幕的研究還需進(jìn)一步研究。以甘肅省煤田地質(zhì)局綜合普查隊西部地球物理大廈基坑工程為例，采用Midas GTS有限元計算軟件對該基坑施工進(jìn)行全階段數(shù)值還原，基于此探究了在圓礫地層中基坑開挖過程中地下水滲流路徑的分布規(guī)律、分析與傳統(tǒng)止水帷幕相比局部止水帷幕對間接限制基坑周邊地表豎向變形及支護(hù)樁水平位移所發(fā)揮的作用，能夠為類似地層條件的深基坑工程的支護(hù)與止水的設(shè)計提供有價值的參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 基坑概況

甘肅省煤田地質(zhì)局綜合普查隊西部地球物理大廈為地上20層，地下室為2層，基礎(chǔ)形式為鋼筋混凝土平板式筏形基礎(chǔ)，持力層為強(qiáng)風(fēng)化泥巖層。基坑北側(cè)邊線距離道路紅線約1.9 m，圍墻外有6.8 m寬的人行道，人行道外為主干道路；西側(cè)邊線距離華府豪庭公館24層高層建筑約8.7 m，豪庭公館為樁筏基礎(chǔ)，有地下室深度6 m；東側(cè)邊線距離華辰大酒店8.2 m，華辰酒店為樁筏基礎(chǔ)，有一層地下停車場，深度6 m；南側(cè)邊線距離6層工行家屬樓12.7 m，如圖1所示。本文中選取1-1截面開展研究。

圖1 基坑位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of foundation pit location

1.1.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報告，在勘察深度范圍內(nèi)，場地地層自上而下順序如下。

雜填土層：分布整個場地主要以粉質(zhì)黏土為主，含磚、石瓦塊、碳渣等及舊建筑物基礎(chǔ)等而成，屬于近期人工填土。層底標(biāo)高一般為1 146.02～1 147.24 m，厚度5.00～6.00 m。

粉質(zhì)黏土：黃褐-黑褐色，可塑狀，稍有光澤，韌性中等，干強(qiáng)度中等，不均勻，偶含碳渣，局部粉粒含量較高。 該層厚2.50～5.90 m，層底埋深8.50～11.40 m。

粉土層：暗黃色，很濕，中密，切面平整，無光澤，韌性差，干強(qiáng)度低，局部含粉、細(xì)砂。層厚1.60～3.60 m，層底埋深11.00～13.00 m。

圓礫層：雜色，中密，分選差，級配較好，顆粒成分以石英巖和變質(zhì)巖碎屑為主，骨架顆粒間砂土充填密實，層厚 1.50～3.50 m，層底埋深14.10～14.60 m。

泥巖層：為第三系陸源碎屑沉積物，紅褐色，裂隙發(fā)育。

地下水主要存在粉土層的下部和圓礫層中屬潛水類型，粉土層的滲透系數(shù)為k=0.5 m/d，圓礫層的滲透系數(shù)k=60 m/d；普通單井出水量小于10 m3/h。地下水由東南方向排泄于籍河。水位埋深介于自然地坪以下9.6 m，隨季節(jié)升降幅度在1.5 m左右。

1.1.2 止水帷幕設(shè)計方案

工程基坑四周無放坡空間，周邊均設(shè)置排樁，支護(hù)樁樁徑0.9 m。為保證樁體的整體性樁頂設(shè)置冠梁，冠梁頂標(biāo)高為自然地面以下1 m。截面支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig.2 Design drawing of supporting structure

(1)支護(hù)樁樁身砼等級C30，鋼筋保護(hù)層厚度70 mm；樁身主筋采用通長、均勻配筋，鋼筋籠主筋型號為HRB400鋼筋，箍筋為HPB300螺旋箍；樁身每隔2.0 m設(shè)置一道內(nèi)箍加強(qiáng)筋，鋼筋型號為HRB400，樁頂起吊位置應(yīng)加強(qiáng)。

(2)樁頂設(shè)置冠梁，截面尺寸900 mm×500 mm，砼等級C30。鋼筋保護(hù)層70 mm，冠梁主筋均采用HRB400。箍筋型號為HPB300，排樁主筋插入冠梁430 mm。

(3)在自然地面以下3.5、6.0 、8.5 m處各設(shè)置一層預(yù)應(yīng)力錨索，一樁三錨，錨索長L分別為21、18、16 m，固定段分別為15、12、10 m，自由端6.0 m；傾斜角度10°。錨索采用4Ф15.2 mm鋼絞線，錨索端頭設(shè)置導(dǎo)向帽，錨固段設(shè)置隔離支架和束線環(huán)，間距2.0 m，在自由段設(shè)置對中支架，間隔2 m。

2 數(shù)值計算

2.1 模型建立

采用Midas GTS建模時，采用平面應(yīng)變假設(shè)，考慮到開挖深度的影響范圍模型的尺寸為65 m×65 m，同時利用數(shù)值模擬的對稱性取一半進(jìn)行分析，模型共劃分16 379個單元，16 609個節(jié)點(圖3)，模型底部設(shè)置為固定約束，側(cè)面為滑動約束(即只限制水平位移不限制豎向位移)，上表面為自由邊界；排樁-旋噴樁的支護(hù)采用文獻(xiàn)[2, 4]中的方法等效為墻體。不含旋噴樁部分等效彈性模量計算公式為

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

EA總=E土A土+E排樁A排樁

(1)

含旋噴樁部分的等效彈性模量計算公式為

EA總=E土A土+E排樁A排樁+E旋噴樁A旋噴樁

(2)

排樁與土的等效墻體的滲透系數(shù)折合采用公式

K=(K1A1+K2A2+…+KnAn)/A總

(3)

式中：E為彈性模量；A為面積，式(1)、式(2)中的面積A參考圖4計算；K為滲透系數(shù)，排樁-旋噴樁等效墻體的結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)視為為0。

圖4 高壓旋噴樁及排樁支護(hù)體系結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural diagram of high pressure jet grouting pile and row pile supporting system

2.2 模型參數(shù)

由于基坑開挖涉及土體荷載和變形問題，土體本構(gòu)選取十分重要。傳統(tǒng)Mohr-Coulomb模型僅是對巖土應(yīng)力-應(yīng)變行為的一種“一階”近似[5]，往往被推薦用于線彈塑性土工問題的初步分析和極限狀態(tài)判別。本文中土體本構(gòu)采用Modified Mohr-Coulomb模型，該模型可以描述模量隨應(yīng)力的發(fā)展變化情況，反映土體加卸載過程中的非線性力學(xué)特征。同時，也考慮了土體的壓縮硬化和剪切硬化，模型中引入了屈服帽，并通過輸入卸載/重加載剛度Eur考慮了基坑開挖過程中的卸荷影響。忽略冠梁頂部掛網(wǎng)噴護(hù)的荷載，放坡則通過施加12.5 kPa的等效荷載代替；采用軟件中內(nèi)置的“錨建模助手”分別設(shè)置了錨索的起始位置、角度、灌漿長度及預(yù)應(yīng)力；最后，采用生死單元的方法模擬土層的開挖過程，模型中各材料主要力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各材料主要物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Main physical and mechanical parameters of each material

2.3 基坑降水開挖過程模擬方法

考慮降水滲流作用對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的變形影響，采用分層降水和分步開挖的方法模擬基坑開挖過程，具體施工步驟如下。

(1)地應(yīng)力平衡(不含排樁、旋噴樁、錨索等)，并位移清零。

(2)激活排樁及旋噴樁，并位移清零。

(3)開挖至-4 m,并激活第一道錨索，并在自由端施加180 kN預(yù)應(yīng)力。

(4)開挖至-6.5 m，并激活第二道錨索，并在自由端施加180 kN預(yù)應(yīng)力。

(5)降水至-9.2 m，開挖至-9.0 m 并激活第三道錨索，并在自由端施加180 kN預(yù)應(yīng)力。

(6)降水至-14 m，開挖至-13.7 m。

圖5為降水穩(wěn)定后基坑開挖至坑底地下水滲流路徑及水頭等值線圖。在未考慮旋噴樁的工況中，坑外水頭差相差較大，導(dǎo)致滲流速度遠(yuǎn)大于考慮旋噴樁的工況，且地下水直接通過圓礫層滲入坑內(nèi)；在考慮旋噴樁的工況中，坑外水頭差變化緩慢地下水滲流速度得到控制，地下水從排樁-旋噴樁止水帷幕底端繞流然后進(jìn)入到基坑內(nèi)部，延長了地下水滲流的路程降低了滲流速度；此可知若不采取隔水措施會導(dǎo)致地下水由透水層直接滲入基坑，導(dǎo)致施工困難和增加施工風(fēng)險。排樁-旋噴樁聯(lián)合止水帷幕改變了地下水滲流路徑，顯著影響了基坑滲流場分布降低滲流速度達(dá)到了隔水的效果，能保證施工質(zhì)量和安全。

圖5 考慮與不考慮旋噴樁作用下基坑滲流路徑及水頭變化對比Fig.5 The comparison of seepage path and water head of foundation pit under the action of jet grouting pile is considered or not

3 結(jié)果分析

3.1 有無局部止水帷幕基坑邊形

圖6為基坑開挖誘發(fā)的樁身水平位移曲線對比。由圖6(a)可知隨著基坑開挖深度的加大，基坑中的土方開挖卸荷和降水滲流加劇導(dǎo)致樁身向基坑內(nèi)略微側(cè)移；樁身在各施工階段最大水平位移分別為3.39、2.69、3.91、4.01、5.15、5.20、9.12 mm，由于基坑周邊存在較大車輛荷載及行人荷載導(dǎo)致各施工階段樁端發(fā)生的水平位移較大；隨著開挖到基坑底部樁身的最大位移處轉(zhuǎn)移到靠基坑底部位約-10 m處；三道錨索均有效的控制了樁身的側(cè)移，尤其在開挖至-4 m處激活的第一道錨索使樁身出現(xiàn)了明顯的反彎點；由圖6(b)可知無旋噴樁工況，有旋噴樁工況和現(xiàn)場實測工況樁身位移變化曲線趨勢基本吻合，3種工況樁身最大水平位移分別為11.3、9.12、8.87 mm，以現(xiàn)場實測作為參考，無旋噴樁的工況為現(xiàn)場實測值的127.40%，有旋噴樁的工況為現(xiàn)場實測值的102.82%，且有旋噴樁工況樁身最大水平位移較無噴樁工況減小了19.29%；可見旋噴樁的設(shè)置減小了樁身水平位移，反映了旋噴樁有一定擋土作用計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)更加吻合。

圖6 基坑開挖誘發(fā)的樁身水平位移曲線對比Fig.6 Comparison of horizontal displacement curves of piles induced by foundation pit excavation

圖7為基坑開挖誘發(fā)的樁后地表沉降曲線對比，由圖7(a)可知，隨著基坑開挖的深度的增加，地表沉降沿著水平方向和深度方向逐漸擴(kuò)散、增大；前期基坑開挖深度較小，受行人荷載和車輛荷載影響較為明顯在開挖至-6.5 m時曲線呈現(xiàn)W形凹槽，在行人荷載區(qū)域凹槽部分比車輛荷載曲線凹槽更淺，隨著基坑開挖深度增加滲流作用加劇，沉降受車輛荷載更明顯W形凹槽逐漸變?yōu)閂形凹槽，最大地表豎向位移出現(xiàn)在車輛荷載區(qū)域中部；無旋噴樁工況，有旋噴樁工況和現(xiàn)場實測工況的樁后地表沉降曲線變化趨勢基本吻合，3種工況地表最大沉降分別為6.83、5.26、5.51 mm，以現(xiàn)場實測作為參考，無旋噴樁工況為現(xiàn)場實測值的123.96%，有旋噴樁工況為現(xiàn)場實測值的95.46%，且有旋噴樁工況地表最大豎向位移較無考慮旋噴樁工況減小了22.99%，如圖7(b)所示?？梢娦龂姌兜脑O(shè)置能夠通過隔水減小地表沉降；根據(jù)樁后地表沉降曲線的分布情況，應(yīng)充分重視樁后行人及車輛荷載影響區(qū)域的沉降對周邊已經(jīng)有公路結(jié)構(gòu)的影響確保行車安全。

圖7 基坑開挖誘發(fā)的樁后地表豎向位移曲線對比Fig.7 Comparison of vertical displacement curves of ground surface behind piles induced by foundation pit excavation

3.2 后置止水帷幕基坑變形

傳統(tǒng)止水帷幕一般設(shè)置方法是將旋噴樁后置根據(jù)查閱相關(guān)規(guī)范設(shè)置距離，形成單一止水帷幕。為了分析與傳統(tǒng)止水帷幕相比局部止水帷幕對間接限制基坑周邊地表豎向變形及支護(hù)樁水平位移所發(fā)揮的作用。模擬了3種旋噴樁不同設(shè)置方式分別為局部旋噴樁后置單一止水帷幕(工況1)，旋噴樁后置單一止水帷幕(工況2)，排樁-旋噴樁聯(lián)合止水帷幕(工況3)與局部排樁-旋噴樁聯(lián)合止水帷幕(原工況)，如圖8所示。圖9為旋噴樁不同設(shè)置方式對基坑施工變形的影響。由圖9(a)可知工況1、2、3的樁身最大水平位移分別為11.00、9.14、8.15 mm，與原工況作對比，工況1增大20.6%，工況2增大了0.2%，工況3減小了10.85%；由圖9(b)可知，工況1、2、3樁后地表最大豎向位移分別為5.93、3.46、4.59 mm，與原工況作對比，工況1增大12.7%，工況2減小了40.3%，工況3減小12.54%；可見將局部旋噴后置單一止水帷幕無論是從控制樁身水平位移和樁后地表沉降的效果都是較差的。旋噴樁后置單一止水帷幕對控制樁后沉降的效果最好，對樁身水平位移的控制效果不明顯。排樁-旋噴樁聯(lián)合止水帷幕對控制樁身水平位移效果最好，同時也能較好地控制樁后沉降。

圖8 旋噴樁不同設(shè)置方式Fig.8 Different setting modes of jet grouting piles

圖9 旋噴樁不同設(shè)置方式對基坑施工變形的影響Fig.9 The influence of different setting ways of jet grouting pile on the deformation of foundation pit construction

3.3 局部止水帷幕入巖深度對基坑變形的影響

隨著基坑開挖的深度的增加，地層的初始地應(yīng)力平衡被破壞導(dǎo)致應(yīng)力重分布，同時樁后土壓力對旋噴樁側(cè)向擠壓會導(dǎo)致排樁-旋噴樁聯(lián)合止水帷幕發(fā)生側(cè)向位移，為保證止水帷幕結(jié)構(gòu)水平位移在安全范圍內(nèi)，對原施工嵌入深度(0.5 m)設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化，模擬了嵌入隔水層深度1、2、4 m 3種工況。當(dāng)增加旋噴樁嵌入深度時，3種不同的工況的滲流路徑均被延長，能夠更有效地起到止水作用。在旋噴樁嵌入深度達(dá)到4 m時，滲流路徑明顯更長，樁后總水頭差變化更緩滲流速度大大降低，如圖10所示。可知隨著旋噴樁的嵌入深度的增加排樁-旋噴樁聯(lián)合止水帷幕的止水效果更好。如圖11隨著旋噴樁嵌入深度的增加，地表沉降與樁身位移均減??；旋噴樁嵌入深度在0.5～2 m時，樁身水平位移及樁后沉降減小明顯；當(dāng)嵌入深度為2～4 m時，樁后地表沉降及樁身水平位移基本無變化，樁身最大水平位移減小至8.56 mm，樁后地表最大沉降減小至大約4.81 mm，相比原設(shè)置深度分別減小了6.14%和8.56%。

圖10 入巖深度加深后滲流路徑(嵌入深度為4 m)Fig.10 Percolation flow path after deepening rock penetration depth (embedding depth is 4 m)

圖11 旋噴樁嵌入深度變化對基坑施工變形的影響Fig.11 Influence of embedding depth of rotary jet grouting pile on foundation pit construction deformation

4 結(jié)論

(1)局部排樁-旋噴樁聯(lián)合止水帷的隔水作用改變了基坑滲流場，延長了地下水的滲流路徑降低了滲流速度，有效控制了因為降水發(fā)生的地表沉降，同時具有一定的擋土作用，達(dá)到了隔水的效果同時控制了樁身側(cè)移及地表沉降。

(2)傳統(tǒng)止水帷幕旋噴樁后置形成的單一止水帷幕，若只在含水層設(shè)置局部旋噴樁單一止水帷幕對樁身水平位移和樁后地表沉降控制效果均不大，而直接從地表打入隔水層形成的旋噴樁單一止水帷幕對樁身的水平位移控制較好，大幅度降低樁后沉降；局部排樁-旋噴樁聯(lián)合止水帷幕和排樁-旋噴樁聯(lián)合止水帷幕對控制樁身水平位移及樁后地表沉降均較好。

(3)當(dāng)將旋噴樁的嵌入深度加大時，排樁-旋噴樁形聯(lián)合止水帷幕的隔水效果更好；旋噴樁嵌入深度存在最優(yōu)值，取最優(yōu)值時能夠在減小樁身水平位移和樁后沉降同時降低施工難度節(jié)約工程費(fèi)用。

(4)建議在建筑群較多的地方采用排樁-旋噴樁聯(lián)合止水帷幕保證對原有建筑的影響降到最低，在保證地表沉降和樁身位移在安全范圍內(nèi)采用局部排樁-旋噴樁聯(lián)合止水帷幕。在建筑群少的地勢開闊處綜合考慮選用適合相應(yīng)基坑工程的最優(yōu)止水帷幕設(shè)置方式。