富水粉砂地層深基坑底部注漿加固數(shù)值模擬分析

晏 莉，楊海濤，崔云龍，呂超慧

(1.長沙理工大學土木工程學院，湖南 長沙 410114； 2.中鐵上海工程局第七工程有限公司，陜西 西安 712000)

改革開放以來，我國經濟建設取得了巨大的成就，經濟的發(fā)展直接促進了城市的發(fā)展。隨著城市化進程的加快，地下空間開發(fā)利用成為一個重要的研究課題。而這種地下空間如地鐵車站、超高層建筑、地下商業(yè)街等都需要考慮開挖深基坑工程。

近年來，國內外有許多富水軟弱地層開挖深基坑工程的實例[1-2]。由于富水軟弱地層土體的物理力學性質較差，地下水位高且水源補給充足，導致基坑施工過程中容易出現(xiàn)坑底涌水，給基坑本身和周邊環(huán)境的安全造成威脅。因此，實際施工過程中，需要對基坑底部進行加固處理，一方面可以提高軟土地層的力學性能，另一方面可以起到隔離地下水的作用[3-5]。Broms[6]利用有限元分析了基坑底部加固和未加固2種工況，得出基坑底部加固不僅能夠有效地控制基坑變形，還能減少對周邊環(huán)境的影響；李享松等[7]通過室內注漿材料試驗、現(xiàn)場注漿試驗，得到了富水砂卵地層中雙液注漿的合理參數(shù)及注漿孔距，并提出相應的注漿控制標準；李卓峰等[8]利用水泥攪拌樁對某軟土地區(qū)的地鐵基坑進行加固，結果表明地基加固能夠有效地控制基坑變形和地表沉降；丁勇春等[9]利用FLAC3D建立數(shù)值模型，分析了臨江基坑在坑內地基加固以及坑外潮位變化等施工條件下基坑變形及受力；夏夢然[10]通過Plaxis2D建立數(shù)值模型，分析了高壓旋噴注漿加固對軟土基坑施工變形的影響，并進一步優(yōu)化了注漿加固土層的厚度；胡奇凡等[11]通過對高壓旋噴注漿后的土層強度及滲透系數(shù)等進行現(xiàn)場測量，發(fā)現(xiàn)高壓旋噴注漿可以作為富水卵石地層加固和止水的輔助工法；Shirlaw等[12]基于工程實測數(shù)據(jù)驗證了噴射注漿板在基坑開挖過程中的加固效果；Goh[13]利用有限元分析方法研究了軟土地區(qū)基坑的基底隆起安全系數(shù)，并給出了基底注漿加固后的抗隆起安全系數(shù)計算公式。

綜上，目前對基坑加固的施工方法主要有高壓旋噴注漿、雙液注漿以及水泥土攪拌樁等。雙液注漿能夠較好地膠結土顆粒和填充土體孔隙，使土層的強度和抗?jié)B性顯著提高，然而當遇到地下水流速較快時，雙液注漿中的漿液需要較長時間凝固成形，注漿過程中漿液極易被水稀釋，從而使其未能滿足止水加固土層的效果。高壓旋噴注漿加固后的土層一般以塊狀結構為主，加固后的土層強度明顯提高，然而其空隙相對較大，密封性差，對地下水的阻隔效果不理想，且容易污染環(huán)境，成本相對較高。水泥攪拌樁利用水泥漿液與土體攪拌，通過相互咬合，使土體的強度明顯提高，抗?jié)B性顯著增強，然而其造價高且工期長，在工程上一般不作為優(yōu)先選擇的加固方案。

太原某地鐵車站試驗段富水粉砂地層深基坑工程因靠近汾河，地下水補給能力強且流速快，僅考慮一種注漿加固基底的方法，無法滿足施工要求，因此采用高壓旋噴注漿聯(lián)合雙液注漿對基坑坑底進行加固?？紤]到該新穎工法的加固效果及其原理尚不明確，且鮮有報道，本文采用三維數(shù)值計算軟件FLAC3D模擬基坑的加固、降水以及開挖，分析地基加固后對地下水滲流、基坑支護變形以及周邊地表位移的影響，并進一步對比分析基坑基底不加固和采用注漿加固的效果，以及不同土體彈性模量對基坑施工的穩(wěn)定性影響，以期為類似工程設計和施工提供參考。

1 工程概況

太原某地鐵車站試驗段基坑工程地處沿河地區(qū)，靠近河流，水源補給充足，地下水位在地表以下3 m。基坑底部土層以粉細砂為主，土層孔隙率高、滲透系數(shù)大、透水性較強，基坑開挖易發(fā)生涌水。

以車站基坑的中間部分作為試驗段進行基底注漿加固研究，如圖1所示(圖中H為基坑開挖深度)，試驗段基坑平面尺寸為50 m×22.1 m，最大開挖深度為18 m?；影踩燃墳槎墸黧w圍護結構采用地下連續(xù)墻+內支撐的形式，地下連續(xù)墻厚度為0.8 m，深度為25 m。基坑內設置了3道內支撐，第一道內支撐為混凝土支撐，其余2道為鋼支撐，支撐布設深度分別為-0.5 m、-7.2 m和-12.7 m。為了控制基坑變形，同時減少基坑開挖對周邊環(huán)境的影響，選用高壓旋噴注漿聯(lián)合雙液注漿對基坑底部進行注漿加固，加固范圍為基坑坑底以下2～7 m(圖1)。加固后土體28 d無側限抗壓強度qu≥0.8 MPa。

高壓旋噴注漿配合雙液注漿作為一種較為新穎的施工方法，其原理是首先利用高壓水鉆孔并對土層做切割破壞，然后將注漿管旋轉上升并進行漿液注射，形成防滲樁體。隨后通過雙液注漿中的水玻璃漿液和水泥漿液填充土層空隙，將松散的土顆粒進行黏結，從而達到注漿加固止水的目的?，F(xiàn)場基坑局部加固如圖2所示?？紤]到基坑周邊環(huán)境復雜，且基坑開挖深度較大，施工工藝復雜，在現(xiàn)場布設了監(jiān)測點(圖3)，主要監(jiān)測的內容包括：地下連續(xù)墻的水平位移、地表沉降以及地下水位變化。

圖2 基坑局部注漿加固平面示意圖(單位：m)

圖3 基坑監(jiān)測點平面布置(單位：m)

表1 基坑各土層物理力學參數(shù)

2 數(shù)值模型

2.1 模型建立及參數(shù)

為了解高壓旋噴注漿聯(lián)合雙液注漿的止水效果及對基坑變形的影響，對基坑試驗段進行數(shù)值模擬分析。試驗段平面幾何形狀為長方形，考慮其對稱性，選取1/2模型進行三維力學分析?；拥拈L度取其標準長度的1/2即25 m，寬度取基坑標準寬度22.1 m，深度取基坑開挖的實際深度18 m。為減少邊界效應的影響，根據(jù)相關文獻[14-15]的建議，基坑整體計算模型的尺寸取為120 m×85 m×50 m(圖4)。模型頂部邊界為自由邊界，底部采用位移約束，各側面限制法向位移。按照工程實際情況設置初始地下水位在地表下3 m。

圖4 數(shù)值模型以及幾何尺寸(單位：m)

車站區(qū)域位于太原盆地，地勢北高南低，高程漸變趨勢不明顯，因此假定地表為水平?？紤]實際地層分布，均視為水平成層土，從地表往下依次為：雜填土、粉質黏土、粉細砂、粉質黏土、黏質粉土、粉細砂、中砂，各土層均視為彈塑性體，具體物理力學參數(shù)見表1。坑內的3道水平支撐采用梁單元進行模擬，支護結構的物理力學參數(shù)見表2?，F(xiàn)場加固后的土層土芯取樣表明聯(lián)合注漿加固可以很好地將軟弱松散的粉細砂黏結成形，且注漿加固區(qū)域的土層物理力學參數(shù)大致相同?；谕列救咏Y果和學者的建議[16-17]，最終將注漿加固土層視為均質土層，其本構模型采用摩爾-庫倫理想彈塑性模型。根據(jù)現(xiàn)場試驗和前人的總結[9,18]，加固土體的彈性模量取為200 MPa，黏聚力為0.2 MPa。地下連續(xù)墻則視為線彈性體，原設計地下連續(xù)墻和混凝土內支撐均采用C30號混凝土，考慮施工因素對混凝土的影響，對其彈性模量進行折減，彈性模量取為24 GPa，泊松比取0.2，容重取為25 kN/m3。

表2 支護結構物理力學參數(shù)

2.2 計算工況和施工模擬分析

數(shù)值計算模擬整個基坑的實際施工過程，將未施工之前的階段定義為初始階段。由于土體在自重應力作用下，會產生一定的變形，因此，在模擬基坑開挖之前，先將自重產生的位移和速度清零[9]。另外，由于注漿加固、地下連續(xù)墻施工等都會使地層產生一定的位移和變形，而本文主要重點關注基坑降水和開挖后對基坑本身以及周邊環(huán)境的影響。因此，在數(shù)值計算中需要將注漿加固、地下連續(xù)墻施工產生的變形和位移也進行清零?；咏邓?、開挖以及架設內支撐在數(shù)值模擬中考慮為一個施工步驟，步驟1：設置土體的本構模型以及初始地下水位，定義邊界條件；步驟2：地下連續(xù)墻施工；步驟3：坑底地基加固，獲得基坑施工前的初始應力場(計算后位移清零)；步驟4：開挖至基坑深度-1 m處，施作第一道內支撐；步驟5：降水至-9 m，開挖至-8 m處，施作第二道內支撐；步驟6：降水至-15 m，開挖至-14 m處，施作第三道內支撐；步驟7：降水至-19 m，開挖至坑底-18 m處。

3 計算結果及分析

通過數(shù)值計算，可以得到各施工階段土體和支護結構的位移以及應力變化情況。因本文側重于分析基坑降水和開挖對周圍土體和支護結構的影響，故主要討論步驟5之后的計算結果。

由于該項目處于沿河地區(qū)，地下水位較高，通過設置滲流模式，模擬實際工程降水，使基坑每次開挖前的水位位于開挖面以下1 m處。由圖5可知，初始狀態(tài)時，基坑內外的水頭保持一致，孔隙水壓力呈水平分布?；咏邓戤吅?，基坑內的孔隙水壓力為零，坑內保持干燥狀態(tài)，可以看到基坑內外最終形成一個“降水漏斗”的形狀，基坑外的孔隙水壓力與初始狀態(tài)相比變化較小。由圖6可知，現(xiàn)場坑內抽水井(SW1和SW2)在施工過程中水位下降明顯，到7月7日，兩口抽水井的水位均在地表以下27 m，表明基坑內的水位已滿足設計要求，與此同時坑外的4口觀測井(GC1、GC2、GC3和GC4)水位在地表以下5 m，相比初始水位僅下降了2 m，表明坑內的降水對基坑外的地下水位影響較小，坑外的地下水只發(fā)生了部分滲流，地下水位下降緩慢。對比現(xiàn)場抽水試驗和數(shù)值結果可知，坑內的地下水位下降迅速，而坑外的水位變化并不大，表明利用地下連續(xù)墻、止水帷幕及聯(lián)合注漿加固基坑底部，可以有效阻止坑內外地下水發(fā)生滲流，二者的最終結果說明計算模擬地下水抽水與現(xiàn)場情況基本保持一致，表明了三維有限差分模型的合理性。

圖5 基坑孔隙水壓力變化云圖

3.1 滲流場

圖6 基坑地下水實測變化

3.2 地下連續(xù)墻的側向位移

選取地下連續(xù)墻CX13測線(圖3)位置作為數(shù)值計算結果的觀測斷面。圖7為基坑開挖過程中，不同施工階段地下連續(xù)墻測線上各點的水平位移計算值和對應的現(xiàn)場監(jiān)測斷面CX13的實測值。

圖7 不同施工階段地下連續(xù)墻側向位移曲線

由圖7可知，隨著基坑開挖深度的加深，地下連續(xù)墻的水平位移不斷增加，當基坑開挖至坑底時，基坑最大水平位移計算值為22.1 mm，實測值為20.5 mm，并且隨著開挖深度的增加，水平位移最大值也隨之不斷向下移動，整個施工過程中，側墻最大水平位移主要在開挖深度的1/2至2/3處變化。因此在實際工程中，需要加強對該區(qū)段的支護和監(jiān)測，如提高內支撐剛度、增加監(jiān)測范圍等一系列措施，減少該區(qū)段側墻的變形。通過對比分析計算值與實測值可知，CX13點處的地下連續(xù)墻水平位移實測值與計算值在不同施工階段沿地下連續(xù)墻深度方向整體變形形態(tài)基本保持一致，每個施工步驟下地下連續(xù)墻側向位移曲線都呈現(xiàn)出兩頭小、中間大的拋物線形式，但數(shù)值大小有一定的差異。然而從工程應用的角度而言，此類差異完全可以接受。地下連續(xù)墻在其嵌固深度范圍內的水平位移基本保持不變，表明了地下連續(xù)墻在其嵌固段范圍內發(fā)揮了良好的作用，保證了基坑開挖的穩(wěn)定。

3.3 坑外地表沉降

選取地表沉降DB6測線位置(圖3)作為數(shù)值計算結果的觀測斷面。基坑開挖過程中，不同施工步驟下地表沉降測線上各點的地表沉降計算值和現(xiàn)場觀測點(DB6-1、DB6-2和DB6-3)的地表沉降值如圖8所示。

圖8 坑外地表沉降曲線

由圖8可以看出，當基坑開挖至坑底時，其地表沉降達到峰值14.8 mm，地表最大沉降出現(xiàn)在距離基坑壁5～10 m范圍內，在整個基坑施工過程中，地表沉降最大值發(fā)生的位置基本保持不變。基坑周邊地表沉降呈“凹槽”形狀，即表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，當坑外地表沉降達到最大值時，隨著距基坑壁邊緣的距離增加，地表沉降迅速減少，基坑開挖對周邊地表變形的顯著影響區(qū)域主要在1倍開挖深度范圍內，在變形顯著區(qū)域范圍內，應當充分重視地表不均勻沉降對周圍建筑物及地下管線安全的影響，當距離超過1倍開挖深度時，基坑對周邊影響迅速減少，這是由于基坑底部采用高壓旋噴注漿聯(lián)合雙液注漿，從而使得基坑底部土層的滲透系數(shù)較小，止水密封的效果好，基坑坑內的疏干降水只引起坑外水位發(fā)生微小變化，其孔隙水壓力變化不大。因此在實際工程中，為了確?；娱_挖的施工安全同時減少對周邊環(huán)境的影響，可以選擇注漿加固基底的方式，改良土體的性質，確保施工的安全。地表沉降實測值和計算值有一定的差異性，主要考慮到現(xiàn)場測點數(shù)量偏少，且數(shù)值模擬施工步驟與實際具有一定差異，但從3組實測數(shù)據(jù)看，計算值與監(jiān)測值具有較高的吻合度，且二者的沉降曲線基本保持一致。

綜上所述，無論是地下連續(xù)墻的水平位移還是坑外的地表沉降，各點的計算值均在實測數(shù)據(jù)附近，相對誤差未超過15%，且實測值變化趨勢與計算值基本保持一致，表明了三維有限差分模型的合理性。

4 深基坑注漿效果對比分析

通過對現(xiàn)場加固土層取芯檢驗可以得出以下結果：加固后的土層物理力學參數(shù)得到明顯改善，如彈性模量、抗剪及抗拉強度等，并且具有良好的防滲性。為更好地了解高壓旋噴聯(lián)合雙液注漿加固地基方式對基坑開挖穩(wěn)定性的影響，選取坑底加固土體的彈性模量E分別為50 MPa、100 MPa、200 MPa以及坑底無加固措施，共建立4個數(shù)值計算模型。在此節(jié)中地表沉降測線和地下連續(xù)墻的測線與上一節(jié)中所述相同。

4.1 坑外地表沉降對比

通過數(shù)值計算分別得到未加固基坑底部和加固基坑底部后土體不同彈性模量的4種工況下基坑全部開挖后地表沉降值，如圖9所示。

圖9 不同工況下坑外地表沉降對比曲線

由圖9可知，注漿加固工況的地表沉降都呈現(xiàn)出典型的“凹槽”形狀，即隨著與地下連續(xù)墻的距離增大，地表沉降表現(xiàn)為先增大后減小的變化趨勢，3種加固工況下最大沉降都發(fā)生在距離基坑壁5～10 m范圍，其最大值分別為14.8 mm、17.5 mm和20.2 mm，且最大位移的位置基本保持不變。對比3種加固工況可知，當土體彈性模量達到一定值時，提高土體的彈性模量對地表沉降的影響甚微，因此在實際工程中，不能盲目增加水泥摻入比，以免造成浪費?；拥孜醇庸虝r，其地表沉降曲線并非呈現(xiàn)出典型的“凹槽”形變化，在距地下連續(xù)墻約1倍開挖深度時，坑外地表沉降達到最大值(33.6 mm)，并隨著與地下連續(xù)墻的距離增加，地表沉降逐漸減小，然而其減小速度十分緩慢，距地下連續(xù)墻50 m處的地表沉降為27.5 mm，僅比最大沉降值減小6.1 mm，而加固后的地表沉降在距地下連續(xù)墻50 m處時，地表沉降幾乎為零，可以看出，基坑底部未注漿加固對地表沉降的影響范圍更廣，主要原因是：基坑底部未注漿加固，在基坑施工過程中，坑外地下水向基坑內滲流，導致坑外的地下水位產生較大的變化，引起坑外土體的有效應力減少，從而產生固結沉降?；拥撞客ㄟ^聯(lián)合注漿加固后，土體彈性模量不僅得到了明顯的提高，其抗剪、抗拉強度及抗?jié)B能力也得到了明顯改善。由此可見注漿加固基底的方式，可以改良土體的性質，降低對周邊環(huán)境的影響，并減少影響范圍，確保施工的安全。

4.2 基坑坑底隆起對比

選取基坑底部DB6測線位置(圖3)作為數(shù)值計算結果的觀測斷面，考慮到基坑底部沿中心兩側隆起對稱分布，因此僅取基坑底部寬度的1/2作為分析對象。由圖10可知，基坑底部注漿不僅可以起到止水作用，還可以顯著提高土體的力學性質；坑底加固時的回彈隆起量明顯小于未加固時。坑底地下連續(xù)墻附近的底部隆起最小，并沿坑底向中心增大，最大值都發(fā)生在基坑的對稱面上。在對稱面上，加固后的基坑坑底回彈量最大值分別為33.2 mm、38.4 mm和44.1 mm，而未加固基坑坑底回彈量達到62.7 mm。未加固工況下的底部土層抗?jié)B性較差，坑外地下水通過底部土層進入坑內，對基坑底部產生向上的滲透力，從而導致基坑底部隆起值明顯高于注漿加固后的工況。注漿加固后的坑底隆起分別減少了47%、39%和30%，說明注漿加固后的土體能夠很好抑制基坑隆起變形，并且可以看到加固后土體彈性模量越大，抑制坑底隆起變形的效果越明顯。未加固工況在墻趾附近時，其隆起變形達到43.1 mm，墻趾附近的隆起過大，會引起地下連續(xù)墻發(fā)生破壞，因此為確保基坑開挖過程中地下連續(xù)墻的穩(wěn)定，考慮對基坑底部進行注漿加固十分必要。

圖10 基坑底部隆起變形量

4.3 地下連續(xù)墻水平位移

由圖11可知，加固土體彈性模量為200 MPa、100 MPa、50 MPa時對應的地下連續(xù)墻最大水平位移分別為22.1 mm、24.2 mm和26.7 mm，而未注漿加固工況下水平位移最大值為40.2 mm，加固后地下連續(xù)墻最大水平位移分別減少55%、60%及66%，說明注漿加固能夠有效控制地下連續(xù)墻的水平位移。對比3種加固工況可以看出，當加固土層的彈性模量達到一定強度后，提高土體的彈性模量后地下連續(xù)墻的水平位移變化較小。4種工況下的地下連續(xù)墻水平位移都呈現(xiàn)兩端小、中間大的拋物線形式。在基坑深度0～10 m范圍內，4種工況的地下連續(xù)墻水平位移相差不大，距離地表10～25 m時，注漿加固工況與未加固工況的地下連續(xù)墻水平位移相差較大。主要因為該范圍基坑開挖深度較大，地下連續(xù)墻兩側產生較大壓力差，土體向基坑內發(fā)生水平變形，由于加固后的土體彈性模量明顯提高，能夠較好地抑制底部隆起，從而減少兩側土體向基坑內側發(fā)生變形，而未加固工況基底以下土體為富水粉砂地層，土層物理力學參數(shù)較差，底部隆起過大，未能較好地約束地下連續(xù)墻的側向變形。因此在實際工程中，為了避免地下連續(xù)墻出現(xiàn)“踢腳”式破壞，應對基坑坑底進行注漿加固處理。

圖11 不同工況下地下連續(xù)墻水平位移

5 結 論

a.基坑施工過程中，坑內地下水位下降迅速，坑外水位變化不大，表明利用地下連續(xù)墻、止水帷幕及聯(lián)合注漿加固基坑底部，可以有效地阻止坑內外地下水發(fā)生滲流。

b.地基注漿加固后，水位降低條件下進行深基坑開挖，地下連續(xù)墻側向變形表現(xiàn)出中間大，兩端小的特征，并隨著開挖深度增加，地下連續(xù)墻的水平位移隨之增大，整個施工過程地下連續(xù)墻最大水平位移出現(xiàn)在開挖深度的1/2至2/3處。因此在實際工程中，需要加強對該區(qū)段的支護和監(jiān)測，確保施工安全。

c.基坑注漿加固后，降水開挖引起的坑外地表沉降曲線呈現(xiàn)為典型的“凹槽”形分布，且最大沉降點與基坑邊緣的距離在5～10 m內，基坑開挖對周邊地表變形的顯著影響區(qū)域主要在1倍開挖深度范圍內，在現(xiàn)場施工過程中，應充分重視此范圍內土層不均勻沉降對周圍建筑物或地下管線的影響。另外由于聯(lián)合注漿加固后的土層物理力學參數(shù)得到明顯改善，且抗?jié)B性顯著增加，因此基坑開挖影響范圍小于2倍開挖深度。

d.相對未加固工況而言，采用高壓旋噴注漿聯(lián)合雙液注漿對地基進行加固，可以有效地減少施工對基坑變形以及周邊環(huán)境的影響。注漿加固土層在其他物理力學參數(shù)相同的條件下，提高土體的彈性模量能夠顯著地抑制坑底隆起變形，然而對坑外的地表沉降及地下連續(xù)墻水平位移影響并不大，因此在實際施工過程中，不能盲目地增大水泥摻入比，以免造成浪費。