深基坑水平封底在富水深厚砂層的加固效果

尚 桌，葛忻聲，王菁悅，張 念

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024)

當基坑坑底以下有承壓水的砂性土層時，坑底土層要被承壓水頂托上抬，產(chǎn)生破壞性隆起。甚至被承壓水頂破涌砂，造成基坑坍塌。當坑底地基土不能滿足抗承壓水安全要求時，實際工程中常常采取滿堂注漿封底并配合降水井減壓來保證安全施工[1-2]。

本工程區(qū)域砂層較厚，基坑封底區(qū)與地連墻組成新的支護體系后，兩者如何影響基坑變形的研究較少。本文通過有限元模擬與實際工程作比較，系統(tǒng)地分析封底加固在不同加固厚度、不同加固位置及降水深度對基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的影響。

1 工程概況

太原某地鐵車站區(qū)間采用明挖法，明挖段基坑開挖長度約為240 m，開挖寬度約為13 m，開挖深度約為16.6 m，地下水位為地下4 m。基坑周邊建筑物及地下水管線眾多。周邊環(huán)境較為復(fù)雜?；?xùn)|西兩側(cè)以6層磚混結(jié)構(gòu)居民樓為主，其中東側(cè)居民樓距離基坑最近15 m左右，基坑西側(cè)居民樓距離基坑最近距離22 m左右。且基坑兩側(cè)管線眾多，故本基坑開挖對周邊環(huán)境影響不能太大。

本基坑土層分布及支護結(jié)構(gòu)如圖1所示，基坑設(shè)計采用0.8 m厚地連墻加三道Ф800 mm壁厚16 mm鋼管支撐作為支護方式。地下連續(xù)墻采用柔性鎖口管接頭，墻長25.9 m，嵌固深度9 m.

圖1 土層分布及支護結(jié)構(gòu)Fig.1 Soil distribution and supporting structure

由于地連墻未能隔斷中砂層，故圍護結(jié)構(gòu)為懸掛式止水，使基坑內(nèi)外水系聯(lián)通，對于基坑開挖施工極其不利。同時，車站底板位于中砂層上層的粉細沙層。實際施工時，在未對基坑底部滿堂加固就進行坑內(nèi)降水施工時，當坑內(nèi)水位降至12 m時，坑內(nèi)外水頭差就超過10 m.承壓水的存在，在沒采取降壓等措施的情況下進行基坑開挖，在很大程度上會導(dǎo)致基坑涌水、涌砂，不能保證基坑安全施工，必須采取安全可靠的處理措施。因此對基坑底板以下4 m范圍內(nèi)進行注漿堵水帷幕封底加固。注漿堵水帷幕封底加固采用分區(qū)進行，每區(qū)域長度控制在25 m到35 m左右，共分8塊區(qū)域。區(qū)域之間采用3排高壓旋噴，形成連續(xù)墻。注漿工藝采用漸進式差別化同步動態(tài)注漿方案，同步注多孔(4-8孔)，使地層形成一個整體，還能有效防止?jié){液流失，提高注漿效果。施工順序采用一個方向推進的方案，每個區(qū)域又采用模塊式推進，注漿時做到同步、同位、均勻注漿。

2 有限元模型

2.1 數(shù)值模擬模型

采用Midas GTS有限元軟件對實際工程進行1∶1三維建模?；娱_挖長度為240 m，開挖寬度為14 m，開挖深度為16.6 m.根據(jù)前期學(xué)者研究[1]，砂土地區(qū)基坑開挖的影響范圍一般為1～4倍開挖深度。現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，距離基坑50 m外變形值趨于穩(wěn)定。為防止邊界效應(yīng)，基坑開挖區(qū)域向外擴展50 m作為模型總區(qū)域。模型總長度340 m，總寬度114 m，總深度60 m.對于基坑兩側(cè)的周邊建筑物，以模型沿長度方向基坑兩側(cè)15～20 m范圍內(nèi)每層建筑物施加20 kPa的均布荷載進行簡化模擬。具體模型見圖2.

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

地連墻采用二維墻單元，考慮到實際施工缺陷，為其強度取0.8的折減系數(shù)。不考慮地下連續(xù)墻的透水性，為其添加界面單元。內(nèi)支撐采用一維梁單元。計算模型共計52 423個單元，并對基坑附近網(wǎng)格進行加密處理。

2.2 參數(shù)選取

計算模型采用修正摩爾庫倫模型。修正摩爾庫倫模型是一個可以模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型的土體行為的雙硬化(壓縮硬化和剪切硬化)彈塑性模型[12-13]。根據(jù)勘察報告，具體土體力學(xué)參數(shù)見表1.加固區(qū)土體力學(xué)參數(shù)對于計算結(jié)果影響很大，表2列出了其他學(xué)者計算加固體時用到的參數(shù)。水平封底加固過程通過軟件中屬性改變來實現(xiàn)。

表1 土層力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameter of soil layer

表2 加固體力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameter of reinforcement

2.3 邊界條件

在本模型中，粉細砂、中砂屬于承壓水層，并在其四周設(shè)置 “節(jié)點水頭”模擬降水邊界。將粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、加固后土體及地下連續(xù)墻視為隔水層。采用“節(jié)點水頭”設(shè)置滲流邊界條件?？紤]到周圍水源補給，為更貼近實際施工，邊界水頭設(shè)置在粉細砂層、中砂層四周。

2.4 分析步設(shè)置

對模型進行分析。分析步驟為：1) 初始滲流場分析：激活所有土體單元及降水前水頭，分析初始滲流場；2) 初始位移場分析：激活土體位移邊界及土體自重，分析初始地應(yīng)力，并進行位移清零，消除初始地應(yīng)力對變形結(jié)果的影響；3) 地下連續(xù)墻及加固區(qū)施工：激活地下連續(xù)墻單元和不透水界面單元，以及對加固區(qū)對應(yīng)土體改變屬性為加固體材料參數(shù)；4) 第一次開挖：鈍化第一層開挖土體，并激活冠梁和第一道內(nèi)支撐。開挖至地下2.6 m；5) 第一次降水：鈍化基坑內(nèi)開挖前水頭，并激活水頭邊界和第一次降水后水頭坑內(nèi)水位降至地下8.7 m.以此類推，分步開挖至地下8.2、13、16.6 m.

在懸掛式止水帷幕的基礎(chǔ)上。改變封底加固層厚度(分別取1、2、3、4、5、6、7、8、9 m)、加固區(qū)位置(分別為基底以下0、1、2、3、4、5、6 m)及降水深度(降至坑底下0.5、1、2、4、6 m)，對上述多種工況進行模擬計算。分析不同組合下的封底效果。

2.5 數(shù)值計算與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

通過模擬原工況(封底加固4 m)注漿封底，結(jié)果得到地下連續(xù)墻最大側(cè)位移為32.29 mm、地表最大沉降30.18 mm、墻頂水平位移9.7 mm和坑外水位下降約3.6 m.與現(xiàn)場實測地下連續(xù)墻最大位移31.88 mm、地表沉降平均值29.96 mm、墻頂水平位移10.1 mm和坑外水位下降3.98 m相比差距較小。認為建立的模型正確如圖3所示。

圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)及模擬數(shù)據(jù)的對比Fig.3 Comparison of monitoring data and simulation data

3 封底加固計算分析

3.1 封底加固效應(yīng)分析

為探究封底加固的效果，對封底加固和未封底加固兩種工況進行數(shù)值模擬，封底加固區(qū)位于基底以下4 m(原工況)。計算結(jié)果如圖4所示。

由圖4知，以地連墻最大側(cè)位移、地表最大沉降和基底最大隆起作為評價指標。封底加固后，地連墻最大側(cè)位移、地表最大沉降和基底最大隆起分別為34.29、30.18、28.4 mm.對比未加固工況，三者變形量均減少約50%.由圖4(a)知，未封底加固時，地下連續(xù)墻在最大側(cè)位移位于墻頂下1.01h(h：開挖深度；h=16.6 m)深度處。封底加固后，最大側(cè)位移發(fā)生在墻頂下0.9h深度處。地連墻最大側(cè)位移發(fā)生位置向上移動。由圖4(b)知，不論封底加固與否地表沉降均呈凹槽形沉降。未封底加固和封底加固地表最大沉降發(fā)生位置分別在墻后0.5h和0.55h處，封底加固后地表最大沉降位置距離墻體更遠。本基坑屬于長條形基坑，由圖4(c)知，基底隆起特征為中部隆起最大。綜合對比，封底加固能有效減小基坑變形，減小基坑開挖對周邊環(huán)境的影響。

圖4 加固效果對比Fig.4 Comparison of reinforcement effect

3.2 加固厚度分析

封底注漿加固能明顯減少地連墻最大側(cè)位移、地表最大沉降和基底最大隆起。選取加固厚度分別為1、2、3、4、5、6、7、8、9 m共9種工況，分析不同加固厚度下基坑變形控制效果。開挖后地下連續(xù)墻插入深度為9 m，加固區(qū)均在地連墻嵌固范圍內(nèi)，計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同加固厚度下基坑變形Fig.5 Deformation of foundation pit under different reinforcement thickness

由圖5可知，當加固厚度大于3 m，相比未加固工況，變形控制約減少45%。且地連墻最大側(cè)位移、地表最大沉降和基底最大隆起均滿足規(guī)范對于一級基坑變形控制要求，而加固厚度大于5 m后，再加大封底加固厚度則變形量趨于穩(wěn)定，對于變形控制效果增大不明顯。通過對比，封底加固厚度在3～5 m之間加固效果明顯。再加大封底加固層厚度對施工成本控制不利。經(jīng)濟的加固厚度折算后約為基坑開挖深度的18%～30%.

3.3 加固位置分析

通過前邊模擬結(jié)果可知，合理加固厚度在3～5 m之間。分析不同加固位置加固的加固效應(yīng)時，分別采用加固厚度為3、4、5 m進行模擬計算?；滓韵挛撮_挖土層總厚度為9 m.以加固厚度3 m為例，可從基底以下0、1、2、3、4、5、6 m開始封底。封底加固區(qū)始終在地連墻嵌固深度范圍內(nèi)，即提高被動區(qū)土體的力學(xué)性能。具體加固組合形式如表3所示，共模擬分析18種工況，計算結(jié)果如圖6所示。

表3 注漿加固位置Table 3 Jet grouting position

圖6 不同加固厚度在不同加固位置基坑變形Fig.6 Deformation of foundation pit with different reinforcement thicknesses at different reinforcement locations

由圖6可知，隨著加固區(qū)下移，三者變形量也隨之增大。不同加固厚度下，改變封底加固位置變形規(guī)律是一樣的。以加固厚度4 m(原工況)為例，由圖6(b)知，封底加固區(qū)每向下移動1 m，地連墻最大側(cè)位移增加約1.41 mm，地表最大沉降增加約1.91 mm，基底最大隆起增加約1.86 mm.但是變形量隨著加固區(qū)下移有變緩的趨勢。這是由于注漿加固有效改善被動區(qū)土體力學(xué)參數(shù)，相當于在圍護結(jié)構(gòu)下設(shè)了一道支撐，基底以下未加固土體與加固土體力學(xué)性能差距很大。對于本工程地下連續(xù)墻，最大側(cè)位移發(fā)生在第三道支撐和基底之間，封底使基坑支護結(jié)構(gòu)被動區(qū)產(chǎn)生較大抗力。隨著這一抗力的向下移動，更多的土壓力作用于第三道支撐和加固區(qū)墻體之間，因而變形量呈增大的趨勢。

綜合對比上述同一加固厚度在不同加固位置基坑變形控制的影響，封底加固體的位置對控制基坑變形作用比較顯著。故在實際施工時，在同樣的加固條件下，依據(jù)注漿工藝、上部結(jié)構(gòu)形式等實際情況，加固區(qū)宜從基坑底部以下開始注漿加固。

3.4 降水深度分析

注漿封底加固后，加固區(qū)與地下連續(xù)墻組合成一個像“水槽”一樣的結(jié)構(gòu)，割斷了基坑內(nèi)外水系聯(lián)系，由于承壓水的存在，坑底承受較大的水壓力，如果不配合降水減壓就進行開挖施工，會導(dǎo)致坑底隆起值較大，嚴重至不足以抵抗坑內(nèi)承壓水頭時，甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞。因此探究不同降深下“水槽”結(jié)構(gòu)受力及變形是有必要的。以加固厚度4 m(原工況)進行模擬不同降水深度下的變形控制和止水效果，降水深度分別為降至坑底以下0.5、1、2、4、6 m.計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同降水深度下基坑變形Fig.7 Foundation pit deformation under different precipitation depths

由圖7知，隨著降水深度的增加，基坑降水引起的地表最大沉降和地連墻最大側(cè)位移都有所增大，但基底最大隆起值呈減小趨勢。由圖7(a)知，隨著降水深度的增加，地下連續(xù)墻最大側(cè)位移逐漸增大。降水深度從坑底以下0.5 m增加到6 m，最大側(cè)位移從34.29 mm增加到37.54 mm.降水深度對地連墻變形影響較小。這是由于降水深度越大，坑內(nèi)外水頭差越大,地下水對地下連續(xù)墻的壓力就越大。降水深度越大，又會引起坑底土體大范圍的孔隙壓力消散，該部分土體有效應(yīng)力增加，減小了該部分墻體兩側(cè)的壓力差。綜合分析，降水深度增加導(dǎo)致地連墻側(cè)位移增大，但影響作用較小。由圖7(b)知，隨著降水深度的增加，地表沉降都發(fā)生凹槽形沉降,且沉降量越來越大。這是由于降水導(dǎo)致坑內(nèi)外水頭差變大，降水深度越大，滲流速度和滲透力越大。上述變化都導(dǎo)致地面沉降變大。降水至基底以下4 m后，地表沉降值不符合規(guī)范對于一級基坑變形要求。由圖7(c)知，隨著降水深度的逐漸增加，坑底隆起量逐漸降低。當降水深度從坑底以下0.5 m增加到6 m，最大隆起值從28.4 mm減小到14.94 mm.降水深度每增加1 m，最大隆起值減小約2.43 mm.這是由于降水越深，封底加固體承受的壓力越小，且本工程地下連續(xù)墻底部是滲透系數(shù)較大的的砂性土層，坑內(nèi)降水對坑外地層產(chǎn)生排水固結(jié)影響較大，很大程度抵消一部分坑底隆起量。

綜合對比上述降水對基坑水平變形和豎向變形的影響，顯然降水減壓時對土體豎向變形的影響比較大。通過降水減小承壓水壓力水頭對地連墻最大側(cè)位移、地表最大沉降變形控制不利，但對控制坑底隆起破壞是有利的。

4 結(jié)論

本文以太原某地鐵車站區(qū)間基坑為背景進行建模分析，分析了封底加固厚度、加固位置和降水設(shè)置對基坑變形的影響。主要得到以下結(jié)論：

1) 工程采用的厚度為4 m的封底加固有效控制了基坑變形。地連墻最大側(cè)位移、地表最大沉降和基底最大隆起相比未加固時變形量減少約50%.

2) 封底加固厚度在3～5 m之間加固效果最明顯。合理的加固厚度為基坑開挖深度的18%～30%.

3) 隨著封底加固區(qū)的下移，地連墻最大側(cè)位移、地表最大沉降和基底最大隆起隨之增大。加固體的位置對基坑變形控制作用顯著。封底加固宜從基底開始加固。

4) 基坑封底后，隨著降水深度的增加，對地表沉降控制不利，對地下連續(xù)墻影響較小，但對控制坑底隆起破壞是有利的。當基底隆起較大時，可適當增大降水深度。降水深度不宜小于基底以下0.5 m，不宜大于基底以下4 m.