武漢軟土深基坑被動區(qū)加固參數(shù)優(yōu)化分析

胡 科，崔澤恒，鄧 濤，范毅雄，馮曉臘*，劉旭陽，任興偉

(1.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢430010;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

目前，大中型市政工程的深基坑工程具有以下特點(diǎn)：①基坑工程開挖面積大，開挖深度趨向超深基坑發(fā)展；②地下結(jié)構(gòu)凈空高，往往沒有統(tǒng)一標(biāo)高的樓板作為換撐條件；③市政基坑工程周邊環(huán)境復(fù)雜多樣，存在市政公用管道以及道路、橋梁、地鐵隧道等各類變形敏感的構(gòu)筑物，對基坑工程的變形控制提出了極高的要求；④部分濱江臨近湖泊、河道的市政工程，常分布有深厚軟土，工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜。

對于軟土地區(qū)的超深基坑，對基坑內(nèi)被動區(qū)土體進(jìn)行加固尤為重要，也是一種超前支護(hù)的方式。通過對基坑內(nèi)被動區(qū)土體進(jìn)行加固，不僅可以改善土體的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形和地面的沉降，而且可以增強(qiáng)坑底抗隆起變形的能力，防止被動區(qū)土體的破壞。特別是在軟土地區(qū)，常規(guī)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對深基坑開挖引起的位移控制非常有限，常常發(fā)生墻體位移過大，導(dǎo)致各種各樣的災(zāi)害事故發(fā)生。通過對基坑坑內(nèi)土體進(jìn)行加固，可以提高和改善基坑內(nèi)側(cè)土體的物理力學(xué)參數(shù)，從而達(dá)到控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的目的[1]。

1997年第14屆國際土力學(xué)與基礎(chǔ)工程會議上，Karlsrud[2]提出可以采用坑底加固來控制基坑變形，以提升基坑的穩(wěn)定性，從而避免因卸載導(dǎo)致基坑變形或沉陷、破壞。2003年2月在美國新奧爾良，美國土木工程學(xué)會(ASCE)和國際深基礎(chǔ)協(xié)會共同召開了第三屆注漿與地基加固國際會議，從參會的20多個國家學(xué)者所發(fā)表的127篇論文來看，基坑加固技術(shù)逐漸發(fā)揮了更加重要的作用[3-5]。

在我國上海、廣州、溫州、蘇州、福建等沿海城市和武漢軟土地區(qū)深基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形較大，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是該地區(qū)的地質(zhì)條件多為淤泥質(zhì)軟土，現(xiàn)有規(guī)范對于基坑內(nèi)被動區(qū)土體加固的思路和措施不統(tǒng)一，依照《湖北省基坑工程技術(shù)規(guī)程》(DB42/T 159—2012)[6]，基坑內(nèi)被動體區(qū)土主要采用實(shí)腹式階梯型加固形式，加固體寬度根據(jù)嵌固深度1.1～1.2倍確定，第一階加固體厚度不小于5～6 m；《上海市基坑工程技術(shù)規(guī)程》(DG/TJ08—61—2010)[7]規(guī)定，基坑加固體的深度不小于3 m，加固體寬度不小于基坑開挖深度的0.4倍，并不小于4 m。針對軟土地區(qū)深基坑被動區(qū)土體加固已有大量的研究，如鄭俊杰等[8]、康志軍等[9]、楊波等[10]、于至海等[11]分別研究了在軟土地區(qū)深基坑被動區(qū)土體抽條加固、滿堂加固、墩式加固、裙邊加固等不同土體加固形式的差異和對基坑變形的影響；屈若楓等[12]、馬隕等[13]提出了深基坑被動區(qū)土體階梯式加固的概念,并采用數(shù)值模擬的方法對其加固效果進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在武漢軟弱土層地區(qū)深基坑被動區(qū)土體階梯式加固形式相比其他加固形式具有明顯的優(yōu)勢及較強(qiáng)的適用性；侯新宇等[14]、劉溢等[15]分析了上海軟土地區(qū)深基坑被動區(qū)土體深層攪拌樁加固施工工藝對深基坑變形的影響；侯新宇等[16]采用土體卸載條件下的HS有限元模型,分析“僅主動區(qū)加固”“僅被動區(qū)加固”“主被動區(qū)加固”3種土體加固形式對深基坑變形的影響。此外，國內(nèi)學(xué)者對軟土地區(qū)深基坑被動區(qū)加固體的寬度和深度有效值也展開了研究[11-13，17-20]，發(fā)現(xiàn)對于具體深基坑工程被動區(qū)加固體的寬度、深度均存在有效域，超出該有效域范圍后加固效果不會出現(xiàn)顯著提升。如鄭俊杰等[21]基于K-L法生成了水泥土參數(shù)隨機(jī)場,并進(jìn)行了確定性與不確定性數(shù)值分析，研究了深基坑被動區(qū)加固土體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)變異性對軟土深基坑變形的影響。

目前研究成果主要集中于深基坑被動區(qū)加固體形式和加固體寬度和深度有效值值范圍的研究,對于加固體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的優(yōu)化研究較少，深基坑被動區(qū)加固體有效域取值評價體系還不夠完善。因此，本文以武漢市常青公園地下調(diào)蓄池軟土深基坑工程為例，通過PLAXIS 3D巖土有限元軟件建立基坑三維數(shù)模型對深基坑開挖的全過程進(jìn)行模擬，結(jié)合現(xiàn)場和室內(nèi)土工試驗(yàn)準(zhǔn)確測定土體物理力學(xué)參數(shù)，進(jìn)一步模擬探究深基坑被動區(qū)土體破壞變形的受力機(jī)理，優(yōu)化基坑被動區(qū)土體加固形狀和尺寸參數(shù)，以減小基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形和地表沉降，從而為類似基坑工程中加固體的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況與基坑支護(hù)方案

1.1 工程概況

常青公園地下調(diào)蓄池工程位于武漢市江漢區(qū)常青公園內(nèi)，該軟土深基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，基坑北側(cè)緊鄰江達(dá)路，常青高架橋位于基坑?xùn)|側(cè)，基坑北側(cè)及東側(cè)場地周邊市政電纜管網(wǎng)密布，基坑其余側(cè)為施工內(nèi)部道路，該基坑周邊環(huán)境如圖1所示。擬建工程場地地貌單元屬長江北岸Ⅰ級階地，地勢較平坦?；又ёo(hù)范圍為地下調(diào)蓄池箱體及進(jìn)水連通箱涵，基坑開挖面積約為18 000 m2，基坑普挖深度為11.5～14.7 m。

圖1 武漢市常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑周邊環(huán)境

1.2 工程地質(zhì)條件與巖土體結(jié)構(gòu)參數(shù)

目前關(guān)于基坑內(nèi)被動區(qū)加固體參數(shù)的取值主要基于數(shù)值模擬[8,15-16]和現(xiàn)場靜力觸探試驗(yàn)并結(jié)合部分經(jīng)驗(yàn)公式后的轉(zhuǎn)化值[22-23]。其中，已有研究[8,15-16]提出深層攪拌樁、壓密注漿和旋噴不同加固施工工藝下加固體參數(shù)；也有研究[22-23]通過現(xiàn)場靜力觸探試驗(yàn)獲得加固土體的錐尖阻力，再轉(zhuǎn)化為加固土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，而加固土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與其錐尖阻力呈線性相關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系加固區(qū)土體E50取60～154倍的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，加固土體的黏聚力取1/2～1/3的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，加固土體的內(nèi)摩擦角取值在20°～30°范圍內(nèi)。本次在該基坑加固區(qū)范圍內(nèi)取加固土樣12組，采用自動控制結(jié)構(gòu)面剪切儀通過巖石直剪試驗(yàn)(見圖2)獲得了加固土樣的強(qiáng)度指標(biāo)，數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表1。

圖2 加固土樣直剪試驗(yàn)

表1 加固土樣的強(qiáng)度指標(biāo)

表2 常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑地層和加固土參數(shù)

1.3 基坑支護(hù)方案

常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑開挖深度較大，軟土層覆蓋深厚，且周邊環(huán)境復(fù)雜，施工換撐條件復(fù)雜，故綜合設(shè)計(jì)選型，基坑支護(hù)采用排樁+一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，基坑底采用三軸攪拌樁裙邊加固，加固形式為矩形，加固體深度為11 m，加固體寬度寬為8.25 m，加固范圍為坑底2-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，加固體進(jìn)入下部砂層0.5 m。常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑支護(hù)平面圖、基坑加固區(qū)平面布置圖和基坑支護(hù)斷面圖，見圖3至圖5。

圖3 常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑支護(hù)平面圖

圖4 常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑加固區(qū)平面布置圖

圖5 常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑支護(hù)斷面圖

2 三維數(shù)值模型建立

PLAXIS 3D巖土有限元分析軟件具備強(qiáng)大的建模和分析功能，能夠模擬復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)和施工工況,并擁有豐富的可用以模擬巖土工程中土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)計(jì)算模型。本文將采用PLAXIS 3D軟件中土體硬化模型，由于該模型擁有大量具有不同特征的個體單元，如板塊單元、隧道單元、轉(zhuǎn)動處彈簧、接觸面Embedded樁體單元等,因此有利于軟件使用者對巖土工程中遇到的問題進(jìn)行模擬計(jì)算。

本研究利用PLAXIS 3D軟件建立的基坑三維數(shù)值模型尺寸為700 m×200 m×50 m(長×寬×深)，模型的頂面為自由邊界,側(cè)立面邊界水平方向位移為零,豎直方向允許發(fā)生位移,底面邊界任意方向的位移為零，其三維數(shù)值模型的網(wǎng)格劃分如圖6所示。所有土體均采用HS模型，基坑加固土體采用混凝土實(shí)體單元(見圖7)，本構(gòu)模型為HS模型。根據(jù)下式進(jìn)行剛度等效代換，則1.5 m@1.8 m的鉆孔灌注樁用1.3 m等厚的板來模擬。剛度等效代換的計(jì)算公式如下：

圖6 基坑三維數(shù)值模型的網(wǎng)格劃分圖

圖7 基坑加固土體實(shí)體單元圖

(1)

式中：D為支護(hù)樁直徑(m);t為支護(hù)樁間距(m);h為等效板厚度(m)。

通過界面強(qiáng)度折減因子Rinter對相應(yīng)土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減，Rinter取值均為0.7，以此來考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與相鄰?fù)馏w之間的黏聚力和內(nèi)摩擦角。第一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐采用梁單元模擬，內(nèi)支撐與支護(hù)樁之間用圍檁連接，圍檁采用梁單元模擬。常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑三維結(jié)構(gòu)模型如圖8所示。距離鉆孔灌注樁20 m范圍內(nèi)，添加25 kN/m2的均布面荷載模擬施工超載。關(guān)于地下水的處理，根據(jù)工程勘察報告,地下水水位設(shè)置為-8.57 m，工程場地上層滯水及賦存于砂土層中的孔隙承壓水采用減壓降水井+樁前懸掛止水帷幕方案，模型中設(shè)置地下水水位面以下每層土開挖前地下水水位降至開挖面以下1 m用于模擬降水井作用，樁-土接觸界面單元相應(yīng)深度設(shè)置為不透水用于模擬懸掛止水帷幕作用，由于工程場地內(nèi)的基巖裂隙水水位對樁基施工的影響不大，且整個工程在非汛期進(jìn)行施工，故建模時不考慮此影響。

圖8 常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑三維結(jié)構(gòu)模型圖

在土體地應(yīng)力達(dá)到平衡后，基坑開挖施工步驟見表3。

表3 基坑開挖施工步驟

3 數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測驗(yàn)證

3.1 基坑變形三維數(shù)值模擬結(jié)果與分析

常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑開挖至坑底時總位移云圖、垂直位移云圖以及基坑南、北側(cè)圍護(hù)樁體水平位移云圖，見圖9至圖12。

圖9 常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑開挖至坑底時的總位移云圖

圖10 常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑垂直位移云圖

圖11 常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑南側(cè)圍護(hù)樁體水平位移云圖

圖12 常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑北側(cè)圍護(hù)樁體水平位移云圖

由圖9至圖12可知：常青公園地下調(diào)蓄池工程基坑開挖至坑底總的最大位移發(fā)生在坑底處，位移值為31.74 mm(見圖9)；基坑坑底土體隆起最大位移為31 mm，坑外土體最大沉降量為20 mm(見圖10);基坑南側(cè)圍護(hù)樁體最大水平位移為13.19 mm，位于約-8.6m處(見圖11)；基坑北側(cè)圍護(hù)樁體最大水平位移為13.56 mm,位于約-7.8 m處(見圖12)。

由上述數(shù)值模擬結(jié)果可知：該基坑周邊道路地表沉降的影響范圍在20 m以內(nèi)；但基坑內(nèi)加固土體對控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和坑底塑性區(qū)沿樁身發(fā)展具有顯著的作用，進(jìn)而也會影響基坑底部的土體隆起，使得基坑圍護(hù)樁的變形極大值較開挖深度明顯上移[24]，從而驗(yàn)證了基坑內(nèi)加固土體對坑底土體力學(xué)性質(zhì)的提升和對塑性區(qū)發(fā)展的抑制作用。

3.2 模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果的對比驗(yàn)證

本研究在基坑開挖過程中同時布設(shè)了4條監(jiān)測斷面，選取不利斷面對基坑變形進(jìn)行監(jiān)測，其監(jiān)測內(nèi)容包括基坑周圍地表沉降、樁體水平位移(預(yù)埋測斜管)、基坑內(nèi)支撐軸力和深層土體水平位移，監(jiān)測周期為基坑開挖10 m前每周1～2次，基坑開挖10 m至坑底前每3天1次。常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑變形監(jiān)測斷面布置,見圖13。

圖13 常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑變形監(jiān)測斷面布置圖

本研究采用靜力觸探試驗(yàn)對基坑北側(cè)和南側(cè)各一組樁體水平位移和內(nèi)支撐軸力變化較大的兩條測線測線1和測線4進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證。常青公園地下調(diào)蓄池工程基坑南、北側(cè)圍護(hù)樁體水平位移和內(nèi)支撐軸力模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果的對比，見圖14和圖15。

圖14 常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑圍護(hù)樁體水平位移數(shù)值模擬值與監(jiān)測值的對比

圖15 常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑內(nèi)支撐軸力數(shù)值模擬值與監(jiān)測值的對比

由圖14可知：常青公園地下調(diào)蓄池工程基坑的圍護(hù)樁體水平位移模擬值與監(jiān)測值的趨勢近似，說明模擬得到的圍護(hù)樁體水平變形能夠反映基坑實(shí)際開挖過程中圍護(hù)樁體的水平變形情況；基坑南側(cè)圍護(hù)樁體最大水平位移模擬值為13.11 mm，位于約-8.2 m處，而此處最大水平位移監(jiān)測值為16.78 mm，位于約-9.5 m處；基坑北側(cè)圍護(hù)樁體最大水平位移模擬值為13.02 mm,位于約-7.8 m處，而此處最大水平位移監(jiān)測值為15.67 mm，位于約-8.5 m處；基坑南側(cè)圍護(hù)樁體的水平位移整體較北側(cè)大，且極值深度更大，這與現(xiàn)場施工中基坑南側(cè)作為進(jìn)出場主干道，施工荷載更大有關(guān)；同時基坑南、北側(cè)圍護(hù)樁體水平位移的模擬值均比監(jiān)測值小，考慮是施工過程中的現(xiàn)場復(fù)雜工況所致，如開挖過程中，基坑內(nèi)由局部施工挖土導(dǎo)致的二次堆土；基坑南、北側(cè)圍護(hù)樁體水平位移的變化曲線整體呈魚腹型，在坑頂處變化較小，這是因?yàn)橛袃?nèi)支撐和冠梁連接的作用，而其在距離基坑開挖深度近2/3處達(dá)到最大值[25]，到坑底加固處明顯開始收縮減小，說明加固體很好地起到了控制基坑變形的作用。

由圖15可知：常青公園地下調(diào)蓄池工程基坑內(nèi)支撐軸力模擬值與監(jiān)測值的變化趨勢基本一致，均隨著基坑開挖深度的增加而增大；基坑內(nèi)支撐軸力最大值出現(xiàn)在基坑開挖至基底處，為1 446 kN；內(nèi)支撐軸力模擬值和監(jiān)測值大小接近，綜合對比關(guān)鍵剖面基坑圍護(hù)樁體水平位移和內(nèi)支撐軸力的變化，發(fā)現(xiàn)模擬值與監(jiān)測值的變化規(guī)律基本一致，從而驗(yàn)證了數(shù)值模型模擬的合理性。

3.3 不同寬度的矩形加固對深基坑變形的影響

常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑實(shí)際采用深11 m、寬8.25 m的矩形剖面加固形式，本文固定加固體深度H=11.5 m，探究矩形加固體寬度B對基坑變形的影響。通過設(shè)置一系列加固體寬度梯度，以基坑圍護(hù)樁體水平位移、坑外地表沉降量和坑底土體隆起量來反映加固體的加固效果。

為了方便研究,本文引入加固體相對寬度的概念，即加固體相對寬度x=B/H。本文設(shè)置加固體寬度B=0.1H～2.0H，觀察不同加固體寬度下基坑圍護(hù)樁體水平位移、坑外地表沉降量和坑底土體隆起量的最大值，并探究基坑加固體寬度B的適宜范圍。不同加固體寬度下(加固體深度H倍數(shù)為橫軸)，基坑圍護(hù)樁體水平位移、坑外地表沉降量、坑底土體隆起量的最大值變化曲線，見圖16至圖18。

圖16 不同加固體寬度下基坑圍護(hù)樁體水平位移的變化曲線

圖17 不同加固體寬度下基坑坑外地表沉降量的變化曲線

圖18 不同加固體寬度下基坑坑底土體隆起量的變化曲線

由圖16至圖18可知，隨著基坑底加固體寬度的增加，基坑圍護(hù)樁體的水平位移、坑外地表沉降量、坑底土體隆起量的最大值整體均與加固體寬度大致呈負(fù)相關(guān)，即隨著加固體寬度的增加，圍護(hù)樁體的水平位移最大值和坑外地表沉降量最大值均整體下降而后逐漸穩(wěn)定，說明加固體在一定寬度范圍內(nèi)，隨著加固體寬度的增加，加固效果明顯，超出一定范圍后，加固效果增加不明顯；但坑底土體隆起量在一定范圍內(nèi)隨著加固體寬度的增加而降低，達(dá)到一定范圍后隨著加固體寬度的增加，坑底土體隆起量有增大的趨勢，這可能是隨著加固體寬度的增加，由于長矩形基坑的空間尺寸效應(yīng)，隨著基坑開挖坑內(nèi)外土壓力差的增大，兩邊加固土體的擠壓作用加劇了中間軟土的向上擠角，出現(xiàn)了“拱起效應(yīng)”[26]。

為了進(jìn)一步探究基坑加固區(qū)的合適取值范圍，本文選取上述基坑變形極值曲線中變化斜率較為適宜段，進(jìn)一步觀察該適宜段在不同加固體寬度梯度下基坑各個部位的變形情況。本文取加固體寬度B=0.5H(5.75 m)、0.6H(6.9 m)、0.7H(8.25 m)、0.8H(9.2 m)、0.9H(10.35 m)、1.0H(11.5 m)，得到0.5H～1.0H加固體寬度梯度下基坑圍護(hù)樁體水平位移、坑外地表沉降量、坑底土體隆起量的變化曲線，見圖19至圖21。

由圖19至圖21可知：在0.5H～1.0H加固體寬度梯度范圍內(nèi)，隨著加固體寬度的增加，加固體的加固效果增加明顯，基坑各項(xiàng)位移值均在《湖北省基坑工程技術(shù)規(guī)程》(DB42T 159—2012)中監(jiān)測預(yù)警值范圍內(nèi)，但加固體對限制基坑坑底土體隆起量的加固效果有逐漸減緩的趨勢。

圖19 0.5H～1.0H加固體寬度梯度基坑下圍護(hù)樁體水平位移的變化曲線

圖20 0.5H～1.0H加固體寬度梯度下坑外地表沉降量的變化曲線

圖21 0.5H～1.0H加固體寬度梯度下基坑坑底土體隆起量的變化曲線

3.4 不同深度的矩形加固對深基坑變形的影響

為了方便研究，本文以最經(jīng)濟(jì)適宜的加固體寬度0.7H為基準(zhǔn)，同樣引入加固體相對深度的概念，基坑相對深度y=D/H。設(shè)置加固體深度D=0.1H～2H，觀察不同加固體深度下基坑圍護(hù)樁體水平位移、坑外地表沉降量、坑底土體隆起量的變化規(guī)律，其結(jié)果見圖22至圖24。

圖22 不同加固體深度下基坑圍護(hù)樁體水平位移的變化曲線

圖23 不同加固體深度下基坑坑外地表沉降量的變化曲線

圖24 不同加固體深度下基坑坑底土體隆起量的變化曲線

由圖22至圖24可以看出：不同于引入的加固體寬度，在合理的加固體寬度范圍下，隨著加固體深度的增加，坑底土體的隆起量也隨之降低，但是隨著加固體深度的加大，基坑抑制土體隆起量的作用也會減緩，不會有“拱起效應(yīng)”；而圍護(hù)樁體的水平位移和坑外地表沉降量均隨著加固體深度的增大而減小。整體來看，加固體加固深度的增加對基坑圍護(hù)樁體水平位移的控制效果較好，但隨著加固體深度的增加，超過一定范圍后，加固體的加固效果增加緩慢。

綜合對比上述基坑變形曲線，選取曲線變化斜率較為適宜段，進(jìn)一步觀察該適宜段在不同加固體深度梯度下基坑各個部位的變形情況。本文取加固體深度D=0.8H、0.9H、1.0H、1.1H、1.2H、1.3H，0.8H～1.3H加固體深度梯度下基坑圍護(hù)樁體水平位移、坑外地表沉降量、坑底土體隆起量的變化曲線，見圖25至圖27。

圖25 0.8H～1.0H加固體深度下基坑圍護(hù)樁體水平位移的變化曲線

圖26 0.8H～1.0H加固體深度下基坑坑外地表沉降量的變化曲線

圖27 0.8H～1.0H加固深度下基坑坑底土體隆起量的變化曲線

由圖25至圖27可以看出：在0.8H～1.3H加固深度梯度范圍內(nèi)，圍護(hù)樁體水平位移、坑外地表沉降量和坑底土體隆起量均在《湖北省基坑工程技術(shù)規(guī)程》(DB42T 159—2012)中監(jiān)測值范圍內(nèi)，說明加固體的加固效果明顯；在此加固體深度范圍內(nèi)，隨著加固體深度的增加，基坑圍護(hù)樁體的水平位移、坑外地表沉降量和坑底土體隆起量均呈下降趨勢，且不同于增加加固寬度值，增加加固體深度不會引起基坑坑底土體的拱起回彈。

3.5 加固體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的敏感性分析

上述對基坑加固體尺寸參數(shù)進(jìn)行了研究，為了進(jìn)一步了解是否可通過提高加固土體物理力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)值來節(jié)約加固土體用量，本次以常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑為例，探究基坑加固體黏聚力、內(nèi)摩擦角、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對基坑變形的影響程度?；蛹庸虆^(qū)仍為裙邊式的矩形加固截面，加固體深度為11 m、寬度為8.25 m，加固體的黏聚力c為122 kPa、內(nèi)摩擦角φ為26°、壓縮模量E為61 MPa，通過設(shè)置不同的梯度參數(shù)，探究加固體物理力學(xué)性質(zhì)相關(guān)參數(shù)對基坑穩(wěn)定性的影響。

3.5.1 加固體黏聚力對基坑變形的影響分析

選取基坑加固體的內(nèi)摩擦角為26°、壓縮模量為61 MPa，通過設(shè)置不同梯度的加固體黏聚力(100 kPa、120 kPa、140 kPa、160 kPa、180 kPa、200 kPa)，觀察基坑各部位的變形情況，其中基坑圍護(hù)樁體水平位移最大值用ηmax、基坑周邊道路地表沉降值用Vmax、基坑坑底土體隆起量用Hmax表示，不同加固體黏聚力梯度下基坑各部位的變形值，見表4。

表4 不同加固體黏聚力下基坑各部位的變形量

對基坑各部位的變形量與加固體黏聚力的關(guān)系進(jìn)行了線性擬合，其結(jié)果見圖28。其相關(guān)系數(shù)R2分別為0.945、0.946和0.954。

圖28 基坑各部位的變形量與加固體黏聚力的關(guān)系擬合曲線

由圖28可知：當(dāng)加固體黏聚力從100 kPa增加到200 kPa時，基坑圍護(hù)樁體水平位移ηmax，基坑周邊道路地表沉降量Vmax和基坑坑底土體隆起量Hmax分別減小1.7 mm、2.34 mm和2.5 mm，說明在一定范圍內(nèi)加固體黏聚力的變化對基坑變形控制的影響不明顯。

3.5.2 加固體內(nèi)摩擦角對基坑變形的影響分析

選取加固體的黏聚力為122 kPa、壓縮模量為61 MPa，通過設(shè)置不同梯度的加固體內(nèi)摩擦角φ(20°、22°、24°、26°、28°、30°、32°、34°)，觀察基坑各部位的變形情況，得到不同加固體內(nèi)摩擦角梯度下基坑各部位的變形量，見表5。

表5 不同加固體內(nèi)摩擦角梯度下基坑各部位的變形量

對基坑各部位變形量與加固體內(nèi)摩擦角的關(guān)系進(jìn)行了線性擬合，其結(jié)果見圖29。其相關(guān)系數(shù)R2均在0.99以上，表明擬合效果較好。

圖29 基坑各部位變形量與加固體內(nèi)摩擦角的關(guān)系擬合曲線

由圖29可知：當(dāng)加固體內(nèi)摩擦角從20°增加到34°時，基坑圍護(hù)樁體水平位移ηmax減小了14.16 mm，基坑周邊道路地表沉降量Vmax減小了22.43 mm，基坑坑底土體隆起量Hmax減小了24.52 mm，減小率分別為72.8%、75.9%和58.9%，說明加固體內(nèi)摩擦角的增大可以明顯減小基坑的變形。因此，在基坑開挖過程中可以對加固體進(jìn)行嵌套搭接施工來提升加固體的內(nèi)摩擦角，進(jìn)而有效控制基坑的變形。

3.5.3 加固體壓縮模量對基坑變形的影響分析

選取加固體的黏聚力為122 kPa、內(nèi)摩擦角為26°，通過設(shè)置不同梯度的加固體壓縮模量(50 MPa、60 MPa、70 MPa、80 MPa、90 MPa、100 MPa)，觀察基坑各部位的變形情況，得到不同加固體壓縮模量梯度下基坑各部位的變形量，見表6。

表6 不同加固體壓縮模量情況梯度下基坑各部位的變形量

對基坑各部位的變形量與加固體壓縮模量的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，其結(jié)果見圖30。其相關(guān)系數(shù)R2均在0.970以上，表明擬合效果較好。

圖30 基坑各部位變形量與加固體壓縮模量的關(guān)系擬合曲線

由圖30可知：當(dāng)加固體壓縮模量從50 MPa增加到100 MPa時，基坑圍護(hù)樁體水平位移ηmax減小了8.67 mm，基坑周邊道路地表沉降量Vmax減小了8.203 mm，基坑坑底土體隆起量Hmax減小了10.785 mm，減小率分別為52.8%、36.6%和31.5%，說明加固體壓縮模量的增大可以有效控制基坑的變形。

4 結(jié) 論

本文以武漢市黃孝河、機(jī)場河水環(huán)境綜合治理二期工程中的常青公園地下調(diào)蓄池工程軟土深基坑為例，結(jié)合武漢和上海地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)程，通過現(xiàn)場與室內(nèi)土工試驗(yàn)獲得基坑各土層的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，結(jié)合PLAXIS 3D巖土有限元分析軟件建立了基坑三維數(shù)值模型，對關(guān)鍵剖面基坑圍護(hù)樁體的水平位移和內(nèi)支撐軸力進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了對比，同時對基坑加固體的尺寸參數(shù)和物理力學(xué)參數(shù)對基坑變形的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到工程結(jié)論如下：

(1) 基坑圍護(hù)樁體水平位移和內(nèi)支撐軸力的數(shù)值模擬值與監(jiān)測值的變化規(guī)律基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值模型模擬的合理性?；訃o(hù)樁體水平位移的變化曲線整體呈魚腹型，其最大水平位移大致在基坑開挖深度2/3處。

(2) 對于矩形截面的加固體，加固體寬度的有效值范圍為0.5H～1.0H，超過該有效值范圍后，由于空間尺寸效應(yīng)，隨著基坑開挖坑內(nèi)外土壓力差的增大，兩邊加固土體的擠壓作用會加劇中間軟土的向上擠角，容易出現(xiàn)“拱起效應(yīng)”；加固體深度的有效值范圍為0.8H～1.3H，超過該有效值范圍后其對基坑變形控制的影響不明顯。

(3) 加固體黏聚力的變化對基坑變形控制的影響不明顯，加固體內(nèi)摩擦角和壓縮模量的增大可以有效控制基坑的變形。