基于均勻試驗(yàn)的MJS加固江堤參數(shù)敏感性分析

孫 陽(yáng),蒙鄒蕾,王翀霄,姚 森

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院,南京 210098;2.南通河海大學(xué)海洋與近海工程研究院,南通 223003;3.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司,武漢 430000)

MJS工法樁(Metro Jet System)是在高壓旋噴樁的基礎(chǔ)上創(chuàng)新形成的工藝,可實(shí)現(xiàn)360°全方位成樁,與土體凝結(jié)成強(qiáng)度較高的柱形樁體,對(duì)周?chē)h(huán)境擾動(dòng)極小且能夠適應(yīng)水下施工,因此得到了迅速推廣[1]。在數(shù)值模擬方面,LUO等[2]、XIONG等[3]、陳仁朋等[4]、王巖[5]、周朋[6]均對(duì)MJS工法水平樁加固隧道周?chē)馏w進(jìn)行了研究,研究表明MJS工法樁能夠有效提高地基承載力,降低了盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)既有隧道和周?chē)貙拥挠绊?并且具有良好的抗震性能。宋玉芹等[7]以上海越江隧道穿越高架樁基為例,采用數(shù)值模擬的方法,探討了MJS樁不同樁徑對(duì)樁基和地表沉降的影響。趙云建[8]采用FLAC3D有限元軟件模擬了盾構(gòu)下穿高速鐵路過(guò)程中,不同注漿置換率的水平旋噴樁加固對(duì)地表沉降的影響?，F(xiàn)有研究只能考慮單一因素的影響,未開(kāi)展MJS樁加固效果的多參數(shù)關(guān)聯(lián)性分析。研究各因素間的交互效應(yīng)、敏感程度及關(guān)聯(lián)機(jī)制,常見(jiàn)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有正交試驗(yàn)、中心組合試驗(yàn)(CCD)、Box-Behnken試驗(yàn)(BBD)和均勻試驗(yàn)。對(duì)于多因素共同作用的復(fù)雜問(wèn)題,變形機(jī)理模糊、影響因素復(fù)雜,均勻試驗(yàn)法是解決該類(lèi)問(wèn)題的有效手段,對(duì)于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和施工具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值及理論意義。

在江堤穩(wěn)定性計(jì)算方面,數(shù)值分析方法包括有限元單元法[9]、邊界單元法[10]和離散單元法[11]。其中,有限單元法被大多數(shù)數(shù)值分析軟件所采用,有限元軟件中計(jì)算江堤安全系數(shù)的方法為強(qiáng)度折減法[12]。梁一星[13]和趙翔[14]基于流固耦合有限元模型,采用強(qiáng)度折減法計(jì)算江堤安全系數(shù),與經(jīng)典畢肖普法計(jì)算結(jié)果對(duì)比,證明了有限元強(qiáng)度折減法應(yīng)用于江堤穩(wěn)定性分析是可行的。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,人們也更傾向于使用這一方法計(jì)算江堤穩(wěn)定性問(wèn)題,尤其用于復(fù)雜形態(tài)和涉及復(fù)雜施工的江堤工程問(wèn)題。

本文以南京市建寧西路過(guò)江通道大直徑盾構(gòu)切削江堤抗滑樁實(shí)際工程為例,基于三維有限元模型,考察盾尾注漿壓力、支護(hù)壓力、MJS加固長(zhǎng)度、加固寬度和加固高度等參數(shù)在合理范圍內(nèi)變化時(shí)江堤的安全系數(shù)變化和最大位移變化。運(yùn)用均勻性原理對(duì)影響江堤加固效果的多參數(shù)關(guān)聯(lián)機(jī)制進(jìn)行定量評(píng)價(jià),以確定各影響因素之間的主次關(guān)系,為盾構(gòu)穿越堤防加固設(shè)計(jì)方案的進(jìn)一步優(yōu)化提供決策依據(jù)。

1 工程概述

南京市建寧西路過(guò)江通道一期工程位于長(zhǎng)江大橋和揚(yáng)子江隧道之間,建寧西路過(guò)江通道擬采用兩臺(tái)泥水盾構(gòu)機(jī)分別施工兩條隧道(圖1),由北岸工作井向江南始發(fā)掘進(jìn),隧道外徑為14.5 m,內(nèi)徑為13.3 m,管片厚度0.6 m,兩隧道凈距為17～18 m。南岸堤防處被切筋混凝土抗滑樁樁徑900 mm,樁間距1.5 m。盾構(gòu)施工前采用MJS豎直樁對(duì)長(zhǎng)江南岸堤防和岸坡加固。在區(qū)域③內(nèi)對(duì)堤身進(jìn)行整體加固。

圖1 堤防岸坡加固平面圖(單位：m)Fig.1 Plan of reinforcement of the bank slope

2 計(jì)算方法及參數(shù)選取

2.1 土體參數(shù)選取

項(xiàng)目區(qū)盾構(gòu)段洞身深度內(nèi)以流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及飽和粉細(xì)砂、礫砂、圓礫、泥巖、角礫巖、泥質(zhì)粉砂巖、白云巖為主。堤身為③4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土呈流塑狀、易蠕動(dòng)的松軟結(jié)構(gòu);②2層粉砂層呈潮濕的松散結(jié)構(gòu),為液化土層,均屬于不良工程地質(zhì)層。具體的土體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土體參數(shù)Tab.1 Parameters of soil and rock

2.2 盾構(gòu)施工參數(shù)

本文研究?jī)?nèi)容涉及的盾構(gòu)施工參數(shù)主要包括支護(hù)壓力和注漿壓力。支護(hù)壓力對(duì)開(kāi)挖面的穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要,保證開(kāi)挖面的穩(wěn)定是控制表面沉降的關(guān)鍵,在開(kāi)挖面支護(hù)壓力欠壓狀態(tài)下推進(jìn),會(huì)造成開(kāi)挖面前方土體大范圍沉降;在開(kāi)挖面支護(hù)壓力超壓狀態(tài)下頂進(jìn),會(huì)引起開(kāi)挖面前方土體隆起,因而支護(hù)壓力需要單獨(dú)計(jì)算,避免以沉降數(shù)值為因變量進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)誤認(rèn)為越大的支護(hù)壓力越好。注漿壓力沿盾尾注漿環(huán)向分布,其對(duì)隧道上方土體沉降影響較大,且有明確的取值范圍。因此,將影響可能顯著的注漿壓力作為試驗(yàn)因素之一展開(kāi)均勻試驗(yàn)。

2.3 MJS加固參數(shù)選取

為了優(yōu)化MJS的加固效果,考慮注漿壓力、加固長(zhǎng)度L、寬度B以及高度h作為試驗(yàn)因素,如圖2所示,均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)影響因素的取值范圍如表2所示。均勻設(shè)計(jì)法的主要思想是將試驗(yàn)點(diǎn)均勻地布散在平面格子上,并且保證每個(gè)水平每個(gè)因子的試驗(yàn)機(jī)會(huì)都是相等的。均勻試驗(yàn)可通過(guò)均勻表Ul(lm)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),本試驗(yàn)選取U15(157)均勻設(shè)計(jì)表[15],通過(guò)使用表選取1、2、4、6列完成試驗(yàn)設(shè)計(jì),如表3所示。

表2 江堤穩(wěn)定性影響因素的取值范圍Tab.2 Value range of factors affecting slope stability

2-a 俯視圖 2-b 右視圖圖2 MJS加固參數(shù)示意圖Fig.2 MJS reinforcement parameters

3 三維數(shù)值模擬

3.1 模型建立和計(jì)算結(jié)果

本文采用 PLAXIS軟件進(jìn)行完全流固耦合計(jì)算,模型尺寸為200 m×150 m×80 m(盾構(gòu)掘進(jìn)方向×垂直盾構(gòu)方向×高度),土體本構(gòu)模型為摩爾庫(kù)倫彈塑性模型[16-17],基本參數(shù)采用表1中的數(shù)值。盾構(gòu)機(jī)外環(huán)面以及抗滑樁采用板單元模擬,最終襯砌采用實(shí)體單元模擬,堤身旋噴灌漿加固區(qū)域采用實(shí)體單元模擬。假設(shè)抗滑樁單排直線(xiàn)布設(shè),根據(jù)等效原則簡(jiǎn)化為一定厚度的抗滑樁墻。MJS加固區(qū)根據(jù)等效剛度原則,通過(guò)計(jì)算高壓旋噴樁對(duì)原有土體的置換率,從而得到整個(gè)加固區(qū)內(nèi)復(fù)合加固土的參數(shù)。板單元設(shè)置相應(yīng)的正向界面或負(fù)向界面,模擬結(jié)構(gòu)與土體或是與其他實(shí)體單元的相互作用。

數(shù)值模擬中14.5 m大直徑泥水盾構(gòu)的管片長(zhǎng)度為2 m,盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度為7環(huán)管片長(zhǎng)度(14 m)。模擬計(jì)算時(shí)以一個(gè)管片長(zhǎng)度為幾何模型片段,將隧道劃分為若干個(gè)2 m長(zhǎng)的片段,盾構(gòu)機(jī)最后一個(gè)環(huán)寬為尾部空隙注漿段,盾構(gòu)每次向前推進(jìn)2 m,同時(shí)安裝完成盾尾后一個(gè)環(huán)寬的最終襯砌,三維模型圖如圖3所示。

圖3 三維計(jì)算模型Fig.3 3D calculation model

江堤岸坡穩(wěn)定的安全系數(shù)的計(jì)算采用有限元強(qiáng)度折減法,該方法定義了一個(gè)強(qiáng)度折減系數(shù)FS,即江堤內(nèi)巖土體在外部不變的荷載下所提供的抗剪強(qiáng)度最大值τf與在江堤內(nèi)由外荷載產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)力τ的比值

(1)

強(qiáng)度折減法通過(guò)對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ進(jìn)行不斷折減,最終得到江堤失穩(wěn)時(shí)的c′和φ′,江堤失穩(wěn)時(shí)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與原抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的比值即為安全系數(shù)。

(2)

(3)

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

將試驗(yàn)點(diǎn)代入三維模型中,如圖4所示,隨著盾構(gòu)推進(jìn),沉降由盾構(gòu)面逐漸傳遞至坡面,由于抗滑樁和MJS加固區(qū)域的存在,盾構(gòu)產(chǎn)生的擾動(dòng)難以傳遞至坡頂,各試驗(yàn)所得的最大沉降位置均位于坡面距堤腳約1/3處。

圖4 隧道軸線(xiàn)縱剖面沉降云圖Fig.4 Longitudinal section of tunnel axis

如圖5所示,由于抗滑樁與MJS加固區(qū)域的存在,危險(xiǎn)滑動(dòng)面起始于抗滑樁下方,在滑動(dòng)面頂部1 m范圍內(nèi),其方向與抗滑樁方向一致,隨后逐漸變化為圓弧面,最后終止于坡腳。

圖5 江堤位移云圖Fig.5 Displacement cloud of river embankment

由于各試驗(yàn)計(jì)算所得的最大沉降位置與危險(xiǎn)滑弧的形態(tài)基本一致,故針對(duì)最大沉降量和安全系數(shù)展開(kāi)各參數(shù)敏感性分析。計(jì)算得到盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中江堤表面最大沉降和加固后的安全系數(shù),如表4所示。

表4 均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果UzmaxTab.4 Uniform design test calculation results of Uzmax

3.2 MJS加固參數(shù)敏感性分析

以注漿壓力、加固長(zhǎng)度L、寬度B以及高度h為自變量,江堤表面最大沉降、江堤穩(wěn)定性安全系數(shù)為因變量,采用Pearson相關(guān)系數(shù)r對(duì)自變量與因變量的線(xiàn)性相關(guān)程度進(jìn)行分析,并進(jìn)一步計(jì)算顯著性系數(shù)sig.尋找影響水平較高的變量[18]。

3.2.1 以最大沉降量為因變量的參數(shù)敏感性分析

相關(guān)性系數(shù)和顯著性系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表5。

表5 各變量間的相關(guān)性系數(shù)和顯著性系數(shù)Tab.5 Correlation coefficient and significance coefficient among variables

通過(guò)Pearson′s相關(guān)系數(shù),可以得到坡體的最大沉降與注漿壓力(r=-0.334)、MJS加固長(zhǎng)度(r=-0.542)、MJS加固寬度(r=-0.075)和MJS加固高度(r=-0.061)成負(fù)相關(guān),即最大沉降隨著這3個(gè)變量的增大而減小,這結(jié)果與實(shí)際是相符的。顯著性系數(shù)越小,相關(guān)性越顯著。本模型中影響因素的顯著水平排序?yàn)椋杭庸涕L(zhǎng)度(sig.=0.037)>注漿壓力(sig.=0.224)>加固寬度(sig.=0.790)>加固高度(sig.=0.828)。通常認(rèn)為sig.<0.05時(shí),為顯著影響因子,在本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?僅加固長(zhǎng)度達(dá)到了高顯著水平。

3.2.2 以安全系數(shù)為因變量的參數(shù)敏感性分析

相關(guān)性系數(shù)和顯著性系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 各變量間的相關(guān)性系數(shù)和顯著性系數(shù)Tab.6 Correlation coefficient and significance coefficient among variables

如表6所示,注漿壓力(sig.=1.000)、加固長(zhǎng)度(sig.=0.695)、加固寬度(sig.=0.555)和加固高度(sig.=0.429)的顯著性系數(shù)均很大,在沒(méi)有相關(guān)性顯著因素的影響下,它們的顯著水平仍十分低,表明這4個(gè)因素在試驗(yàn)范圍內(nèi)的變化對(duì)于安全系數(shù)的影響是微小的。

4 MJS加固參數(shù)優(yōu)化

4.1 優(yōu)化試驗(yàn)計(jì)算方案

由于均勻試驗(yàn)中僅加固長(zhǎng)度L達(dá)到了高顯著水平,因此僅對(duì)MJS加固長(zhǎng)度L進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)增加支護(hù)壓力Pt為變量,避免不同支護(hù)壓力影響下L表現(xiàn)出不同的影響規(guī)律。追加試驗(yàn)計(jì)算方案如表7所示。

表7 優(yōu)化試驗(yàn)計(jì)算方案Tab.7 Optimal test calculation scheme

4.2 加固長(zhǎng)度影響分析

不同支護(hù)壓力下最大沉降量隨加固長(zhǎng)度的變化如圖6所示,沉降均為盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)124 m時(shí)的數(shù)值。在試驗(yàn)范圍內(nèi),隨著L和Pt的增大,沉降越來(lái)越小,但是減小幅度不同。當(dāng)Pt不變時(shí),相比原始加固長(zhǎng)度(L=35.6 m),L增大2～4 m的變化幅度較為明顯,在合理支護(hù)壓力選取的情況下,兼顧經(jīng)濟(jì)性原則,一般不宜選取太長(zhǎng)的加固長(zhǎng)度,因此建議選取37.6 m或39.6 m的長(zhǎng)度,有利于進(jìn)一步控制沉降大小。

圖6 不同支護(hù)壓力下最大沉降量隨加固長(zhǎng)度的變化Fig.6 Variation of the maximum settlement with reinforcement length under different support pressures

4.3 支護(hù)壓力影響分析

如圖6所示,隨著Pt的增大,擬合曲線(xiàn)的間距明顯縮小,表明增大Pt時(shí),最大沉降量減小的幅度越來(lái)越小,表明適當(dāng)增大支護(hù)壓力能夠增強(qiáng)位移控制效果。圖7為改變支護(hù)壓力對(duì)沉降的影響云圖,選取盾構(gòu)推進(jìn)100 m時(shí)的沉降為最終沉降,此時(shí)沉降已逐漸趨于穩(wěn)定,變化不大。當(dāng)支護(hù)壓力為Pt和1.2Pt時(shí),坡體和堤面的沉降為20～30 mm,而當(dāng)1.4Pt時(shí),坡體和表面沉降均有異常增大,為30～40 mm。

7-a 1.2 Pt,盾構(gòu)推進(jìn)124 m,Uz=79.55 mm 7-b 1.4 Pt,盾構(gòu)推進(jìn)124 m,Uz=74.51 mm

同時(shí),支護(hù)壓力對(duì)土體側(cè)向位移影響顯著。圖8為改變支護(hù)壓力對(duì)土體y向位移的影響。選取盾構(gòu)推進(jìn)84 m時(shí)的沉降云圖,此時(shí)開(kāi)挖面正好處于江堤中心,離MJS加固區(qū)域還有一段距離,能夠清晰對(duì)比開(kāi)挖面上的y向變形。當(dāng)支護(hù)壓力取0.8Pt(欠壓)時(shí),y向最大位移出現(xiàn)在開(kāi)挖面上,此時(shí)支護(hù)壓力明顯不足,導(dǎo)致開(kāi)挖面變形較大。隨著支護(hù)壓力增大,開(kāi)挖面變形逐漸減小,y向最大位移轉(zhuǎn)移到盾尾后的管片附近土體。當(dāng)支護(hù)壓力大于1.2Pt時(shí),開(kāi)挖面y向最大位移不超過(guò)20 mm。1.4Pt相比1.2Pt,最大y向位移明顯減小,但是堤面和坡體內(nèi)的部分位移增大。

8-a 0.8 Pt,盾構(gòu)推進(jìn)84 m,Uy=-60.03 mm 8-b Pt,盾構(gòu)推進(jìn)84 m,Uy=-51.85 mm

就變化數(shù)值來(lái)看,支護(hù)壓力對(duì)y向最大位移的影響更顯著,Pt相較0.8Pt,沉降的變化幅度為6.0%,而y向位移的變化幅度約為沉降的2倍。綜合支護(hù)壓力對(duì)側(cè)向位移和沉降的影響,建議支護(hù)壓力取值在1.2Pt上下浮動(dòng)。數(shù)值模擬結(jié)果表明,增大支護(hù)壓力能夠控制最大沉降,同時(shí)支護(hù)壓力對(duì)隧道附近土體變形的影響十分顯著,支護(hù)壓力不足容易引起開(kāi)挖面變形過(guò)大,容易導(dǎo)致開(kāi)挖面朝盾構(gòu)前進(jìn)方向的變形,從而引發(fā)上部土體的變形。因此,盾構(gòu)穿越江堤的過(guò)程中為保證工程項(xiàng)目施工過(guò)程土體的安全和穩(wěn)定,不能盲目增大支護(hù)壓力來(lái)控制最大沉降,而要根據(jù)工程的實(shí)際情況在施工中選取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)壓力。

5 結(jié)論

(1)MJS加固體的長(zhǎng)、寬和高越大,對(duì)坡體的保護(hù)范圍也就越大,因此沉降隨著加固范圍的增大而減小。計(jì)算表明,對(duì)坡體最大沉降影響因素的顯著水平排序?yàn)椋杭庸涕L(zhǎng)度>注漿壓力>加固寬度>加固高度,即增大加固長(zhǎng)度的位移控制效果最好。此外,MJS加固長(zhǎng)度、加固寬度和加固高度在試驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)安全系數(shù)的影響是微小的。

(2)增大MJS加固長(zhǎng)度時(shí),沉降逐漸減小,施工中可以通過(guò)增大加固長(zhǎng)度對(duì)沉降進(jìn)行控制,同時(shí)應(yīng)考慮施工作業(yè)范圍,兼顧經(jīng)濟(jì)性原則,建議一般不宜選取太長(zhǎng)的加固長(zhǎng)度。

(3)盾構(gòu)施工的支護(hù)壓力是控制土體沉降與變形的關(guān)鍵因素之一,其中支護(hù)壓力對(duì)土體側(cè)向變形的影響尤為顯著,因此合理的支護(hù)壓力對(duì)于控制沉降非常重要,支護(hù)壓力大小的確定應(yīng)綜合考慮其對(duì)土體整體沉降和局部變形的影響,避免支護(hù)壓力不足導(dǎo)致沉降量過(guò)大,或支護(hù)壓力過(guò)大引起開(kāi)挖面及其上部土體變形。