被動區(qū)土體加固控制偏壓基坑變形效果研究

張嘯川 ZHANG Xiao-chuan

（重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

隨著城市化建設(shè)不斷推進(jìn)，我國許多城市出現(xiàn)用地緊張這一不利于城市可持續(xù)發(fā)展的問題，開發(fā)地下空間、發(fā)展地下工程是解決這一問題的重要途徑。同時(shí)，各種基坑工程和工程問題隨之增加?；油馄珘汉奢d是一種相當(dāng)?shù)湫偷那闆r，偏壓荷載時(shí)，不但會使周邊的土體出現(xiàn)較大的下沉量，而且會導(dǎo)致基坑兩側(cè)土體不對稱變形。嚴(yán)重影響地基施工的穩(wěn)定性[1]。

在工程實(shí)踐中，為達(dá)到控制基坑變形的目的，可對坑底被動區(qū)土體進(jìn)行加固[2]。近年來，學(xué)者們針對基坑被動區(qū)加固開展了大量研究，主要體現(xiàn)在加固形式、加固體參數(shù)如：寬度、高度、彈性模量等對基坑變形特性的影響。蔣建平[3]等人認(rèn)為被動區(qū)土體剛度越大，基坑變形量越小，整體安全系數(shù)越大；劉溢[4]等結(jié)合實(shí)際工程，采取不同被動區(qū)土體參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，給出了較為合理的加固體參數(shù)建議取值；屈若楓等[5]認(rèn)為被動區(qū)階梯式加固優(yōu)于其他加固形式；朱志祥等[6]研究了三軸水泥土攪拌對于基坑變形作用的影響。

目前很少有研究關(guān)注在偏壓條件下被動區(qū)土體加固形式對基坑變形特性的影響問題。鑒于此，本文采用有限元分析方法，依托某隧道深基坑工程，針對偏壓作用對基坑變形特性的影響問題，考慮了不同被動區(qū)土體加固方案，分析了加固區(qū)長度、寬度及加固方式對基坑變形的影響。

1 工程概況

本基坑工程采用地下連續(xù)墻結(jié)合鋼管內(nèi)支撐的支護(hù)形式，地下連續(xù)墻的厚度為800mm，另設(shè)有四道水平方向上的內(nèi)支撐。支撐體系除第一道鋼筋混凝土支撐設(shè)置在地連墻頂部，截面尺寸為800mm×800mm 外，其余三道支撐皆采用鋼管支撐，截面為φ609×16。

基坑采用明挖順做法施工，圍護(hù)工程量巨大，穿越國道、高架橋1 處，穿越地鐵2 處，兩側(cè)地下管網(wǎng)復(fù)雜，涉及高壓電力及給水、通訊等管線遷改，施工過程中必須保證正常交通。

2 計(jì)算模型及方案

2.1 模型尺寸

基于MIDAS GTS NX 結(jié)合了實(shí)際設(shè)計(jì)中的典型地層及基礎(chǔ)構(gòu)造數(shù)據(jù)，以構(gòu)建同等工況下的隧道地基開挖數(shù)值計(jì)算模型，圖1 為數(shù)值計(jì)算模型。其中，b 為被動區(qū)加固寬度，h 為被動區(qū)加固深度?；娱_挖深度為14.0m?？紤]基坑開挖邊界效應(yīng)的影響，基坑開挖影響范圍取3～5 倍的基坑深度[6]。在本文中，簡化的模型尺寸為154m*56m。

2.2 計(jì)算參數(shù)

模型中土體采用二維平面應(yīng)變單元模擬，土層計(jì)算參數(shù)見表1。土體單元用考慮剪切硬化和壓縮硬化的HSS 模型，被動加固區(qū)土體采用彈性本構(gòu)模型。用梁單元模擬內(nèi)支撐及地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻與土層間設(shè)置界面單元，接觸形式為庫倫摩擦，為了保證設(shè)置界面單元后墻-土界面間的節(jié)點(diǎn)耦合，故在設(shè)置界面單元時(shí)同時(shí)建立了剛性連接網(wǎng)格。內(nèi)支撐和地連墻幾何及力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 土層HSS 模型參數(shù)

表2 內(nèi)支撐和地連墻幾何及力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算步驟與方案

基坑開挖及支撐安裝等過程可通過有限元軟件激活或鈍化單元的功能來模擬，具體施工模擬步驟如下：①激活所有土體單元與剛性連接網(wǎng)格，施加重力與位移約束進(jìn)行初始應(yīng)力狀態(tài)分析，隨后將位移清零；②施工地連墻，鈍化剛性連接，激活墻-土間的界面單元，隨后清零圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工產(chǎn)生的位移；③激活加固后改變屬性的坑底土體，并鈍化原先的土體單元；④開挖第一層土體，并施工第一道鋼管內(nèi)支撐；⑤開挖第二層土體，并施工第一道鋼筋混凝內(nèi)支撐；⑥~⑦：依次開挖第三、四層土體，并施工鋼筋混凝內(nèi)支撐。

為系統(tǒng)研究被動區(qū)土體加固對偏壓基坑變形效果的影響，分別選取不同加固區(qū)寬度、加固區(qū)深度、加固區(qū)布置形式進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，加固區(qū)土體參數(shù)如表3 所示。

表3 計(jì)算方案

3 對比工況分析

3.1 被動區(qū)土體加固寬度對偏壓基坑變形的影響

被動區(qū)土體加固后，基坑整體位移明顯減少[2]。為研究偏壓條件下不同被動區(qū)土體加固寬度對基坑變形性狀的影響，需要了解基坑的主要性狀的改變，本文主要分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移和彎矩、坑底回彈變形、地表沉降的變化。

3.1.1 不同加固寬度對應(yīng)的地連墻水平位移

圖2 是基坑地連墻的水平位移及彎矩沿地連墻深度的分布曲線。可知被動區(qū)加固有效控制了地連墻水平位移，兩側(cè)圍護(hù)墻的水平位移均隨著被動區(qū)加固寬度b 的增大而逐漸減小，當(dāng)被動加固區(qū)貫通整個(gè)坑底時(shí)，地連墻側(cè)向位移大幅度下降，圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體變形趨勢變平緩，最大圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移值出現(xiàn)面向上浮動，出現(xiàn)在基坑開挖面附近，沿地連墻插入深度呈現(xiàn)出一種向內(nèi)凹陷的“拋物線”型分布。地連墻頂端側(cè)向位移被第一道內(nèi)支撐限制，變形朝向坑外，呈現(xiàn)出典型的深槽向內(nèi)的位移型態(tài)。偏壓側(cè)與非偏壓側(cè)地連墻的變形隨著加固寬度b 的增加都由向坑外變形轉(zhuǎn)向坑內(nèi)變形。從圖3 可知，隨著加固區(qū)寬度b 的增大，地連墻彎矩值逐漸減小。當(dāng)加固區(qū)土體未布滿整個(gè)基坑底部時(shí)，加固區(qū)寬度的增大并不會改變圍護(hù)樁彎矩在豎直方向上的分布規(guī)律，僅改變最大彎矩值。

圖2 地連墻水平位移與被動區(qū)土體加固寬度的關(guān)系曲線

圖3 被動區(qū)土體加固寬度對地連墻彎矩分布的影響曲線

3.1.2 不同加固寬度對應(yīng)的地表沉降

圖4 是坑外地表沉降隨被動加固區(qū)深度的分布曲線。從圖4 可知，被動區(qū)土體加固能有效地限制基坑外側(cè)地表沉降變形，基坑墻后地表沉降值隨著加固區(qū)寬度的增加而減小。偏壓側(cè)曲線整體呈現(xiàn)下凹趨勢，地表最大沉降發(fā)生在距基坑邊緣約6m 處，非偏壓側(cè)土體最大沉降發(fā)生在右側(cè)地連墻后。

3.1.3 不同加固寬度對應(yīng)的基坑坑底回彈

圖5 是偏壓條件下不同被動區(qū)加固寬度作用下坑底回彈變形在水平方向上的分布曲線。由圖可知，曲線中部位置有一段明顯近似水平的曲線，范圍與每種工況所對應(yīng)的加固區(qū)寬度對應(yīng)。當(dāng)加固寬度b=0m 時(shí)，坑底回彈變形的最大值出現(xiàn)在基坑中線附近，坑底隆起形態(tài)是不均勻的馬鞍形；b=14m 時(shí)，坑底隆起形態(tài)為均勻的拱形。這表明隨著加固寬度b 的增大，坑底回彈變形逐漸由塑性變?yōu)閺椥?，可以看出，擴(kuò)展加固區(qū)土體寬度對限制坑底回彈變形有著顯著作用。

圖5 被動區(qū)土體加固寬度對坑內(nèi)基坑隆起的影響曲線

3.2 被動區(qū)土體加固深度對偏壓基坑變形的影響

3.2.1 不同加固深度下對應(yīng)的地連墻水平位移

從圖6 可以看出，被動區(qū)加固對控制地連墻水平位移有著顯著的作用，隨著被動區(qū)土體向下拓展，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移逐漸減小，地連墻最大水平位移出現(xiàn)面上浮。偏壓側(cè)與非偏壓側(cè)墻體皆向基坑內(nèi)偏移，但兩側(cè)最大水平位移存在顯著差別。當(dāng)被動加固區(qū)寬度保持不變時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移在加固深度保持0～4m 時(shí)的減少幅度最大，這表明被動區(qū)加固深度h 存在最優(yōu)參數(shù)。本基坑模型H＝14m，可確定此基坑模型坑底被動區(qū)土體的合理加固深度為0.2～0.3h 左右。

圖6 被動區(qū)土體加固深度對應(yīng)的地連墻水平位移分布曲線

3.2.2 不同加固深度對應(yīng)的地表沉降

不同加固深度下的坑外地表沉降變形規(guī)律與不同加固寬度下的坑外地表沉降變形規(guī)律相同，故不再贅述。

3.2.3 不同加固深度對應(yīng)的坑底隆起

如圖7 所示，被動區(qū)土體無加固情況下的基坑隆起曲線與有加固情況下的基坑隆起曲線存在明顯區(qū)別。隨著加固深度的增加，坑底隆起值不斷降低，當(dāng)加固深度達(dá)到5m時(shí)趨于穩(wěn)定，變形曲線是較為平滑的拋物線形，基坑隆起量隨著距基坑邊距離的增長逐漸增加，到基坑中線位置后基坑隆起最大值。

圖7 被動區(qū)土體加固深度對坑內(nèi)基坑隆起的影響

3.3 被動區(qū)土體加固形式對偏壓基坑變形的影響

為探究相同加固區(qū)寬度下不同加固體布置形式對基坑被動區(qū)加固效果的影響，對加固區(qū)土體采用裙邊加固，具體如圖8 所示。加固區(qū)1 的寬度為b1，加固區(qū)2 的寬度為b2，且b1=b2，加固區(qū)寬度b=b1+b2。

圖8 加固區(qū)布置圖

圖9 是裙邊加固下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移沿豎直方向的分布曲線?？芍?，裙邊加固能有效地控制地連墻水平位移，圍護(hù)墻的水平位移隨著裙邊加固寬度b 的增大而逐漸減小，與圖2 相比，裙邊加固不會導(dǎo)致地連墻水平位移產(chǎn)生突變。曲線總體呈現(xiàn)出典型的類似于“弓形”的變形規(guī)律，在坑底出現(xiàn)最大水平位移并逐漸上移。

圖9 裙邊加固下地連墻水平位移與土體加固寬度的關(guān)系曲線

圖10是裙邊加固與滿堂加固在相同的加固寬度下圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移曲線。裙邊加固記為方案1，滿堂加固記為方案2?？芍?，相同加固區(qū)寬度下，當(dāng)b=2～4m 時(shí)，滿堂加固產(chǎn)生的位移略小于裙邊加固產(chǎn)生的位移；當(dāng)b=6～12m 時(shí)，方案1 產(chǎn)生的位移大于方案2 產(chǎn)生的位移，且隨著加固區(qū)寬度b 的增大，兩種加固方式產(chǎn)生位移之差逐漸增加。當(dāng)b=12m 時(shí)，偏壓側(cè)，方案1 產(chǎn)生的最大水平位移是11.85mm，方案2 產(chǎn)生的最大水平位移是7.98mm，后者只有前者的67%。

圖10 不同加固寬度與地連墻最大位移的關(guān)系曲線

4 結(jié)論

本文進(jìn)行了基坑被動區(qū)土體加固控制偏壓基坑變形效果研究，可得出以下結(jié)論與認(rèn)識。

①偏壓條件下，當(dāng)加固深度不變時(shí)，隨著土體加固寬度的增大，基坑被動區(qū)土體加固能夠有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，地表沉降最大值迅速減小后趨于穩(wěn)定，主要影響范圍無太大變化。

②偏壓條件下，坑外地表沉降主要來源于偏壓荷載，被動區(qū)加固對其影響較小。

③滿堂加固可顯著減小坑內(nèi)隆起量。隨著加固寬度的增加，坑內(nèi)隆起值減小，在加固體側(cè)面與坑內(nèi)未加固土體接觸面處，隆起量驟然增大。

④加固區(qū)寬度相等時(shí)，滿堂加固的效果優(yōu)于裙邊加固。