粉砂地層基坑注漿加固效果數值模擬研究

陳 明

(安徽三洲水利建設有限公司,安徽 宿州 234000)

0 引言

隨著我國基礎建設的快速發展,地下空間的高速發展與利用已然成為一個重要的研究內容?；庸こ淌谴笮凸I以及民用建筑等重要的組成部分。但實際基坑在開挖過程中會面臨許多問題,如基坑處于富水地帶,巖土體的物理力學強度較低,開挖基坑極有可能會導致基坑大變形及失穩,造成重大的工程事故。因此實際工程中,通常對基坑底部進行加固處理,加固后的基坑,一方面可以提高巖土體的力學強度,另一方面可以防治地下水滲流。李志鵬等[1]采用數值模擬手段研究了某車站基坑斷層帶注漿加固效果。結果表明,注漿加固技術可以有效的對基坑進行加固處理,相比于注漿加固前,其最大水平位移和地表累計沉降量減小了50%以上,滿足工程要求。此外,注漿后,基坑底部區域內以及基坑外塑性區范圍明顯減小。潘世強和鄧俊[2]基于某實際深基坑工程,研究了富水砂卵石層深基坑近接建筑物安全施工控制技術。結果表明,采用注漿加固技術能有效地減小基坑施工對建筑物的影響,基坑開挖結束時建筑物最大沉降值僅為8 mm滿足規范的安全性要求。李享松等[3]基于現場注漿試驗和室內有限元數值模擬,研究了富水砂卵石地層注漿參數優化問題。結果表明,富水地層采用水灰比最優取值應為0.8～1.0,水玻璃濃度應控制在40波美度左右。此外,注漿孔間距宜控制在1.8 m左右。夏夢然等[4]基于有限元模擬,研究了深基坑基底注漿加固效果。結果表明,軟土地基采用注漿加固技術科滿足工程需要。此外,加固后可有效減小地連墻的側向變形和地表沉降。胡奇凡等[5]采用現場試驗研究了超高壓旋噴注漿法在卵石地層的應用。結果表明,超高壓旋噴注漿技術在超深富水卵礫石地層中合理有效的,并且可以作為超深富水卵礫石地層加固加以推廣。本文基于安徽合肥市某深基坑工程,采用數值模擬研究了注漿加固的效果。本文研究可為相似工程提供經驗借鑒。

1 工程概況

某泵站基坑位于安徽省合肥市,屬于典型的富水基坑,地下水位較淺,土體滲透性較大,基坑開挖過程中多次發生了涌水問題。

本文以基坑某段為研究對象(圖1)?；娱_挖深度為18 m,地連墻厚度為0.8 m?；觾裙灿?道支撐。為了控制基坑變形,采用注漿加固技術進行加固。選用高壓旋噴注漿聯合雙液注漿技術。加固范圍主要為坑底2-7m范圍。

圖1 基坑剖面圖

2 數值模擬

2.1 模型及計算參數

為研究注漿加固效果及基坑變形特征,本文采用FLAC建立數值模型進行計算分析(圖2)。模型的具體尺寸見圖2所示。模型的邊界條件為:底部為全約束,側面為約束側向位移,頂部為自由邊界。地下水在地表以下3 m位置。

圖2 數值模型圖

圖3 地連墻位移曲線

圖4 坑外地表變形曲線

參考既有研究,本文做了一些簡化,其中巖土體的本構模型為理想的摩爾-庫倫彈塑性本構。地連墻簡化為各向同性的線彈性體材料?？紤]施工因素,對混凝土彈性模量進行折減,取值為25 Gpa,

地下連續墻則視為線彈性體,原設計地下連續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。

數值模擬中巖土體的物理力學參數主要根據現場鉆孔資料取樣的室內土工試驗獲取得到。具體的巖土體力學指標以及圍護結構的力學參數分別匯總于表1和表2中。

表1 巖土體物理力學參數

表2 圍護結構力學參數

2.2 計算工況

在基坑開挖前,清零初始位移場和速度場?；娱_挖步驟共設置7個步驟,分別為:第一步,賦予材料參數及給定邊界條件;第二步,施加地連墻工程;第三步,坑底注漿加固;第四步,開挖基坑至-1 m,施加第一道支撐;第五步,降低地下水,開挖至-8 m,施加第二道支撐;第六步,基坑開挖至-14 m,施加第三道支撐;第七步,基坑開挖至-18 m。

3 結果與分析

3.1 地連墻位移特征

圖5為基坑開挖過程中,不同階段地連墻典型監測點的水平位移的模擬值和實測值對比曲線。結果表明,隨著基坑開挖深度的增大,地連墻水平位移增大,基坑開挖結束時,水平位移最大值模擬結果為22 mm,實測結果為20.6 mm。此外,施工過程中,地連墻位移主要集中在深度為10 m的位置處,因此實際工程中應對該段進行實時監測和保護。模擬值和實測值結果表明,地連墻的變形呈現出兩頭小中間大的分布規律。這也表明,地連墻在嵌固范圍內發揮了良好的加固作用。

圖5 不同加固手段下坑外地表變形曲線

3.2 坑外地表位移

圖6為基坑開挖過程中,不同施工階段,坑外地表沉降變形的實測值和模擬值,結果表明,實測值和模擬值變化規律基本一致,均呈現出先增大后減小的拋物線規律,當基坑開挖至坑底時,沉降變形最大值為15 mm,沉降位置出現在距坑壁8 m位置處。當沉降達到最大值時,隨著距地連墻距離的增大,沉降值迅速減小?；娱_挖對坑外影響范圍主要集中于1倍開挖深度范圍。

圖6 不同加固手段下地連墻水平位移曲線

綜上所述,通過地連墻側向位移和坑外沉降變形的模擬值與實測值對比發現,模擬結果與實測結果趨勢完全一致,兩者的相對誤差君主15%之內。表明本文數值模擬的可靠性。

4 注漿加固效果對比

4.1 坑外地表位移

圖7為注漿加固前后坑外地表沉降變形曲線。結果表明,隨距離的增大,地表沉降表現為先增大后減小的趨勢。加固后地表沉降明顯小于加固前地表沉降值,且均表現出凹槽狀。3種不同的加固工況,沉降最大值均發生在距坑壁10 m以內范圍。此外,圖7表明,未注漿加固對地表沉降的影響范圍比注漿加固后的范圍更大,這主要是由于未注漿加固導致坑外地下水向坑內滲水,導致基坑底部有效應力減小;注漿加固后,土體的模量增大,強度明顯增大。

4.2 地連墻水平位移對比

圖8為注漿加固前后地連墻水平位移變化曲線。結果表明,地連墻的水平位移均呈拋物線形式,最大位移出現在12 m位置,且注漿加固會大大減小地連墻的水平位移。加固土體彈性模量分別為50 MPa、100 MPa和200 MPa工況下,地連墻最大水平位移為27 mm、24 mm和22 mm,最大水平位移減小了55%～65%。此外,在基坑深度為10～25 m時,加固前后地連墻水平位移相差比較大,這主要是由于該處基坑開挖深度較深,墻兩側的壓力差較大,而加固后土體的強度增大,能夠較好的抑制坑底隆起變形。而未加固的基坑土體強度較差,不能較好的約束地連墻變形,導致發生“踢腳破壞”。因此實際工程中應對坑底進行注漿加固處理。

5 結語

(1)基坑開挖過程中,坑內地下水位線迅速降低,而坑外保持不變,證明施工過程中所采用的地連墻止水效果良好,可以阻止坑外地下水向坑內滲流。

(2)基坑開挖過程中,坑外地表最大沉降點在距坑壁10m左右范圍內,開挖的影響范圍為1倍開挖深度。此外,采用注漿加固可以顯著的減小坑外地表沉降變形。

(3)地連墻的水平位移表現出中間大,兩端小的拋物線形態,且地連墻位移隨開挖深度增大而增大,最大位移出現在12 m位置。注漿加固后地連墻的水平位移大大減小,當加固土體彈性模量分別為50 MPa、100 MPa和200 MPa工況下,地連墻最大水平位移為27 mm、24 mm和22 mm,最大水平位移減小60%左右。