坑底土體加固對深厚淤泥質土地鐵深基坑安全的影響

王 燕,張 飛

(福建江夏學院 工程學院,福州 350108)

在軟土地區進行基坑工程施工,由于開挖卸載和施工荷載使得基坑開挖不可避免地產生較大的變形,如若控制不當,將嚴重影響基坑本身的穩定及周邊環境的安全[1-2]。近年來坑底土體加固在軟土地區地鐵深基坑工程中應用廣泛,眾多工程實踐表明,坑底土體加固能夠有效地控制基坑開挖引起的變形,從而達到控制基坑變形和保護周邊環境的目的[3-4]。

坑底土體加固作為一種常見的控制基坑變形的措施,諸多學者對此進行了研究。談亦帆等[5]在試驗的基礎上,采用數值模擬方法研究了坑底滿堂加固形式下基坑內力和變形,并提出了合理的水泥摻入比;康志軍等[6]采用數值分析方法研究了滿堂加固和裙邊加固對基坑變形的影響,并對兩種加固措施進行了對比研究,提出過度增大加固土體割線模量對控制基坑變形影響不大;孫輝[7]采用PLAXIS3D有限元軟件建立了二維數值模型,分析了加固土體力學參數的不同影響因素,提出內摩擦角是影響基坑變形的主要因素;朱志祥等[8]通過數值分析,提出三軸攪拌樁加固基坑坑底能夠有效減少地連墻側向變形和坑外地表沉降;夏夢然[9]對某實際基坑工程項目進行了數值模擬,提出軟土地區基坑坑底注漿加固能夠有效抑制地連墻側向變形;冒千如等[10]對高壓旋噴樁加固濱海地區軟基沉降進行了分析;施成華等[11]基于非線性接觸理論,研究了基坑上跨既有盾構隧道時基底縱向加固、橫向抽條加固和格柵加固3種加固措施下隧道的變形及接頭混凝土應力。但以上關于坑底土體加固的研究主要集中于加固方式、加固體的力學性能、加固效果以及適用條件,并未涉及到在深厚淤泥質土的地質條件下對坑底土體加固范圍和加固深度及基坑整體穩定性的關注,而在深厚淤泥質土層進行基坑支護結構設計時,基坑變形和整體穩定性計算往往起控制作用[12]。此外,加固土體的物理力學參數主要依靠經驗取值[13-14],并未對現場加固土體進行實測。然而,實際工程中坑底土體加固質量受施工質量影響很大,土體經加固擾動后,其力學特性也變得更為復雜,因此,依靠經驗取值所進行的數值分析也會與工程實際存在差異。

基于此,本文結合福州地區某地鐵車站深基坑工程,采用靜力觸探試驗測定坑底土體加固前后錐尖阻力,進而獲得加固土強度參數。在此基礎上,采用ABAQUS有限元軟件,建立基坑開挖數值模型,研究深厚淤泥質土層坑底土體加固置換率、加固深度對基坑工程變形及整體穩定性的影響,為類似工程設計施工提供參考。

圖1 標準段基坑支護結構剖面

1 工程概況

本文所研究的基坑工程為福州地區某地鐵車站深基坑工程項目,該項目基坑長約290.4 m,基坑標準段內凈寬為20 m,標準段開挖深度為18.5 m。車站主體基坑圍護體系采用地下連續墻+內支撐。地下連續墻800 mm厚,與內襯墻采用復合式結構形式,全包防水。車站標準段基坑沿深度方向設置4道支撐,第1道采用鋼筋混凝土支撐,第2—4道采用鋼支撐。其中,端頭井段局部較長鋼支撐采用φ800鋼支撐,余下均采用φ609鋼支撐,基坑設計安全等級為一級。中間標準段基坑支護結構剖面如圖1所示。

該基坑采用明挖順作法施工。根據該場地巖土工程勘察報告,基坑開挖范圍土層主要以淤泥質土和淤泥加砂為主,工程性質較差。為減少基坑開挖階段圍護結構位移,提高車站底板所處地層的土體性質,標準段基坑范圍內采用φ850@600三軸水泥攪拌樁在坑底以下3 m范圍進行抽條加固,加固土寬度及間距分別為3 m。水泥攪拌樁加固土體采用42.5 MPa水泥,要求加固后土體28 d無側限抗壓強度qu≥1.0 MPa。

2 有限元分析

2.1 計算模型

由于中間標準段基坑形狀和受力形式都較為規則,故本文基于ABAQUS有限元軟件建立二維數值模型進行平面應變分析。為簡化計算,對模型進行以下處理:①假設基坑內外土層勻質水平層狀分布;②土體采用Mohr-Coulomb本構模型;③地下連續墻和內支撐采用線彈性本構模型;④不考慮地連墻施工和坑底加固對基坑土體的擾動;⑤為了保證數值分析結果的精確性,對重點分析區域地連墻及周邊范圍土體采用網格加密方式進行處理;⑥考慮到鄰近堆載以及施工荷載,在距離地連墻20 m范圍內,添加30 kN/m的均布荷載作為豎向應力約束。

為充分考慮基坑開挖的邊界影響,模型尺寸取120 m(長)×90 m(深)。土層和地連墻均采用CPE8R單元,內支撐采用B21梁單元。計算模型左右邊界單元節點添加法向位移約束;底部邊界單元節點添加切向和法向位移約束;上表面邊界自由。

基坑開挖深度范圍內各土層物理力學參數參照該項目的地質勘察報告,加固土體力學參數根據靜力觸探試驗所得錐尖阻力(表1)換算而成,其中,錐尖阻力與土體強度參數之間的轉換參照文獻[15-17]。最終各土體性質參數如表2所示。

表1 靜力觸探土層力學性能

表2 土層物理力學參數

2.2 計算結果驗證

對基坑開挖過程進行數值模擬,根據實際監測數據及數值模擬結果,基坑開挖完成后某測點地連墻水平位移及地表沉降計算結果和監測結果如圖2、圖3所示。

從圖2、圖3可以看出:①地連墻水平位移加固計算值與實測數據基本吻合,地連墻側向變形發展變化趨勢基本一致。②地連墻實測位移最大值大于加固計算值,且位移最大值出現位置更加靠近坑底,分析原因在于有限元計算沒有考慮基坑開挖完成后土體的塑性發展。③地表沉降呈明顯的“凹槽型”分布,實測沉降最大值為-19.8 mm,比加固計算結果稍大,位于約0.95倍開挖深度處,與計算值相比發生位置更加靠近擋墻,但兩者變化趨勢基本一致。這表明:①與未加固工況相比,坑底土體加固能有效地控制基坑開挖引起的變形。②有限元模型參數選取合理,計算結果準確可靠,可為該基坑工程項目的進一步研究提供模型基礎。

整體穩定性系數的計算基于有限元強度折減法確定,選取基坑內具有典型變化特征的點作為整體穩定判定節點,節點位移變化量和強度折減系數關系曲線轉折最大處所對應的折減系數即為安全系數[18]。圖4、圖5分別給出了土體強度折減后極限狀態下土體變形增量云圖和土體變形矢量圖。最終得到基坑整體穩定性安全系數Fs=2.48。本文所采用強度折減有限元計算結果的可靠性已在文獻[19]中得到驗證。

圖4 極限狀態下土體變形增量

圖5 極限狀態下土體變形矢量

3 對比工況分析

3.1 坑底抽條加固置換率影響

結合實際工程項目,以加固深度為3 m,對坑底土體進行抽條加固,研究坑底土體加固置換率(加固土體面積與坑底土體面積之比)對地連墻水平位移、坑外地表沉降、坑底土體隆起變形最大值及基坑整體穩定性的影響。

圖6給出了基坑開挖至坑底時地連墻水平位移、坑外地表沉降、坑底隆起變形最大值與加固置換率的關系曲線?？傮w來看,隨著坑底土體加固置換率的增加,地連墻水平位移、坑外地表沉降、坑底隆起變形量都在不斷減小。在無加固工況下,地連墻水平位移、坑外地表沉降、坑底隆起變形量分別為77.4,56.6,118.8 mm;當置換率從0%增加到100%時,地連墻水平位移、坑外地表沉降、坑底隆起變形量分別減少為17.3,14.5,51.0 mm,說明在深厚淤泥質土層進行基坑工程施工坑底土體加固能夠有效控制基坑變形。

當加固置換率取60%時,地連墻水平位移、坑外地表沉降、坑底隆起變形最大值分別為21.7,16.8,54.5 mm,與無加固工況相比分別減少72%,70%,54%,減幅明顯;當加固置換率從60%增加到100%后,三者變形雖然會進一步受到限制,但影響幅度顯著減少,說明深厚淤泥質土地鐵深基坑坑底土體加固存在加固比例限值,當坑底加固置換率超過60%后,基坑變形曲線變緩。

當坑底土體未采取加固措施時,地連墻最大水平位移、坑外地表最大沉降量分別為77.4,56.6 mm,均超過二級基坑變形控制標準74 mm(δhm≤0.4%H,且≤50 mm,其中,δhm為支護結構最大水平位移)、55.5 mm(δvn≤0.3%H,其中,δvn為坑外地表最大沉降量)。隨著加固土置換率的提高,基坑變形位移值受到限制,當加固土置換率為40%時,地連墻最大水平位移、坑外地表最大沉降量分別為29.5,22.0 mm,達到一級基坑變形控制標準30 mm(δhm≤0.2%H,且≤30 mm)、27.8 mm(δvn≤0.15%H)。因此,福州深厚淤泥質土地鐵深基坑安全等級為一級時,坑底土體抽條加固置換率在40%～60%較為經濟合理。

圖7 基坑整體穩定性與加固置換率關系曲線

不同坑底土體加固置換率下基坑整體穩定性安全系數分布規律如圖7所示?？傮w來看,隨著坑底加固置換率的增加,基坑整體穩定性安全系數近似呈“S”型增長趨勢,當加固置換率從0%(無加固)增加到100%時,基坑整體穩定性安全系數由2.38增加至2.56。

當加固置換率超過30%以后,加固置換率對基坑整體穩定影響愈加顯著,在30%～60%時,基坑整體穩定性安全系數近似線性增長。當加固置換率超過60%以后,基坑整體穩定性與加固置換率關系曲線趨于平緩,加固置換率對基坑整體穩定性的影響減弱,基坑整體穩定性安全系數曲線增長趨勢變緩。因此,加固置換率處于30%～60%時,抽條加固對基坑整體穩定影響效果最好,效益最高。

3.2 坑底抽條加固深度的影響

采用寬3 m、間距3 m的水泥攪拌樁加固坑底土體,加固土深度與基坑開挖深度之比h/H分別取0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,研究抽條加固不同深度工況下的深厚淤泥質土地鐵深基坑變形及對整體穩定的影響。

圖8給出了基坑變形與抽條加固深度的關系曲線。由圖8可以看出,坑底土體加固深度在5.6 m(0.3H)范圍內,均有良好的抑制變形效果,能夠有效減少地連墻水平位移、基坑底部隆起和坑外地表沉降?？拥淄馏w加固深度在3.7 m(0.2H)左右可以減少基坑變形約75%,對變形控制較為嚴格時,可考慮采用5.6 m(0.3H)深的坑底加固。但加固深度大于5.6 m(0.3H)時,加固效果逐漸減弱,當加固深度超過7.4 m(0.4H)時,基坑變形趨于穩定,基本不再變化。上述研究表明坑底土體加固存在加固深度限值,在該加固深度限值范圍內,隨著加固深度增大,基坑變形減少幅度非常明顯,基坑變形對加固深度變化敏感;超過該深度限值過度地增大坑底土體加固深度對基坑變形的影響不明顯。綜合上述研究,福州地區深厚淤泥質土地鐵深基坑的加固深度建議取0.1H～0.4H,大于0.4H是不經濟的。

不同抽條加固深度下基坑整體穩定性安全系數分布規律如圖9所示?？傮w來看,隨著坑底土體加固深度的增加,安全系數也不斷增大。這是由于坑底土體加固有效抑制了基坑的內力變形,提高了基坑整體穩定性,這也與前面的研究成果相一致。

圖9 基坑穩定性與加固深度關系曲線

當加固深度小于0.3H時,加固深度的增加對增大基坑整體穩定性的影響最為明顯,近似呈線性增長。加固深度超過0.4H以后,基坑整體穩定性安全系數增長速率放緩,加固深度超過0.5H以后,基坑整體穩定性安全系數幾乎不增長。因此,對于不能滿足整體穩定要求的深厚淤泥質土基坑,增加坑底土體加固深度是一種有效的解決方法,但當加固深度超過0.5H以后效果不明顯。綜上所述,當坑底土體加固深度達到一定限值時,繼續增大加固土體深度對控制基坑變形和提高整體穩定性影響甚微。在實際工程中,盲目加大坑底土體加固深度將造成浪費。

4 結論

本文針對福州深厚淤泥質土某地鐵深基坑建立有限元分析模型,模擬基坑開挖過程,系統研究了坑底土體加固置換率、加固深度對基坑變形及整體穩定性的影響。主要結論如下:

1) 工程采取的坑底3 m范圍三軸攪拌樁抽條加固土體措施有效控制了基坑變形,提高了基坑整體穩定性,未采取加固措施的數值分析結果不能滿足基坑變形控制要求。

2) 福州深厚淤泥質土地鐵深基坑安全等級為一級時,抽條加固中坑底土體加固置換率在40%～60%時,可以充分抑制基坑變形,減少地連墻水平位移、基坑底部隆起和坑外地表沉降。加固置換率處于30%～60%時,抽條加固對增大基坑整體穩定性效果最好。

3) 坑底土體抽條加固存在加固深度限值,福州深厚淤泥質土地鐵深基坑坑底土體加固深度建議取0.1H～0.4H(H為基坑開挖深度),大于0.4H以后繼續增大加固深度對控制基坑變形影響甚微。當加固深度小于0.3H時,基坑整體穩定性近似呈線性增長,加固深度超過0.5H以后,基坑整體穩定性曲線趨于平緩。