主、被動土壓區(qū)加固對地鐵深基坑變形影響的數(shù)值分析

侯新宇，劉松玉，童立元

(1.東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 210096;2.江蘇廣播電視大學(xué)建工系，南京 210036)

地鐵深基坑往往都處于城市重要區(qū)域，基坑開挖深度大、地下結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，周圍市政道路密集、建筑物林立、地下市政管網(wǎng)錯綜復(fù)雜［1］。地下工程設(shè)計(jì)、施工等方面存在諸多不確定性因素，基坑開挖變形給基坑自身及周邊環(huán)境的安全和穩(wěn)定帶來巨大的風(fēng)險(xiǎn)。工程中常采用基坑土體預(yù)加固抑制基坑開挖變形。

陳興年［2］提出被動區(qū)加固效果評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和動態(tài)加固設(shè)計(jì)方法;黃宏偉等［3］對被動區(qū)加固提高坑內(nèi)土體性能的效果及支護(hù)結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)進(jìn)行分析;魏洋等［4］等用有限元方法分析了被動區(qū)加固深度、加固程度等對支護(hù)結(jié)構(gòu)性狀的影響;楊敏［5-6］等用彈塑性有限元法分別分析了超載軟土地區(qū)主動區(qū)加固、被動區(qū)加固對鄰近樁基側(cè)向變形影響;胡承軍等［7］通過實(shí)測數(shù)據(jù)分析坑外主動區(qū)加固對基坑變形的影響。目前，針對主被動區(qū)聯(lián)合加固對支護(hù)結(jié)構(gòu)性狀影響的研究并不多見，分析主、被動區(qū)加固對基坑變形的定量影響，能夠有效規(guī)避深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)，降低對周邊環(huán)境的影響，為類似基坑工程的加固設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 地鐵深基坑常見加固方式及機(jī)理

地鐵深基坑常見的加固方式如表1所示。由于施工工藝和對消除環(huán)境影響要求的不同，常常采用深層攪拌樁對基坑內(nèi)側(cè)被動區(qū)土體進(jìn)行開挖前的大范圍預(yù)加固，以及車站端頭井加固;壓密注漿由于具備快速止水和補(bǔ)強(qiáng)，保護(hù)周邊環(huán)境的效果，則多用于基坑外側(cè)的主動區(qū)土體局部范圍的加固;旋噴樁加固可以用于地連墻接頭加固等。

表1 地鐵深基坑常見加固方式［8］

研究表明:基坑加固后形成的復(fù)合土體，其復(fù)合土性能參數(shù)、應(yīng)力路徑、力學(xué)特點(diǎn)等比不加固時(shí)更為復(fù)雜。被動區(qū)加固能夠提高基坑內(nèi)底部土體的強(qiáng)度，增大土體的剛度，減小基坑土體變形;主動區(qū)加固能夠提高相應(yīng)區(qū)域土體的承載力，降低坑外荷載對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，是加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的有效措施之一;基坑主、被動區(qū)同時(shí)加固情況相對復(fù)雜，對其加固效果的定量分析有待進(jìn)一步研究。

2 某地鐵車站工程概況

某地鐵換乘站位于市區(qū)交通樞紐，場地范圍有河流經(jīng)過、地下管線密集復(fù)雜、周邊緊鄰重要文物建筑。場地以晚更新世(Q32－3)淺海相、海陸交相沉積的④－1層粉土、④－2層粉土～粉砂及⑤層粉質(zhì)黏土等為主導(dǎo)，其中④－1、④－2層賦水性、透水性較好，含水量較豐富，微承壓水。埋深較大的⑦－2粉土～粉砂層富含承壓水。

車站基坑呈十字形，本次施工的一號線東西長286.3 m、標(biāo)準(zhǔn)段外包寬度22.7 m，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用1 m厚地下連續(xù)墻，墻體最大埋深34.5 m;支撐體系采用首道鋼筋混凝土(截面1.00 m×1.00 m)加4道φ609 mm(t=16 mm)鋼管支撐。

坑底局部采用φ850 mm三軸攪拌樁加固。由于基坑外側(cè)臨近道路且有市政管線影響，在坑外局部進(jìn)行壓密注漿加固。為研究不同區(qū)域土體加固對基坑變形的影響，選取典型場地條件下，標(biāo)準(zhǔn)段上的3個(gè)斷面進(jìn)行分析比較，即:僅主動區(qū)加固、僅被動區(qū)加固、主被動區(qū)都加固。

3 基坑開挖有限元模型

假定基坑計(jì)算范圍寬度80 m，深度50 m。開挖深度19 m，插入比1∶1。采用Plaxis有限元軟件中的HS(hardening-soil)模型進(jìn)行計(jì)算分析，HS模型是一個(gè)考慮土體剪脹性的塑性模型，能夠較為真實(shí)地模擬土體開挖的變形特性，較其他模型更適用于該場地特點(diǎn)，較為真實(shí)精準(zhǔn)反映實(shí)際工況。基坑土體采用三軸固結(jié)不排水剪的有效應(yīng)力指標(biāo)，支撐和地連墻采用彈性材料模型?？油獬d取20 kPa，距地連墻2 m。參數(shù)詳見表2～表4。典型斷面基坑土體開挖和施加支撐共11工況(圖1)，每次開挖深度到達(dá)下一支撐位置超挖1 m。本次只對開挖過程中的基坑變形進(jìn)行研究。

圖1 基坑加固剖面圖(單位:mm)

表2 地連墻物理力學(xué)參數(shù)

表3 支撐物理力學(xué)參數(shù)

4 數(shù)值模擬結(jié)果

4.1 不同區(qū)域加固對地連墻側(cè)向位移的影響

基坑土體加固都能在一定程度限制支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形，只是趨勢和程度各有不同。

表4 主要土層計(jì)算參數(shù)

圖2 墻體最終側(cè)向位移曲線

由計(jì)算結(jié)果可見，地連墻側(cè)向位移值隨著基坑開挖深度增加而增大(圖2)，開挖達(dá)到基坑底面，地連墻側(cè)向位移達(dá)到最大，主被動區(qū)不加固為33.19 mm，僅主動區(qū)加固為28.59 mm，減小位移13.86%，而僅被動區(qū)加固、主被動區(qū)加固分別為23.46 mm和24.17 mm，減小位移達(dá)30%左右;最終的墻頂位移值，主被動區(qū)不加固和僅被動區(qū)加固分別為5.46 mm和6.39 mm，僅主動區(qū)加固和主被動區(qū)加固分別為3.24 mm和3.85 mm，后2種情況可以限制墻頂位移達(dá)到40%左右;最終墻底位移值，主被動區(qū)加固和主被動區(qū)不加固時(shí)較為接近，僅主動區(qū)加固墻底位移稍大，而僅被動區(qū)加固則稍小。

4.2 不同區(qū)域加固對坑底土體隆起的影響

不同區(qū)域加固都能在一定程度上限制坑底土體隆起。被動區(qū)加固限制隆起量更為明顯，尤其在加固區(qū)附近降幅超過50%，如圖3所示。僅主動區(qū)加固對隆起量影響甚微，降幅僅5%左右。加固限制隆起程度隨距離墻體越遠(yuǎn)而逐漸減弱。

圖3 坑底土體隆起曲線

4.3 不同區(qū)域加固對坑后土體變形的影響

基坑土體加固都能在一定程度上限制基坑背后土體的沉降量(圖4)，尤其在距地連墻接近基坑開挖深度范圍內(nèi)。主被動區(qū)不加固最大沉降值為58.52 mm，僅被動區(qū)加固和僅主動區(qū)加固分別為52.27 mm和53.86 mm，都能限制沉降值達(dá)10%左右，而主被動區(qū)加固的最大沉降值49.41 mm，限制沉降值超過15%。因此，基坑被動區(qū)加固能夠在一定程度上限制坑后土體的沉降變形。

圖4 坑后表面土體沉降曲線

基坑土體開挖導(dǎo)致土層側(cè)向移動。如圖5所示，在基坑背后14 m左右范圍內(nèi)，基坑加固都增加了坑后土體的側(cè)向位移值，但增加甚微不超過5 mm;在基坑背后14 m范圍外，不同區(qū)域加固都能減小土體側(cè)向位移，主被動區(qū)加固最明顯，減小土體側(cè)向位移達(dá)到50%;僅被動區(qū)加固減小土體側(cè)向位移38%左右;僅主動區(qū)加固只為20%不到。因此，基坑被動區(qū)加固能夠在一定程度上限制坑后土體的側(cè)向變形。

圖5 坑后土體水平位移曲線

5 變形比較分析

通過以上數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析得出:基坑不同區(qū)域土體加固都增強(qiáng)基坑整體性，能夠在一定程度上限制基坑土體的變形。主被動區(qū)同時(shí)加固對限制基坑變形最為顯著，僅被動區(qū)加固對限制坑底隆起效果明顯。因此，被動區(qū)加固最為關(guān)鍵;主動區(qū)加固能夠均衡土壓，提高支擋結(jié)構(gòu)的整體工作性狀，有利于產(chǎn)生對支擋結(jié)構(gòu)有益的地層應(yīng)力重分布。

實(shí)際基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)也反映了同樣的變化趨勢(圖6)，僅被動區(qū)加固比主被動區(qū)加固產(chǎn)生的土拱效應(yīng)更為明顯。

圖6 實(shí)測墻體最終側(cè)向位移曲線

綜合以上數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)的比較分析:在三種基坑加固方式中，基坑主被動區(qū)加固提高了加固區(qū)土體的剛度，增強(qiáng)了基坑整體穩(wěn)定性，能夠很好地限制基坑土體的變形，其控制變形的效果最為明顯;基坑被動區(qū)加固效果稍遜于主被動區(qū)加固的情況，但對基坑變形的影響與主被動區(qū)加固較為相似，尤其在限制地連墻最大側(cè)向位移、墻頂位移、坑底隆起量、坑后14 m范圍外的側(cè)向位移等方面，相差幅度不大。因此，主被動區(qū)加固方式中的坑后主動區(qū)加固部分對基坑整體剛度的貢獻(xiàn)不大，對基坑變形影響效果不明顯。

對基坑進(jìn)行僅主動區(qū)加固，雖然能夠在一定程度上提高基坑整體穩(wěn)定性，但與僅被動區(qū)加固方式比較，控制基坑變形的能力遜色很多，只有在控制基坑后18 m范圍內(nèi)的土體沉降量時(shí)其效果與僅被動區(qū)加固相接近。

6 結(jié)論

綜上分析:基坑被動區(qū)加固能夠很好提高基坑整體剛度，增強(qiáng)基坑整體穩(wěn)定性，對減小基坑側(cè)向變形、坑底隆起量起到重要作用，能夠在一定程度限制坑后土體變形?；又鲃訁^(qū)加固能夠增強(qiáng)坑后土體強(qiáng)度和承載力，增強(qiáng)基坑整體性均衡土壓，但對限制基坑變形程度有限。在各種變形要求苛刻的條件下可同時(shí)采用主、被動土壓區(qū)加固的手段。

因此，需要根據(jù)不同地質(zhì)條件和不同荷載要求，選擇合理基坑加固區(qū)域、加固形式，能夠很好地起到提高基坑整體剛度，增強(qiáng)基坑整體穩(wěn)定性，減小基坑土體變形的作用。

［1］趙錫宏，等.大型超深基坑工程實(shí)踐與理論［M］.北京:人民交通出版社，2006:1-7.

［2］陳興年，劉國彬，侯學(xué)淵.深大基坑中的加固效果評價(jià)［J］.建筑技術(shù)，2002，2(33):93-94.

［3］黃宏偉，任臻，錢偉.深基坑內(nèi)加固與墻體側(cè)向位移的相互影響實(shí)測分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2000，30(11):55-57.

［4］魏祥，杜金龍，楊敏.被動區(qū)加固對基坑外樁基礎(chǔ)的變形影響分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(S):37-40.

［5］楊敏，朱碧堂.超載軟土地基主動加固控制鄰近樁基側(cè)向變形分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2003，24(4):76-84.

［6］楊敏，朱碧堂.超載軟土地基被動加固控制臨近樁基側(cè)向變形分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(11):1912-1918.

［7］胡承軍，劉燕，劉濤.坑外攪拌樁加固對基坑變形的影響分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(S):1859-1861.

［8］《地基基礎(chǔ)手冊》編寫委員會.地基處理手冊［M］.2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000:419-424.