被動區(qū)土體加固對深基坑變形影響的研究

康志軍, 譚 勇，鄧 剛, 衛(wèi) 彬

(1.同濟大學a.地下建筑與工程系；b.巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092；2.四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設計研究院，成都 611130；3.中鐵二院工程集團有限責任公司 華東勘察設計有限責任公司，上海 200023)

被動區(qū)土體加固對深基坑變形影響的研究

康志軍1a,1b, 譚 勇1a,1b，鄧 剛2, 衛(wèi) 彬3

(1.同濟大學a.地下建筑與工程系；b.巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092；2.四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設計研究院，成都 611130；3.中鐵二院工程集團有限責任公司 華東勘察設計有限責任公司，上海 200023)

被動區(qū)土體加固能有效地控制基坑開挖引起的變形、保護基坑周邊環(huán)境，在實際工程中得到廣泛的應用。對上海軟土地區(qū)某地鐵車站深基坑工程進行數(shù)值模擬，系統(tǒng)地研究了不同土體加固形式對基坑變形的影響。研究結果表明：該工程采取的坑底加固措施使得基坑變形滿足變形控制標準；增大土體加固的深度能顯著地減小圍護結構側向位移、地表沉降和坑底隆起；而過度地增大加固土體的割線模量E50ref對控制基坑變形的效果甚微；在同等條件下，滿堂加固控制基坑變形的能力明顯優(yōu)于裙邊加固。

軟土地區(qū)；深基坑；被動區(qū)土體加固；基坑變形；割線模量； 滿堂加固； 裙邊加固

1 研究背景

軟土地區(qū)的地鐵車站基坑往往開挖深度和開挖面積都較大，開挖卸載將不可避免地引起周圍地層變形，如若對其控制不當，將對周邊環(huán)境造成嚴重影響。數(shù)值模擬已經成為研究基坑變形的重要手段[1-2]。

實際工程中，通過對被動區(qū)土體進行加固，以提高土體承載力和基坑抗變形能力，能達到控制基坑過大變形的目的[3-4]。陳興年等[5]分析了被動加固和主動加固的變形控制原理和設計思路；賈堅[6]分析歸納了土體加固技術在基坑開挖工程中的應用條件、工藝特點及加固設計形式；秦愛芳等[7]以卸荷試驗為基礎，通過室內的土體力學參數(shù)試驗探討了上海軟土地區(qū)基坑工程中坑底土體加固深度的問題；蔣建平[8]基于平面數(shù)值模擬方法對坑底加固體的剛度效應進行了探討；熊春寶等[9]利用ABAQUS建立三維數(shù)值模型，研究了不同坑底加固措施對基坑變形的影響；屈若楓等[10]研究了基坑被動區(qū)階梯式加固尺寸對樁位移的影響；朱志祥等[11]利用FLAC3D研究了基坑加固的作用，但其采用的土體本構模型不能反映土體卸載模量，且文中缺少數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的擬合對比，數(shù)值模型的合理性有待驗證。

本文運用有限元軟件PLAXIS，針對上海軟土地區(qū)某地鐵深基坑開挖進行精細化的數(shù)值模擬，系統(tǒng)地研究了被動區(qū)不同土體加固形式對基坑變形的影響，并進一步對比了滿堂加固和裙邊加固的加固效果，討論了比較合理的土體加固方案。

2 工程概況及有限元模型

本文的研究背景為上海軟土地區(qū)某地鐵深基坑工程[12]?；悠矫娉叽鐬?90 m×20 m，端頭井和中間標準段的最大開挖深度He分別為16 m和18 m，基坑安全等級為二級。本基坑采取“地下連續(xù)墻+4道鋼支撐”的支護結構形式，支護結構詳細設計參數(shù)見表1，中間標準段基坑支護結構剖面如圖1所示。本基坑采用明挖順作法施工，施工周期較長，開挖范圍內有深厚的淤泥質黏土層，為控制基坑開挖引起的變形，在坑底以下3 m范圍內采取壓密注漿加固措施，要求加固土體28 d后的無側限抗壓強度qu≥1.2 MPa。本文基于中間標準段橫斷面建立二維有限元數(shù)值模型，如圖2所示。

圖1 中間標準段基坑支護結構剖面圖Fig.1 Profile of braced excavation at centralstandard segment

圖2 有限元模型網(wǎng)格Fig.2 Meshes of the finite element model

土層名稱層底標高/mγ/(kN·m-3)c′/kPaφ′/(°)ψ/(°)K0E50ref/MPaEoedref/MPaEurref/MPamRinter素填土-219．5102100．641012400．80．3粉質黏土-518．4152500．6067300．80．4淤泥質黏土-1619．2122000．6645240．80．4粉質黏土-2818．7162700．5556280．80．4粉細砂1-3819．243520．431620800．50．4粉細砂2-7019．534030．3620301000．50．4加固土體—20．0504000．4040401600．50．4

注：γ為土體重度；c′為有效黏聚力;φ′為有效內摩擦角;ψ為剪脹角;K0為靜止側壓力系數(shù);E50ref為割線模量;Eoedref為切線模量;Eurref為卸載再加載模量;m為冪指數(shù);Rinter為剛度折減系數(shù)。后續(xù)章節(jié)中的加固土體參數(shù)有：E50ref=Eoedref，Eurref=4E50ref

模型邊界尺寸為120 m×80 m，地下連續(xù)墻與模型左右邊界的距離取50 m，>3倍開挖深度，坑底以下的土層厚度取64 m，為4倍開挖深度。土體采用能考慮開挖條件下土體卸載模量的硬化土模型(Hardening-Soil)，主要土體性質參數(shù)參考文獻[12]中的地質勘探報告，部分性質參數(shù)參考文獻[13]，加固土體的性質參數(shù)參考文獻[14]，如表2所示。地下連續(xù)墻采用板單元模擬，并設置接觸面單元(Goodman單元)模擬土體與結構的相互作用，內支撐采用錨桿單元模擬，各結構單元的EA和EI根據(jù)表1中的尺寸計算得到，其中，混凝土結構的彈性模量E取3×104MPa、鋼結構的E取2×105MPa。

3 有限元計算值與實測值對比

圖3、圖4分別為圍護結構側向位移和地表沉降的有限元計算值與實測值對比，基坑變形實測數(shù)據(jù)來自文獻[12]，其中測點1，2位于中間標準段跨中位置，地連墻變形特點符合平面應變原理。

圖3 兩種開挖深度的圍護結構側向位移Fig.3 Lateral wall deflections at two excavation depths

圖4 開挖至坑底時的地表沉降Fig.4 Ground settlement at final excavation depth

可以看到：①當開挖深度H分別為12 m和16 m時，圍護結構側向位移的有限元計算結果與測點1和測點2的實測數(shù)據(jù)的吻合程度較好；②地表沉降的實測值差別較大，這是由于實測值選取自多個沉降監(jiān)測斷面、實測數(shù)據(jù)有一定的離散性，但有限元計算值均落在實測值的統(tǒng)計范圍之內，且接近實測值的平均值。這表明有限元模型的參數(shù)選取合理，可基于有限元驗證模型進一步研究坑底土體加固對基坑變形的影響。

4 對比工況分析

在驗證模型的基礎上，選取坑底加固土體的割線模量E50ref分別為20，30，40，50，60 MPa，坑底加固深度分別為1，2，3，4 m，坑底無加固措施，共建立21個基坑模型，系統(tǒng)地研究坑底不同土體加固形式對基坑變形的影響。

4.1 對圍護結構側向位移的影響

圖5為坑底不同土體加固形式對應的開挖至坑底時圍護結構側向位移曲線。從圖5(a)可知，土體加固能有效地控制圍護結構側向位移，并迫使最大側向位移所在深度上移至開挖面以上，當加固土體的E50ref達到一定強度時，增大E50ref對圍護結構側向變形的影響甚微：E50ref取20，30，40，50，60 MPa時，開挖至坑底時圍護結構最大側向位移分別為28.2，25.5，23.6，22.2，21.2 mm。從圖5(b)可知，隨土體加固深度的增大，圍護結構最大側移逐漸上移至開挖面以上，圍護結構最大側向位移也明顯減小：加固深度取0，1，2，3，4 m時，對應的圍護結構最大側向位移分別為46.5，35.8，28.2，23.6，21.7 mm。

圖5 土體不同加固形式對應的圍護結構側向位移Fig.5 Lateral deflections of supporting structure indifferent reinforcement cases

圖6為不同土體加固形式開挖至坑底時圍護結構的最大側向位移。當坑底未采取加固措施時，圍護結構最大側向位移接近二級基坑的變形控制標準48mm(δhm≤0.30He)；隨著加固土體的E50ref和土體加固深度的增加，圍護結構最大側向位移能達到一級基坑的變形控制標準22.5mm(δhm≤0.14He)。

圖6 土體不同加固形式的圍護結構最大側向位移Fig.6 Maximum lateral deflections of supportingstructure in different reinforcement cases

4.2 對地表沉降的影響

圖7為不同土體加固形式對應的開挖至坑底時地表沉降曲線?？芍?，坑底土體加固能有效地限制墻后地表沉降的發(fā)展，當加固土體的E50ref達到一定強度時，增大E50ref對地表沉降的影響甚微：E50ref取20，30，40，50，60 MPa時，最大地表沉降分別為30.1，29.2，28.3，27.8，27.1 mm。隨土體加固深度的增大，主要沉降影響范圍也相應減小，且最大地表沉降明顯減?。杭庸躺疃热?，1，2，3，4 m時，對應的最大地表沉降分別為35.9，30.1，25.0，21.3，18.7 mm。當坑底未采取加固措施時，最大地表沉降不滿足二級基坑的變形控制標準32 mm(δvm≤0.20He)。

圖7 土體不同加固形式對應的地表沉降Fig.7 Ground settlements in differentreinforcement cases

4.3 對坑底隆起的影響

圖8為不同土體加固形式對應的開挖至坑底時坑底隆起曲線。可以看到，坑底土體加固能有效地限制坑底土體回彈，且坑底隆起由馬鞍形的塑性回彈變形過渡為拱形的彈性回彈變形，增大加固土體的E50ref對限制坑底隆起的作用不明顯。隨土體加固深度的增加，坑底最大隆起量明顯減?。杭庸躺疃热?，1，2，3，4 m時，對應的基坑中部最大隆起量分別為10.3，9.1，8.2，6.9，5.8 cm。

圖8 土體不同加固深度對應的坑底隆起Fig.8 Bottom upheavals in different reinforcement cases

5 滿堂加固與裙邊加固對比

為比較滿堂加固和裙邊加固對控制基坑變形的效果，建立有限元模型對照組進行數(shù)值模擬，設置有限元模型沿長度方向的加固土體的體積相同，具體參數(shù)見表3。

表3 滿堂加固與裙邊加固有限元模型信息對比

滿堂加固和裙邊加固對應的圍護結構側向位移、地表沉降、坑底隆起如圖9所示?？梢钥吹剑涸诩庸掏馏wE50ref=40 MPa條件下，滿堂加固A，B對應的基坑變形小于裙邊加固A，B的變形值。滿堂加固A，B的圍護結構最大側向位移分別為28.2，23.6 mm，分別小于裙邊加固A，B對應的35.0，30.2 mm；滿堂加固A，B的最大地表沉降分別為22.6，18.3 mm，分別小于裙邊加固A，B對應的26.3，22.6 mm。裙邊加固能較好地限制鄰近圍護結構的土體回彈，但對于基坑中部的坑底隆起的控制能力較差：滿堂加固A，B的坑底最大隆起為7.7和6.3 cm，明顯小于裙邊加固A，B對應的10.7和9.7 cm。

圖9 4種加固方案對應的圍護結構側向位移、地表沉降及坑底隆起Fig.9 Lateral deflections, ground settlements andbottom upheavals in four different reinforcement cases

根據(jù)以上分析可得出如下結論：在加固成本相同的情況下(加固土體的體積相同)，滿堂加固控制基坑變形的能力明顯強于裙邊加固。

6 結 論

本文針對上海某地鐵深基坑進行精細化的有限元數(shù)值模擬，系統(tǒng)地研究了坑底被動區(qū)土體加固對基坑變形的影響，得出以下結論。

(1) 工程采取的坑底3 m范圍內壓密注漿土體加固措施有效地控制了基坑變形：圍護結構最大側移、最大地表沉降均滿足二級基坑的變形控制標準；未采取加固措施的有限元計算結果不滿足變形控制標準。

(2) 隨土體加固深度的增大，圍護結構側向變形顯著減小，且最大側向位移點逐漸上移至開挖面以上，地表沉降的主要影響范圍也逐漸減小，坑底隆起由馬鞍形的塑性回彈變形逐漸過渡為拱形的彈性回彈變形。

(3) 當加固土體的割線模量E50ref達到一定強度時，增大加固土體的E50ref對控制基坑變形的影響甚微。在實際工程中，盲目地加大水泥摻入比將造成嚴重的浪費。

(4) 在土體加固范圍相同的條件下，滿堂加固控制基坑變形的能力明顯強于裙邊加固。在實際工程中，宜優(yōu)先考慮坑底滿堂加固措施。

[1] 湯 瑞，王 強，宮保聚，等.不同施工工序對圍護結構及周邊環(huán)境的影響[J].長江科學院院報, 2016, 33(3):60-64.

[2] 丁洪元，昌 鈺，陳 斌.軟土深基坑雙排樁支護結構的影響因素分析[J].長江科學院院報, 2015,32(5):105-109.

[3] 秦愛芳, 李永圃, 陳有亮. 上海地區(qū)基坑工程中的注漿加固研究[J]. 土木工程學報, 2000, 33(1): 69-72.

[4] 黃宏偉. 深基坑內加固與墻體側向位移的相互影響實測分析[J]. 建筑結構, 2000, 30(11): 55-57.

[5] 陳興年, 劉國彬, 王忠遠. 關于軟土基坑加固的一點看法[J]. 地下空間，2003，22(1)：79-86.

[6] 賈 堅. 土體加固技術在基坑開挖工程中的應用[J]. 地下空間與工程學報，2007，3(1)：132-137.

[7] 秦愛芳, 胡中雄, 彭世娟. 上海軟土地區(qū)受卸荷影響的基坑工程被動區(qū)土體加固深度研究[J]. 巖土工程學報，2008, 30(6)：935-940.

[8] 蔣建平. 深基坑坑底加固體的剛度效應研究[J]. 工程力學，2011，28(6)：130-140.

[9] 熊春寶, 高 鵬, 田力耘, 等. 不同坑底加固方式對深基坑變形影響的研究[J]. 建筑科技, 2015, 46(6):486-490.

[10]屈若楓, 馬 鄖, 徐光黎, 等. 基坑被動區(qū)階梯式加固尺寸對樁位移影響分析[J]. 長江科學院院報, 2013,30(7):86-90.

[11]朱志祥, 劉少煒, 劉新榮, 等. 某地鐵車站軟土深基坑加固效果研究[J]. 地下空間與工程學報, 2014, 10(3):716-720.

[12]TAN Yong, WEI Bin. Observed Behaviors of a Long and Deep Excavation Constructed by Cut-and-cover Technique in Shanghai Soft Clay[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2012, 138(1): 69-88.

[13]王衛(wèi)東, 王浩然, 徐中華. 上海地區(qū)基坑開挖數(shù)值分析中土體HS-Small 模型參數(shù)的研究[J]. 巖土力學, 2013, 34(6):1766-1774.

[14]侯新宇, 劉松玉, 童立元. 被動區(qū)深攪樁加固對地鐵深基坑變形的影響[J]. 東南大學學報, 2010, 40(1):180-184.

(編輯：陳 敏)

Impact of Soil Reinforcement in Passive Zone onthe Deformation Behaviors of Deep Excavation

KANG Zhi-jun1,2, TAN Yong1,2, DENG Gang3, WEI Bin4

(1.Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China; 3.Highway Planning, Survey, Design and Research Institute, Department of Transport of Sichuan Province, Chengdu 611130, China; 4.East China Survey and Design Company Limited, China Railway Eryuan Engineering Group, Shanghai 200023, China)

The deformation behaviors of deep excavation and its adverse impact on surrounding environment could be effectively controlled by reinforcement in the passive zone which is widely applied in actual projects. With a deep excavation for the metro station in Shanghai soft soil area as research background, the impact of reinforcement in passive zone on excavation-induced deformation was investigated by numerical simulations. Results showed that by reinforcement in passive zone, the magnitude of deformations could meet control requirements. With the increase of reinforced depth, deformations such as lateral wall deflection, ground settlement and bottom upheaval could be effectively controlled; but excessive improvement on the magnitude ofE50reffor reinforced soil had little impact. The effect of controlling excavation deformation by reinforcement of entire basal soil is obviously superior to that by reinforcement along the diaphragm wall under equal condition.

soft soil; deep excavation; soil reinforcement in passive zone; excavation deformation; secant modulus; reinforcement of entire basal soil； reinforcement along diaphragm wall

2016-03-08；

2016-04-21

國家“973”重點基礎研究發(fā)展計劃資助項目(2015CB057800)

康志軍(1991-)，男，四川涼山人，碩士研究生，主要從事基坑工程與隧道工程的設計和研究,(電話)18801790817(電子信箱)demfemgeo@163.com。

10.11988/ckyyb.20160195

2017,34(6):119-123

TU447

A

1001-5485(2017)06-0119-05