軟土深基坑被動(dòng)區(qū)超前加固變形控制效果研究

于至海，吳旭君，曹文昭

(1. 中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088； 2. 中國(guó)京冶工程技術(shù)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518055；3.中冶建筑研究總院(深圳)有限公司，廣東 深圳 518055)

0 引 言

近年來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，在新城開(kāi)發(fā)與舊城改造過(guò)程中，地下空間的利用得到了極大的發(fā)展，基坑工程如今正在向深度更深、面積更大、距離更近、影響因素更多和周?chē)h(huán)境更復(fù)雜的方向發(fā)展，變形控制已經(jīng)成為深基坑工程設(shè)計(jì)施工的主要控制要素[1]。

中國(guó)濱海地區(qū)軟土分布廣泛，如珠海等地區(qū)，30～40 m厚的淤泥地質(zhì)分布并不少見(jiàn)。在此類(lèi)地區(qū)進(jìn)行基坑工程建設(shè)對(duì)基坑設(shè)計(jì)和施工來(lái)說(shuō)是巨大的挑戰(zhàn)。為控制軟土區(qū)深基坑的變形，一味增加支護(hù)樁直徑、長(zhǎng)度和增大內(nèi)支撐尺寸會(huì)使工程量變得巨大?；颖粍?dòng)區(qū)加固作為一種有效的變形控制手段，在軟土深基坑工程中已得到廣泛應(yīng)用，它可以改善被動(dòng)區(qū)坑底土體的物理力學(xué)指標(biāo)，提高被動(dòng)區(qū)土體的強(qiáng)度及剛度，從而有效抑制基坑開(kāi)挖時(shí)土體的變形，達(dá)到控制基坑變形的目的[2]。

表1中列出了5個(gè)基坑被動(dòng)區(qū)加固的工程實(shí)例及其應(yīng)用場(chǎng)景說(shuō)明[2-6]。雖然基坑被動(dòng)區(qū)加固已在軟土地區(qū)廣泛應(yīng)用，但并沒(méi)有明確的設(shè)計(jì)方法，實(shí)際工程應(yīng)用高度依賴(lài)當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，眾多學(xué)者針對(duì)加固參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。馬海龍[7]分析了被動(dòng)區(qū)裙邊加固的加固深度及加固寬度對(duì)基坑變形的影響，結(jié)果表明裙邊加固存在合理加固深度及加固寬度；鄭俊杰等[8]結(jié)合地鐵車(chē)站實(shí)例分析指出，裙邊加固寬度與加固深度相當(dāng)時(shí)，加固效果最優(yōu)，且裙邊和抽條結(jié)合的加固形式中，保持裙邊加固參數(shù)不變，加固效果主要與抽條加固的置換率有關(guān)，與其斷面形狀、布置形式無(wú)關(guān)；秦愛(ài)芳等[9]以卸荷試驗(yàn)為基礎(chǔ)，從強(qiáng)度、變形和側(cè)應(yīng)力變化3個(gè)方面對(duì)被動(dòng)區(qū)土體加固深度進(jìn)行了研究，給出了上海地區(qū)加固深度的參考值；熊春寶等[10]對(duì)滿堂、裙邊、抽條、格柵4種被動(dòng)區(qū)加固形式在坑底隆起和圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的控制效果方面進(jìn)行了討論；也有一些學(xué)者對(duì)加固土體剛度的影響效果進(jìn)行了分析[11-12]。

表1 基坑被動(dòng)區(qū)加固工程實(shí)例Table 1 Examples of Passive Zone Reinforcement of Foundation Pits

被動(dòng)區(qū)加固通常指坑底土體的加固，但也包括坑底以上開(kāi)挖段土體的超前加固，其平面布置可參考常見(jiàn)的坑底加固布置形式。開(kāi)挖段超前加固的復(fù)合土體最終會(huì)隨基坑開(kāi)挖而被挖除，但它對(duì)基坑變形性狀仍有重要影響，部分學(xué)者對(duì)開(kāi)挖段超前加固進(jìn)行了一定的研究。懷文衛(wèi)等[13]結(jié)合上海一實(shí)際工程，對(duì)加固體增加縱向范圍的加固效果進(jìn)行了分析；壽旋等[14]推導(dǎo)了考慮加固土體作用下的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形公式，結(jié)合實(shí)際工程指出增加加固體高度的方法在沿海軟土地區(qū)具有較強(qiáng)的適用性；李志偉等[15]對(duì)開(kāi)挖段被動(dòng)區(qū)加固效果進(jìn)行了系統(tǒng)分析，得到了開(kāi)挖段加固體的最優(yōu)加固高度和最優(yōu)加固寬度。

在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中，基坑被動(dòng)區(qū)加固技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性已得到越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家的認(rèn)可，而對(duì)軟土區(qū)基坑開(kāi)挖段的超前加固，相關(guān)的研究和應(yīng)用還較少。本文運(yùn)用FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)基坑底被動(dòng)區(qū)加固和開(kāi)挖段超前加固的效果及規(guī)律進(jìn)行探究，以期為濱海軟土區(qū)深基坑工程設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程實(shí)例與模型建立

1.1 工程實(shí)例

某基坑位于廣東省佛山市[16]，基坑平面呈正方形，長(zhǎng)度約為94 m，寬度約為93 m，開(kāi)挖深度約10.5 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 000@1 200的灌注樁，樁長(zhǎng)20.4 m，內(nèi)支撐采用一道800 mm×800 mm的鋼筋混凝土支撐，設(shè)置在-1 m處。因坑底存在軟弱土層，在坑底進(jìn)行寬3.25 m、深5.0 m的裙邊加固，被動(dòng)區(qū)采用φ550@450的攪拌樁進(jìn)行加固，置換率約為1?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)和水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置如圖1所示。本文各土層參數(shù)以及支護(hù)構(gòu)件、加固體等物理力學(xué)參數(shù)均參照文獻(xiàn)[16]取值，其中土層參數(shù)結(jié)合監(jiān)測(cè)點(diǎn)處鉆孔土樣確定，支護(hù)構(gòu)件、加固體參數(shù)由抽芯檢測(cè)強(qiáng)度與經(jīng)驗(yàn)比例換算關(guān)系得出，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置Fig.1 Layout Plan of Excavation Support Structure and Horizontal Displacement Measuring Points

表2 土層及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and Mechanical Parameters of Soil Layers and Structural Elements

1.2 數(shù)值模擬幾何模型

根據(jù)本工程基坑平面形狀和基坑支護(hù)布置的對(duì)稱(chēng)性，取基坑1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，坑內(nèi)尺寸取47 m(長(zhǎng))×47 m(寬)?？紤]基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)馏w的影響，坑外水平方向另取4倍基坑開(kāi)挖深度，坑底豎直方向另取3倍基坑開(kāi)挖深度。

針對(duì)本文研究?jī)?nèi)容建立A，B，C三種地層分布的基坑模型，如表3和圖2所示。基坑模型A各參數(shù)與工程實(shí)例一致，通過(guò)基坑模型A進(jìn)行土體本構(gòu)模型的比選，同時(shí)將模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證有限差分模型的有效性?；幽Ｐ虰在基坑模型A的基礎(chǔ)上增大了基坑底軟土的厚度，開(kāi)展坑底深厚軟土下被動(dòng)區(qū)加固規(guī)律的探究，并可與基坑模型A已有的裙邊加固結(jié)論[16]進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證?；幽Ｐ虲進(jìn)一步增大了開(kāi)挖深度和軟土覆蓋深度，開(kāi)展多道支撐下的開(kāi)挖段超前加固應(yīng)用探究。

表3 基坑模型參數(shù)Table 3 Parameters of Foundation Pit Models

圖2 基坑三維模型Fig.2 3D Model of Foundation Pit

1.3 施工過(guò)程模擬

以基坑模型A為例，對(duì)基坑的開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬：①整個(gè)土體模型進(jìn)行初始地應(yīng)力計(jì)算，將位移清零；②進(jìn)行被動(dòng)區(qū)加固并施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)，將位移清零；③開(kāi)挖1 m；④在-1 m處架設(shè)首道支撐，繼續(xù)開(kāi)挖9.5 m到底。特別指出，為充分考慮軟土基坑中支撐施工前基坑已發(fā)生變形的實(shí)際情況，開(kāi)挖1 m后先進(jìn)行模擬計(jì)算，而不是開(kāi)挖1 m在-1 m處架設(shè)好支撐再計(jì)算，本文其他工況均按此原則進(jìn)行模擬。

1.4 土體本構(gòu)模型選擇

摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型(MC模型)綜合了胡克定律和Coulomb破壞準(zhǔn)則，參數(shù)簡(jiǎn)單明確，在巖土工程數(shù)值計(jì)算中是應(yīng)用最為廣泛的模型，但這并不代表MC模型在所有巖土工程問(wèn)題中都適用。MC模型能較好地描述土體的破壞行為，在一些強(qiáng)度問(wèn)題的研究中有較強(qiáng)的適用性，而對(duì)于基坑開(kāi)挖，它不能較好地描述土體破壞前的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，無(wú)法區(qū)分加載和卸載，也不能考慮應(yīng)力歷史的影響[17]。土體硬化模型可以克服MC模型的上述不足，能較好地模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程，描述基坑變形，已成為基坑工程數(shù)值分析中應(yīng)用最多的模型之一[18]。

為比選MC模型與PH模型，對(duì)基坑模型A中土體分別應(yīng)用MC模型和PH模型進(jìn)行模擬計(jì)算，以對(duì)比2種本構(gòu)模型對(duì)工程實(shí)例變形描述的合理性。特別指出，對(duì)土體應(yīng)用MC模型時(shí)，加固土體也可應(yīng)用MC模型[8]；對(duì)土體應(yīng)用PH模型時(shí)，加固土體也可采用PH模型，且各模量比例系數(shù)可與硬土取值一致[21]。開(kāi)挖至坑底時(shí)，基坑位移情況如圖3～5所示。

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線Fig.3 Horizontal Displacement Curves of Retaining Wall

圖4 坑底隆起曲線Fig.4 Heave Curves of Bottom Ground

圖5 坑外地表沉降曲線Fig.5 Settlement Curves of Ground Surface

可以看出，應(yīng)用PH模型計(jì)算出的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移值與實(shí)測(cè)值擬合較好，對(duì)坑底隆起和坑外地表沉降的描述也較符合實(shí)際工程規(guī)律。MC模型計(jì)算出的坑底隆起值約為200 mm，坑外局部地表土體“鼓出”地面標(biāo)高，顯然有悖實(shí)際情況，這與MC模型不能區(qū)分加載和卸載的土體剛度有較大關(guān)聯(lián)。考慮到坑底隆起和坑外沉降直接反映基坑開(kāi)挖的土體位移情況，推測(cè)MC模型圍護(hù)樁底位移過(guò)大的反常情況是由于土體位移過(guò)大造成的。綜上可以看出，在基坑工程的數(shù)值分析中，PH模型有較強(qiáng)的適用性，MC模型則應(yīng)謹(jǐn)慎使用。

2 基坑底被動(dòng)區(qū)加固效果

本節(jié)對(duì)基坑底裙邊加固和滿堂加固2種被動(dòng)區(qū)加固形式的加固效果及規(guī)律進(jìn)行探究，2種加固形式示意圖如圖6所示。

圖6 被動(dòng)區(qū)加固示意圖Fig.6 Sketches of Passive Zone Reinforcement

2.1 基坑底裙邊加固

基坑模型B坑底有厚達(dá)9 m的淤泥，對(duì)其進(jìn)行坑底裙邊加固，分別保持加固深度8 m不變調(diào)整加固寬度以及保持加固寬度8 m不變調(diào)整加固深度，加固效果如圖7，8所示。

圖7 裙邊加固寬度和深度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響Fig.7 Influence of Skirt Edge Reinforcement Widths and Depths on Horizontal Displacements of Retaining Wall

圖8 裙邊加固寬度和深度對(duì)基坑外地表沉降的影響Fig.8 Influence of Skirt Edge Reinforcement Widths and Depths on Surface Settlements Outside Foundation Pit

從圖7(a)，8(a)中可以看出，保持加固深度8 m不變時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和坑外地表沉降在加固寬度1～5 m的減少值明顯大于加固寬度5～9 m的減少值。將基坑開(kāi)挖深度記為h，本基坑模型h=10 m，即可以確定基坑模型B裙邊加固的合理加固寬度為0.5h，這與基坑模型A合理加固寬度的規(guī)律[16]基本一致。

關(guān)于合理加固深度，文獻(xiàn)[16]得到基坑模型A合理加固深度取0.5h～0.6h的結(jié)論。對(duì)于基坑模型B，從圖7(b)，8(b)中可以看出，當(dāng)加固深度達(dá)9 m時(shí)加固效果陡增，這是因?yàn)榧庸躺疃冗_(dá)9 m時(shí)加固范圍已覆蓋坑底全部軟土，加固土已接觸到強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，與底面接觸淤泥相比，摩擦力大大提高，故變形控制效果陡增。加固深度為1～7 m時(shí)，在1～5 m范圍內(nèi)位移控制程度逐漸增加，但加固深度5～7 m對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的減少量已小于加固深度3～5 m時(shí)對(duì)應(yīng)的減少量，坑外地表沉降值的減少量則已差不多，均沒(méi)有繼續(xù)增加的趨勢(shì)，仍可見(jiàn)5 m處有拐點(diǎn)。因此可以得出裙邊加固的合理加固深度可取0.5h～0.6h，但加固深度的變形控制效果與坑底的土層情況密切關(guān)聯(lián)，裙邊加固深度應(yīng)盡量覆蓋坑底軟土層。

2.2 基坑底滿堂加固

對(duì)基坑模型B分別進(jìn)行深度1～5 m的滿堂加固，如圖9，10所示。由圖9，10可以看出，加固深度大于3 m后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及坑外地表沉降的控制效果均明顯減弱，由此得到滿堂加固的合理加固深度為0.3h。

圖9 滿堂加固深度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響Fig.9 Influence of Full Pit Bottom Reinforcement Depths on Horizontal Displacements of Retaining Wall

圖10 滿堂加固深度對(duì)基坑外地表沉降的影響Fig.10 Influence of Full Pit Bottom Reinforcement Depths on Surface Settlements Outside Foundation Pit

2.3 裙邊加固與滿堂加固的對(duì)比

在得到裙邊加固和滿堂加固合理加固參數(shù)的基礎(chǔ)上，分別對(duì)基坑模型B(開(kāi)挖深度10 m)和基坑模型C(開(kāi)挖深度15 m)以2種加固方式的合理加固參數(shù)進(jìn)行加固，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移和坑外地表最大沉降的模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)在表4中。

表4 位移控制效果對(duì)比Table 4 Comparison of Displacement Control Effect

由2個(gè)模型的加固效果綜合來(lái)看，在深厚軟土基坑工程中取合理加固參數(shù)進(jìn)行加固時(shí)，裙邊加固對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移的控制約為25%，滿堂加固約為65%，裙邊加固對(duì)坑外地表最大沉降值的控制約為35%，滿堂加固約為80%。滿堂加固的位移控制效果明顯強(qiáng)于裙邊加固，實(shí)際工程應(yīng)根據(jù)基坑尺寸、開(kāi)挖深度、需要的控制程度等來(lái)合理選擇加固形式。

特別指出，合理加固范圍僅代表加固效果幅度減弱的拐點(diǎn)，超過(guò)合理加固范圍基坑底被動(dòng)區(qū)加固的變形控制作用仍將繼續(xù)發(fā)揮。

3 開(kāi)挖段超前加固應(yīng)用分析

3.1 嚴(yán)格變形條件下的開(kāi)挖段超前加固分析

在一些軟土基坑工程中，若周?chē)o鄰重要的建(構(gòu))筑物，則需要嚴(yán)格控制基坑變形，此時(shí)可首選滿堂加固。

對(duì)基坑模型C(開(kāi)挖深度h=15 m)進(jìn)行滿堂加固，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移如圖11(a)所示?？梢钥闯觯庸绦Ч墓拯c(diǎn)發(fā)生在加固深度4～6 m處，驗(yàn)證了滿堂加固合理深度0.3h的結(jié)論。為進(jìn)一步控制變形，需增加加固深度，當(dāng)超過(guò)0.5h(深度8～12 m)后，最大水平位移從坑底以下位置上移到最后一道撐至坑底的區(qū)域，此時(shí)考慮對(duì)此區(qū)域進(jìn)行超前加固。

圖11(b)展示了2種加固方案開(kāi)挖到底時(shí)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線，一種方案為坑底12 m加固，另一種方案則把其中的4 m置于最后一道撐至坑底區(qū)域，即坑底加固8 m和開(kāi)挖段超前加固4 m，超前加固示意圖如圖12所示。兩者最大位移分別為16.49 mm和14.18 mm，表明開(kāi)挖段超前加固比坑底加固更有效。此外，雖然開(kāi)挖至坑底時(shí)超前加固部分已被挖除，但坑底以上圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移較只有坑底加固的情況仍整體減小，這是超前加固在最后一道撐以上土體開(kāi)挖過(guò)程中變形控制的累加效果造成的。

圖11 超前加固對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響Fig.11 Influence of Reinforcement Before Excavation on Horizontal Displacement of Retaining Wall

圖12 超前加固示意圖Fig.12 Sketch of Reinforcement Before Excavation

綜上，滿堂加固深度超過(guò)0.5h后，可優(yōu)先考慮超前加固最后一道撐至坑底范圍的土體。

3.2 超前加固下的首道撐下移分析

在圍護(hù)結(jié)構(gòu)+內(nèi)支撐形式的基坑工程中，靠近樁頂處土壓力很小，但首道撐通常設(shè)置在地面標(biāo)高0 m或-1 m的位置，這主要是因?yàn)榛映跏奸_(kāi)挖時(shí)頂部如果沒(méi)有支撐會(huì)形成圍護(hù)結(jié)構(gòu)懸臂狀態(tài)，很容易造成樁頂位移過(guò)大。超前加固為首道撐下移、減少一道支撐的設(shè)計(jì)提供了可行方案。

下面對(duì)比2種方案：方案1基坑模型C改為2道支撐，分別設(shè)置在-3.5 m和-10.5 m的位置，采用5 m坑底滿堂加固，以及首道撐下1.5 m(-4～-5.5 m)的開(kāi)挖段滿堂形式的超前加固；方案2基坑模型C坑底5 m滿堂加固，按原設(shè)計(jì)實(shí)施3道支撐。開(kāi)挖過(guò)程模擬時(shí)，每次開(kāi)挖至下一道支撐下平面處或坑底處。因此方案1的開(kāi)挖模擬過(guò)程分3步，分別為Step1挖至第1道支撐下，Step2設(shè)置第1道支撐并挖至第2道支撐下，Step3設(shè)置第2道支撐并開(kāi)挖到底。相應(yīng)地，方案2有3道支撐，故有4個(gè)開(kāi)挖步驟。2種方案各開(kāi)挖步下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移如圖13所示。

圖13 各開(kāi)挖步下圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線Fig.13 Horizontal Displacement Curves of Retaining Wall in Different Steps

通過(guò)超前加固，方案1第1步開(kāi)挖至-4 m時(shí)，樁頂位移僅為11.09 mm，開(kāi)挖到底時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為29.14 mm，方案2則為29.12 mm，開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂位移的控制以及開(kāi)挖到底的最大側(cè)移控制均證明了減撐方案的可行性。

依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，分別以300元·m-3和1 600元·m-3估算本模型水泥攪拌樁施工和支撐施工的成本，首道撐下1.5 m超前加固造價(jià)約為100萬(wàn)元，減少的首道撐造價(jià)約為60萬(wàn)元，雖然建設(shè)造價(jià)有所增加，但可減少首道撐的拆除及廢料處理費(fèi)用，同時(shí)開(kāi)挖段超前加固不占用額外工期，這意味著在工期上可節(jié)省出首道支撐的支模、澆筑、養(yǎng)護(hù)及后續(xù)拆撐的時(shí)間。

在珠海等地區(qū)，常見(jiàn)地表3～4 m填土下分布深厚淤泥的地質(zhì)，此時(shí)在填土下進(jìn)行超前加固，既可以使首道撐下移作減撐設(shè)計(jì)，又可以為首層土開(kāi)挖、首道撐(下移后的)架設(shè)施工提供便利，對(duì)坑內(nèi)立柱樁因軟土開(kāi)挖易造成的側(cè)向偏移問(wèn)題也將大為改善，該方法配合施工方案可發(fā)揮更大的綜合作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)硬化模型能描述土體非線性關(guān)系，區(qū)分加載卸載，考慮土體硬化等因素，比摩爾-庫(kù)侖模型在基坑變形的描述上更加合理，在基坑工程中具有更強(qiáng)的適用性。

(2)裙邊加固的合理加固寬度可取0.5h，合理加固深度可取0.5h～0.6h，但加固深度與坑底地層密切關(guān)聯(lián)，坑底如有軟土，加固深度應(yīng)盡量覆蓋軟土層。

(3)滿堂加固合理加固深度可取0.3h，需要進(jìn)一步控制基坑位移時(shí)可增加滿堂加固深度，加固深度超過(guò)0.5h后，應(yīng)優(yōu)先考慮加固最后一道撐到坑底的土體。

(4)軟土深基坑以本文中總結(jié)的合理加固參數(shù)進(jìn)行加固時(shí)，裙邊加固對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移的控制約為25%，滿堂加固約為65%，裙邊加固對(duì)坑外地表最大沉降值的控制約為35%，滿堂加固約為80%，可為基坑設(shè)計(jì)提供參考。

(5)開(kāi)挖段超前加固為首道撐下移、減少支撐的設(shè)計(jì)方式提供了可行方案，配合施工方案可發(fā)揮最大效用。