基坑被動(dòng)區(qū)加固對(duì)基坑支護(hù)體系變形和樁后土體沉降的影響

王永鋒，杜 軍，王利民，鄭志聰，鮮東云，虞亞平，郭逢波，孔劍捷

（中國建筑第五工程局有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

珠海等沿海軟土地區(qū)深基坑工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)常會(huì)在開挖過程中出現(xiàn)變形過大的現(xiàn)象[1-2]。這是因?yàn)榛娱_挖改變了原土層的應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致土體產(chǎn)生變形[3]。珠海地區(qū)多為淤泥質(zhì)土，由于這類土具有高壓縮性和低強(qiáng)度的特點(diǎn)，因此基坑會(huì)產(chǎn)生較大變形[4]。軟土地區(qū)基坑被動(dòng)區(qū)的抵抗力不足，并且開挖結(jié)束至圍護(hù)結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)完成需要一定的工期，在這一過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)出現(xiàn)過大變形，這嚴(yán)重威脅了基坑安全[5]。圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大有很大的危害性，軟土地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移過大會(huì)導(dǎo)致基坑塌陷和周邊土層位移過大，從而造成地下管線斷裂、周邊建筑出現(xiàn)裂縫和沉降等問題[6]。

基坑被動(dòng)區(qū)加固技術(shù)可以很好的改良坑底土體的物理性質(zhì)，增加被動(dòng)區(qū)的抵抗力，減小土體卸載所導(dǎo)致的變形，起到減少支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、水平位移和圍護(hù)樁后土體沉降的效果[7]。影響被動(dòng)區(qū)加固效果的兩個(gè)重要因素分別為加固深度及加固寬度，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一系列研究。馬鄖[8]運(yùn)用有限元分析軟件，研究了不同加固形式對(duì)基坑變形的影響。劉溢等[9]對(duì)位于深厚軟土中的基坑進(jìn)行了不同范圍的被動(dòng)區(qū)壓漿加固，研究發(fā)現(xiàn)隨著加固深度增大，基坑底隆起量、基坑周邊沉降、墻體的水平位移、內(nèi)支撐的軸力均明顯減少。韓映忠等[10]將有限元模擬分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，研究結(jié)果表明被動(dòng)區(qū)加固深度和加固寬度存在臨界值。有些研究[11]認(rèn)為加固效果由加固寬度控制，加固寬度越大加固效果越好；而有的研究[12]則認(rèn)為加固范圍并非越大越好，存在最優(yōu)的加固范圍。

基坑坑內(nèi)土體加固可有效減少基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，但坑內(nèi)加固的深度及寬度如何確定沒有明確的計(jì)算公式，是一個(gè)值得研究的方向[13]?；庸こ碳夹g(shù)規(guī)范規(guī)定[14]，加固體的寬度不宜小于基坑開挖深度的0.4 倍，并不宜小于4 m，深度不宜小于3 m。實(shí)際工程中，加固范圍決定了加固成本，合理的加固范圍可以使項(xiàng)目在有限的成本下獲得最好的加固效果。本文就混凝土灌注樁支擋式結(jié)構(gòu)中的加固區(qū)深度及加固區(qū)寬度對(duì)基坑支護(hù)特性的影響進(jìn)行了研究，比較了不同加固深度和寬度的組合對(duì)基坑圍護(hù)樁變形、坑外地表沉降的影響。

1 工程背景

某實(shí)際工程位于廣東省珠海市橫琴新區(qū)，原始地貌屬濱海平原，淤泥深厚?；幽蟼?cè)是環(huán)島北路，基坑距離電纜溝最近處僅為1.27 m，平行于基坑走向。由表1 知，淤泥土層厚達(dá)28 m，強(qiáng)度低、壓縮性大，即使基坑本身安全，如果基坑變形過大，也會(huì)導(dǎo)致南側(cè)臨水基坑止水帷幕開裂而造成透水事故。另外，基坑西側(cè)變形過大，也可能導(dǎo)致排水管道斷裂、路面下沉等現(xiàn)象。

表1 地層參數(shù)表Table 1 Strata parameters table

該基坑開挖深度為11.5 m，放坡高度為4 m，采用雙排樁進(jìn)行支護(hù)，內(nèi)設(shè)一道鋼筋混凝土水平支撐。由于變形控制嚴(yán)格，坑內(nèi)采用三軸攪拌樁進(jìn)行加固，以此來改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力，減少基坑變形量?；娱_挖面積大，坑內(nèi)加固工程量也直接影響著工程造價(jià)，因此確定合理的加固深度與加固寬度十分重要。

2 計(jì)算模型及計(jì)算內(nèi)容

2.1 坑底加固體力學(xué)參數(shù)

被動(dòng)區(qū)采用三軸攪拌樁加固，以水泥作為固化劑，經(jīng)過攪拌和化學(xué)反應(yīng)后，坑底原狀土體變?yōu)榫哂幸欢◤?qiáng)度的加固土樁體。由于加固后土體強(qiáng)度、剛度提高，在模擬基坑開挖時(shí)，坑底加固體按強(qiáng)度等效法等效為原狀土與水泥土的均勻復(fù)合體計(jì)算。

工程采用普通硅酸鹽水泥三軸攪拌樁對(duì)坑底進(jìn)行加固，且無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求（0.8～1.2）MPa?？紤]到可能受施工質(zhì)量的影響，本文取水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu=1.0 MPa，并取E50=120 qu。由于坑底土主要為淤泥土，根據(jù)《基坑工程手冊(cè)》[15]取水泥土內(nèi)摩擦角φ=30°，粘聚力c=200 kPa。

加固體計(jì)算參數(shù)均按照加固等效公式確定，m為加固體面積置換率，可求得m=0.4。模型中加固體具體參數(shù)如表2所示。

表2 加固材料參數(shù)Table 2 Reinforcement material parameters

式中，Pe為加固體計(jì)算參數(shù)，Pj為水泥土物理力學(xué)參數(shù)，Ps為坑底軟土物理力學(xué)參數(shù)。

2.2 模型設(shè)置

本文采用FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算分析，基坑支護(hù)剖面圖見圖1。本基坑采用雙排樁支護(hù)，排距為6 m，前排樁樁直徑1.4 m，樁間距1.6 m，樁長(zhǎng)36 m；后排樁樁直徑1.2 m，樁間距8 m，樁長(zhǎng)34 m。采用彈性模型，彈性模量30 GPa，泊松比0.2。

圖1 基坑支護(hù)剖面圖Fig.1 Profile of foundation pit support

基坑設(shè)一道鋼筋混凝土水平內(nèi)支撐，主撐的水平間距為8.5 m，支撐截面為1×1 m，采用彈性模型，彈性模量取26 GPa，泊松比取0.2。

土體及加固體采用Mohr-Coulomb 彈塑性模型，土層計(jì)算參數(shù)按照表1選取?？觾?nèi)加固采用三軸攪拌樁，加固形式為格柵式加固，水泥土重度19.0 kN/m3，黏聚力35 kPa，內(nèi)摩擦角25°，變形模量500 MPa，基坑坑頂作用均布荷載取20 kPa。

另外，由于摩擦效應(yīng)的影響，樁和周邊土的實(shí)際變形并不是同步發(fā)生的，為了減小誤差，使計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，可在樁土之間設(shè)置接觸單元。界面黏聚力及界面摩擦角應(yīng)在計(jì)算中進(jìn)行適當(dāng)折減，取相鄰?fù)馏w黏聚力和內(nèi)摩擦角的0.65 倍，界面的法向剛度及切向剛度可按式（2）確定，其具體參數(shù)屬性見表3。

表3 樁土接觸單元Table 3 pile-soil contact unit

由于該基坑變形控制要求高，應(yīng)采用坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體加固的方式進(jìn)行加固，為了更好的確定工程加固效果，本文以2 m 為梯度確定不同的加固寬度和深度，如表4所示，共設(shè)置16個(gè)工況。

表4 試驗(yàn)工況表Table 4 Test condition table

圖2 為FLAC3D中的模型圖，為了方便計(jì)算，本文建模時(shí)作了如下假設(shè)：①地表和土層均呈水平狀分布；②不考慮冠梁的作用，排樁樁頂按照自由端約束條件考慮；③不考慮基坑開挖的過程。

圖2 FLAC3D模型圖Fig.2 FLAC3D model diagram

3 計(jì)算分析

3.1 加固深度對(duì)樁身水平位移影響

圖3 為開挖至坑底時(shí)，被動(dòng)區(qū)加固深度對(duì)前排樁樁身水平位移的影響曲線。由圖可知，樁身的最大水平位移在基坑底約8 m 處，隨著加固深度的增大，圍護(hù)樁側(cè)向變形逐漸減小，圍護(hù)樁的側(cè)向變形曲線呈“內(nèi)凸”形。由于內(nèi)支撐和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖對(duì)支護(hù)樁樁頂和樁底有約束作用，圍護(hù)樁樁底無踢腳現(xiàn)象，其破壞由支護(hù)樁樁身強(qiáng)度和變形控制。

從圖3 中可以看出，樁身水平位移隨著被動(dòng)區(qū)加固深度的增大而減小，增大被動(dòng)區(qū)加固深度可有效減小支護(hù)樁在基坑開挖段內(nèi)的水平位移。在加固寬度為12 m的情況下，加固深度從6 m增加到12 m 過程中，深度每增加2 m，樁身最大位移減少量分別為8.3 mm、4.5 mm、2mm，對(duì)應(yīng)的減幅為30.2%、16.4%、7.2%。加固深度對(duì)樁頂位移影響也很較大，在加固寬度為12 m 的情況下，加固深度從6 m 增加到12 m 過程中，深度每增加2 m，樁頂位移減少量分別為7.4 mm、3.9 mm、1.6 mm，對(duì)應(yīng)的減幅為41.1%、21.6%、8.9%。

圖3 不同加固深度下圍護(hù)樁變形曲線Fig.3 Deformation curve of retaining pile under different reinforcement depths

加固深度從6 m增加到10 m的過程中，樁身最大位移和樁頂位移減幅較大，當(dāng)加固深度超過10 m 時(shí)，繼續(xù)增加加固深度對(duì)控制圍護(hù)樁側(cè)向變形影響不再顯著增加，這說明存在控制圍護(hù)樁側(cè)向變形的最優(yōu)加固深度，大于該深度后，加固深度不再是控制圍護(hù)樁側(cè)向變形的主要因素。因此，本案例被動(dòng)區(qū)最優(yōu)加固深度約為10 m。

3.2 加固寬度對(duì)樁身水平位移影響

圖4為基坑被動(dòng)區(qū)加固寬度對(duì)前排樁樁身水平位移的影響曲線。在加固深度為10 m 的情況下，加固寬度從8 m 增加到14 m，寬度每增加2 m，樁身最大位移減少量分別為5.1 mm、2.8 mm、0.5 mm，樁身最大位移量減幅分別為22.6%、12.4%、2.2%。加固寬度對(duì)樁頂位移影響也很明顯。在深度為10 m 的情況下，加固寬度從8 m 增加到14 m，寬度每增加2 m，樁頂位移減少量分別為2.9 mm、2.2 mm、0.8 mm，樁頂位移減幅分別為32.2%、24.4%、8.9%。

圖4 不同加固寬度下圍護(hù)樁變形曲線Fig.4 Deformation curves of retaining piles under different reinforcement widths

加固寬度從8m 增長(zhǎng)到12 m 的過程中，樁頂位移和樁身水平位移減幅都較大，增大被動(dòng)區(qū)加固寬度能有效減小支護(hù)樁的最大水平位移和樁頂位移。但當(dāng)加固寬度超過12 m 后，增大被動(dòng)區(qū)加固寬度對(duì)支護(hù)樁最大水平位移影響不明顯。這說明存在控制圍護(hù)樁側(cè)向變形的最優(yōu)加固寬度，大于該寬度后，加固體的作用無法充分發(fā)揮，使得經(jīng)濟(jì)上不合理。因此，本案例被動(dòng)區(qū)最優(yōu)加固寬度約為12 m。

3.3 加固深度對(duì)坑外土體變形影響

基坑支護(hù)不僅要保證基坑本身的安全與穩(wěn)定，還要控制基坑周圍土層的變形。深基坑施工會(huì)引起原場(chǎng)地地層的移動(dòng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形會(huì)引起土體側(cè)移和沉降，如果控制措施不合理，就會(huì)使周邊建構(gòu)筑物產(chǎn)生裂縫，影響其正常使用，因此控制坑外地表變形至關(guān)重要。

圖5為不同加固深度下，基坑開挖至坑底時(shí)坑外地表沉降曲線。由圖5 可知，沉降曲線呈“凹槽”狀，隨著加固區(qū)范圍的增加，最大沉降量逐漸減小，但沉降區(qū)域影響范圍和坑外地表最大沉降點(diǎn)依舊分別保持在距離圍護(hù)樁2H和0.5H處。

圖5 不同加固深度下坑外地表變形曲線Fig.5 Surface deformation curves outside the pit with different reinforcement depths

由圖可以看出，坑外地表沉降曲線受加固體深度變化影響明顯。寬度在8 m、10 m、12 m、14 m 的4 種情況下，加固深度從6 m 增加到12 m，對(duì)應(yīng)的沉降量分別減小了22.3 mm、13.8 mm、5.2 mm、4.6 mm，對(duì)應(yīng)的減幅分別為65.1%、59.2%、37.0%、32.1%。這說明加固體深度對(duì)坑外地表變形有較大影響，增加土體加固深度可以減小基坑外土體沉降量。

引起擋土結(jié)構(gòu)外側(cè)地面沉降主要原因有兩種，一是擋土結(jié)構(gòu)在主動(dòng)土壓力的作用下向基坑內(nèi)產(chǎn)生撓曲，土體向坑內(nèi)方向移動(dòng)產(chǎn)生沉降；二是軟土地區(qū)擋土墻嵌固深度不足，坑內(nèi)土體隆起，坑外地面出現(xiàn)沉降。對(duì)于本工程，鉆孔灌注樁穿過深厚軟土層，樁端嵌固在巖層，故引起擋土結(jié)構(gòu)外側(cè)沉降的主要原因是擋土結(jié)構(gòu)側(cè)移導(dǎo)致坑外土體發(fā)生沉降?？觾?nèi)加固可以有效減小圍護(hù)樁的樁身側(cè)向變形，間接影響了樁后土體發(fā)生沉降。故增加坑內(nèi)加固深度，可以有效減少圍護(hù)樁樁身變形量和樁頂位移值，從而有效減少樁后土體沉降量。

3.4 加固寬度對(duì)坑外土體變形影響

圖6 為不同加固寬度下，基坑開挖至坑底時(shí)坑外地表沉降曲線。由圖可知，隨著加固寬度的增加，基坑外地表沉降量逐漸減小。加固深度為6 m、8 m、10 m、12 m 的4 種情況下，加固寬度從8 m增加到14 m，對(duì)應(yīng)的沉降量分別減小了22.1 mm、14.9 mm、8.2 mm、4.6 mm，對(duì)應(yīng)的減幅分別為64.6%、59.6%、49.1%、38.3%。這說明土體加固體寬度對(duì)坑外地表變形的影響較大。分析其原因，主要是因?yàn)榭油獾乇沓两档恼T發(fā)因素是基坑圍護(hù)樁側(cè)向變形，而增加加固體寬度可以直接控制圍護(hù)樁側(cè)向變形，間接影響到坑外地表變形。故增加土體加固寬度可以明顯減小基坑外土體沉降量。

圖6 不同加固寬度下坑外地表變形曲線Fig.6 Surface deformation curves outside the pit with different reinforcement widths

4 結(jié)論

本文結(jié)合珠海地區(qū)某一典型基坑工程，采用FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算，就軟土地區(qū)基坑被動(dòng)區(qū)加固范圍對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響進(jìn)行了分析，討論了加固區(qū)域的深度、寬度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)位移和樁后周邊土體沉降量的影響，得出結(jié)論如下：

（1）隨著加固深度和加固寬度的增加，圍護(hù)樁最大側(cè)移值和樁頂位移值均逐漸減小，這有助于基坑變形控制，也有助于減小圍護(hù)樁后土體沉降。

（2）加固深度存在最優(yōu)范圍，在本例中，加固深度取值應(yīng)該在10 m 左右，加固寬度取值應(yīng)該在12 m左右。

（3）在不同的加固深度和加固寬度條件下，樁后土體沉降區(qū)域影響范圍和坑外地表最大沉降點(diǎn)始終保持在距離圍護(hù)樁2H和0.5H處。

（4）增加坑內(nèi)土體加固范圍能夠有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移，被動(dòng)區(qū)加固對(duì)于減小基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移及地面沉降效果十分顯著。珠海地區(qū)的基坑工程應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件，選擇合理的被動(dòng)區(qū)加固寬度和深度，在合理造價(jià)范圍內(nèi)提高基坑的安全系數(shù)，控制基坑支護(hù)變形。