主動區(qū)土體加固對深厚淤泥質(zhì)土地鐵深基坑變形的影響

史學聰，范存新，郭 兵，田德新，劉得俊

（1.蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011；2.中鐵十六局集團有限公司，江蘇 昆山 215334）

隨著我國地下軌道交通的快速發(fā)展，遇到惡劣地質(zhì)條件的概率大大增加，如果淤泥質(zhì)土的厚度超出了一般標準，則對地下空間結(jié)構(gòu)的變形控制提出了更高的要求。因為地下結(jié)構(gòu)變形是被動、主動土壓力共同作用的結(jié)果，所以主動區(qū)加固對地下結(jié)構(gòu)變形有著很大的影響，許多研究者對此進行了研究。文獻[1]研究了上海某基坑端頭井外的加固土體對基坑變形的不利影響，其軟土層約8 m。文獻[2]研究了蘇州某地鐵基坑的端頭井外加固與否對圍護結(jié)構(gòu)變形的影響，其軟土層約9 m，且分布極不均勻。文獻[3]模擬研究了主動區(qū)加固深度和寬度對基坑變形的影響，其研究土質(zhì)條件為單一砂性土。文獻[4]研究了濟南市某基坑主動、被動區(qū)加固和樁錨圍護方案對圍護結(jié)構(gòu)變形的影響，開挖范圍內(nèi)全為雜填土。文獻[5]從基坑外高壓旋噴樁機理入手，研究了高壓旋噴樁對圍護結(jié)構(gòu)變形的影響。文獻[6]研究了SMW工法樁+應力擴孔錨索、被動區(qū)和主動區(qū)加固的圍護方案的可行性。文獻[7]研究了某基坑主動區(qū)與被動區(qū)土體加固的不同組合方式對地連墻水平位移的影響。但以上對主動區(qū)加固的研究集中于加固方式，并未涉及到在深厚淤泥質(zhì)黏土的地質(zhì)條件下對主動區(qū)加固范圍和加固強度的關注，東南沿海地區(qū)的軟土厚度一般在10～20 m的范圍內(nèi)[8]，軟土層厚度對基坑變形影響極大[9]。探索主動區(qū)加固對深厚淤泥質(zhì)土地鐵深基坑變形的影響具有十分重要的工程意義。

本文以昆山地鐵基坑時代大廈站為背景，建立ABAQUS三維模型，研究深厚淤泥質(zhì)土作用下主動區(qū)加固深度、加固寬度、加固強度對地連墻水平位移的影響，為類似工程提供參考。

1 工程概況及數(shù)值模型的建立

1.1 工程概況

本文工程為蘇州地鐵基坑時代大廈站，該基坑平面尺寸為306.8 m×42.5 m，標準段開挖深度17.195 m，開挖范圍內(nèi)全為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，此類土的平均深度比基坑坑底多2 m左右。基坑安全等級為一級。基坑標準段的圍護形式為：C35地下連續(xù)墻、3道C30混凝土支撐、3道C30道連梁、1道C30冠梁、2道C30腰梁。圍護結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)見表1所列，基坑標準段的圍護結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。基坑采用明挖法施工，每次開挖至下一道支撐下方0.35 m。

圖1 基坑標準段圍護結(jié)構(gòu)剖面圖（尺寸單位：mm；標高：m）

表1 基坑圍護結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù) mm

為控制土體開挖導致的基坑變形，基坑坑內(nèi)采用“抽條+裙邊”加固方式，裙邊加固寬度6 m，抽條加固寬度4 m，抽條之間間隔6 m，其在基坑部分標準段的平面布置形式如圖2所示。抽條和裙邊加固土體的強度在基坑深度方向上分為強加固和弱加固，利用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥對坑底以下3 m范圍內(nèi)的裙邊與抽條加固區(qū)域進行強加固，水泥摻入比為14%；對地表至坑底范圍內(nèi)的裙邊與抽條加固區(qū)域進行弱加固，水泥摻入比為7%。

圖2 基坑部分標準段坑內(nèi)加固的平面布置圖

第一道混凝土支撐

1.2 模型的建立及邊界條件

考慮到坑角效應的影響，取距離坑角15～20 m外的部分標準段建立模型[10]，寬度為29 m；考慮到邊界效應的影響，模型的水平邊界與地連墻的距離至少取開挖深度的5倍[11]；模型的高度取開挖深度的2~4倍[12]；模型尺寸為29 m×342.9 m×75 m（X×Y×Z）。為了限制模型的位移，在X向模型邊界面施加一對X向位移約束，在Y向模型邊界面施加一對Y向位移約束，模型底部邊界面施加X、Y、Z向約束，格構(gòu)柱的Z向支撐作用由Z向位移約束來代替?；幽Ｐ腿鐖D3所示。

圖3 基坑模型

1.3 模型本構(gòu)關系

原狀土體采用修正劍橋模型本構(gòu)關系，強加固和弱加固土體采用摩爾庫倫模型本構(gòu)關系，圍護結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)關系。

摩爾庫倫模型中，施工部門僅檢測了強加固土體的無側(cè)限抗壓強度，其實測值為0.8 MPa，加固土體的其他物理力學參數(shù)需結(jié)合相關取值方法[13-14]推算得出，加固土體物理力學參數(shù)如表2所列。修正劍橋模型中，土層參數(shù)的選取可以根據(jù)該工程的地質(zhì)勘察報告中土質(zhì)的物理力學參數(shù)，并結(jié)合修正劍橋模型與土工試驗參數(shù)的對應關系[11]得出?；痈魍翆游锢砹W參數(shù)見表3所列。

表2 加固土體物理力學參數(shù)

表3 土層物理力學參數(shù)

1.4 土與圍護結(jié)構(gòu)間的接觸模型

土與地連墻的接觸面采用摩擦接觸，法向擠壓行為受“硬”接觸模型控制，即假定接觸面可以傳遞無限大的壓力而不能傳遞拉力。切向摩擦受“罰”摩擦模型控制，服從庫侖摩擦定律。摩擦行為由摩擦系數(shù)和極限剪切滑移量確定[15]，分別取0.3 mm和5 mm。支撐與地連墻在施工過程中的連接方式為鋼筋焊接，所以支撐結(jié)構(gòu)單元與地連墻單元采用綁定進行連接，實現(xiàn)力的傳遞。

1.5 模型的單元類型

地連墻采用3維8節(jié)點非協(xié)調(diào)實體單元進行模擬；混凝土支撐、連梁、腰梁、冠梁采用梁單元進行模擬；土體單元采用3維8節(jié)點減縮積分孔壓單元進行模擬。

2 數(shù)值模擬過程及驗證

2.1 數(shù)值模擬過程

基坑變形主要由土方開挖引起，不考慮降水對基坑變形的影響，故模擬內(nèi)容為基坑開挖。在ABAQUS軟件中按基坑開挖的步驟進行數(shù)值模擬，具體模擬過程：（1）地連墻施工，初始地應力平衡；（2）第一層土開挖，開挖深度為1.85 m；（3）安置冠梁、第一道連梁和第一道混凝土支撐；（4）第二層土開挖，開挖深度6.50 m；（5）安置腰梁、第二道連梁和第二道混凝土支撐；（6）第三層土開挖，開挖深度為5.00 m；（7）安置腰梁、第三道連梁和第三道混凝土支撐；（8）第四層土開挖，開挖深度為3.845 m，模擬結(jié)束。

土體的開挖和支撐的安置使用ABAQUS中的Modal change模塊來設置：在初始地應力平衡中“殺死”支撐結(jié)構(gòu)，然后在后續(xù)的分析步中依次“殺死”所要挖掉的土體，并“激活”相應的支撐結(jié)構(gòu)。

2.2 模擬結(jié)果的驗證

通過對8個開挖步驟進行模擬，將監(jiān)測值與模擬值一并對比，監(jiān)測點布置和模型所在位置如圖4所示。圖5為基坑開挖完成后CX30處的地連墻水平位移圖，該處地連墻最大水平位移的監(jiān)測值為37.32 mm，其位置分布于地連墻深度為14 m。地連墻最大水平位移的模擬值為38.33 mm，其位置分布于地連墻深度11.35 m。監(jiān)測值與模擬值較為相近，吻合較好，驗證了此模型參數(shù)的合理性。

圖4 基坑監(jiān)測點及模型所在位置示意圖

圖5 監(jiān)測點CX30處地連墻水平位移的監(jiān)測值與模擬值

3 數(shù)值模擬分析

3.1 分析參數(shù)的設置

本文研究的主動區(qū)加固土體的參數(shù)有：加固深度，加固寬度，無側(cè)限抗壓強度，具體參數(shù)取值如表4所列，建立共22個基坑模型，主動區(qū)加固尺寸如圖6所示，系統(tǒng)研究主動區(qū)加固土體對A-A截面處（見圖4）地連墻水平位移影響，并對該截面處的墻后土壓力進行分析。

圖6 主動區(qū)加固尺寸

表4 主動區(qū)加固土體的參數(shù)取值

3.2加固寬度對地連墻水平位移的影響

圖7為加固寬度對地連墻水平位移影響曲線。加固土體的無側(cè)限抗壓強度為0.8 MPa，加固深度為1.2H。由圖可知，地連墻水平位移在深度方向呈現(xiàn)“弓形”分布，即兩端小，中間大。地連墻水平位移隨加固寬度的增大而減小。

圖7 加固寬度對地連墻水平位移的影響

圖8為加固寬度與開挖深度的比值對地連墻最大水平位移的影響曲線。由圖8可知，地連墻最大水平位移隨著加固寬度的增大而非線性減小。當加固寬度從0.2H增大至0.4H時，地連墻最大水平位移減小速率為最大，此范圍內(nèi)的地連墻最大水平位移的減小量占總減小量的37.5%。當加固寬度大于0.8H后，地連墻最大水平位移變化不大，說明繼續(xù)增加加固寬度對降低地連墻最大水平位移的效果不明顯。綜上所述，主動區(qū)加固寬度在0.2H～0.8H范圍內(nèi)取值，加固效果相對較好。

圖8 加固寬度與開挖深度的比值對地連墻最大水平位移的影響

圖9為加固寬度對地連墻后土壓力的影響曲線。由圖9可知，坑外土體的加固使地連墻后的土壓力發(fā)生了應力重分布。地連墻深度0～3.4 m的墻后土壓力大于坑外未加固的情況（w=0），但此范圍內(nèi)土壓力較小，且有第一道混凝土支撐抵抗，所以對地連墻水平位移的影響較小。當加固寬度從0.2H增大至0.4H時，坑底表面的最大土壓力移至坑底以下2 m左右，最大土壓力由坑底強加固土體來抵抗，導致地連墻最大水平位移大幅減小。當加固寬度大于0.4H后，地連墻深度3.4 m至坑底的墻后土壓力逐漸減小。當加固寬度大于0.8H后，地連墻深度3.4 m至坑底的墻后土壓力變化很小，趨于穩(wěn)定，導致地連墻水平位移變化較小。

圖9 加固寬度對地連墻后土壓力的影響

3.3 加固深度對地連墻水平位移的影響

圖10為加固深度對地連墻水平位移的影響曲線，加固土體的無側(cè)限抗壓強度為0.8 MPa，加固寬度為1.0H。由圖可知，地連墻水平位移隨加固深度的增大而減小。

圖10 加固深度對地連墻水平位移的影響

圖11為加固深度與開挖深度的比值對地連墻最大水平位移的影響曲線。隨加固深度與開挖深度比值的增大，地連墻最大水平位移呈非線性減小，減小率不斷增大。根據(jù)圖中地連墻最大水平位移的擬合公式，可以估算出擬合曲線的最小曲率半徑位于h=0.34H處，可以認為，當加固深度大于0.34H時，地連墻最大水平位移的變化對加固深度的變化比較敏感，此范圍內(nèi)的加固效果較好。當加固深度大于1.20H時，地連墻最大水平位移變化不大，說明此范圍內(nèi)的加固效果不明顯。綜上所述，主動區(qū)加固深度在0.34H～1.20H范圍內(nèi)取值，加固效果相對較好。

圖11 加固深度與開挖深度的比值對地連墻最大水平位移的影響

圖12為加固深度對地連墻后土壓力的影響曲線。由圖可知，墻后土壓力由于土體的加固而發(fā)生了應力重分布，地連墻深度0～3.4 m的墻后土壓力大于坑外未加固的情況（h=0），但由于墻頂附近混凝土支撐的抵抗，此范圍內(nèi)的墻后土壓力對地連墻水平位移影響較小。當加固深度小于或等于0.2H時，地連墻深度在3.4～6.9 m處的墻后土壓力小幅減小，對地連墻最大水平位移的影響不大。當加固深度大于0.2H后，地連墻深度3.4 m至坑底范圍內(nèi)的墻后土壓力隨著加固深度的增大而逐漸減小，導致地連墻最大水平位移逐漸減小。當加固深度從1.0H增大至1.2H時，坑底的最大土壓力大幅減小，坑底以下7 m范圍內(nèi)的墻后土壓力大幅增大，墻后土壓力沿深度方向趨緩，無應力集中的現(xiàn)象，導致地連墻最大水平位移大幅減小。當加固深度大于1.2H后，墻后土壓力變化極小，其對地連墻最大水平位移的影響較小。

圖12 加固深度對地連墻后土壓力的影響

綜合圖7和圖10可以發(fā)現(xiàn)，對于地連墻水平位移的控制效果，提高加固深度比提高加固寬度更為有效。比如，加固寬度為0.6H、加固深度為1.2H時，地連墻最大水平位移從37.63 mm降至26.55 mm；而加固寬度為1.0H、加固深度為0.8H時，僅使其從37.59 mm降至32.22 mm，但后者的加固面積（236.53 m2）要比前者（212.88 m2）大很多。綜上所述，應該盡量增大加固深度，采用“寬度小、深度大”的加固形式，可節(jié)約施工空間，提高加固效果。

3.4 加固強度對地連墻水平位移的影響

圖13為主動區(qū)無加固時土體的水平位移云圖，可以看出，坑外土體存在明顯的位移集中區(qū)域，此區(qū)域介于第二層混凝土支撐與坑底之間，此區(qū)域應重點加固。而地表至第二層支撐間的土體水平位移量則小很多，可減小加固土體的強度，整體采取“淺層弱加固，深層強加固”的方式，其布置形式如圖14所示，力求盡量保持加固效果的同時，減少加固土體水泥用量。

圖13 主動區(qū)無加固時土體的水平位移云圖

圖14 坑外強加固與弱加固分布示意圖

為了避免其它因素對地連墻變形的影響，主動區(qū)加固深度（強、弱加固深度的總和）取1.2H，加固寬度取1.0H，強加固與弱加固土體的無側(cè)限抗壓強度分別為0.80 MPa、0.23 MPa，淺層弱加固深度分別取0（全為強加固）、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、1.0H、1.2H（全為弱加固）。

圖15為弱加固深度對地連墻水平位移的影響曲線，由圖15可知，地連墻水平位移隨著弱加固深度的增大而增大，且增量也在不斷擴大。

圖15 弱加固深度對地連墻水平位移的影響

圖16為弱加固深度與開挖深度的比值對地連墻最大水平位移的影響。由圖可知，隨弱加固深度與開挖深度比值的增大，地連墻最大水平位移呈非線性增長，增長率不斷增大。根據(jù)圖中地連墻最大水平位移的擬合公式，可以估算出擬合曲線的最小曲率半徑位于h1=0.27H處，所以可以認為，當淺層弱加固深度大于0.27H時，地連墻最大水平位移的的變化對弱加固深度的變化比較敏感，應避免在此范圍內(nèi)進行弱加固。當淺層弱加固深度小于等于0.27H時，弱加固深度對地連墻最大水平位移的影響并不明顯。當弱加固深度為0和0.27H時，地連墻最大水平位移分別為24.11 mm和24.68 mm，兩者相差僅0.57 mm。綜上，減小淺層加固土體的強度，對地連墻水平位移的影響較小，但淺層弱加固土體的加固深度不宜大于0.27H。

圖16 弱加固深度與開挖深度的比值對地連墻最大水平位移的影響

4 結(jié)論

分析主動區(qū)加固土體不同的深度、寬度、強度對深厚淤泥質(zhì)土地鐵基坑的地連墻水平位移的影響，得出：

（1）主動區(qū)加固深度和寬度在不同范圍內(nèi)取值，會導致地連墻水平位移減小，但加固效果有所差別。加固寬度在0.2H～0.8H范圍內(nèi)取值，加固深度在0.34H～1.20H范圍內(nèi)取值，加固效果相對較好。

（2）主動區(qū)采用“寬度小、深度大”的加固形式，可節(jié)約施工空間，提高加固效果。

（3）坑外淺層淤泥質(zhì)土的水平位移較小，減小地表至地表以下0.27H范圍內(nèi)的加固土體強度，對地連墻變形的影響極小，其最大水平位移的增量僅在0.6 mm以下。