聶東清

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司 200092)

引言

軟土地區(qū)基坑工程經(jīng)常采用坑底土體加固的方法減小基坑變形。 基坑土體加固方法一般有攪拌樁、高壓旋噴樁、注漿等，此外基坑降水也具有對基坑土體加固的效果[1]。 學(xué)者對基坑加固中的問題已開展了大量研究。 秦愛芳等[2]對上海地區(qū)基坑工程中土體注漿加固參數(shù)進(jìn)行了探討研究； 黃宏偉等[3]結(jié)合現(xiàn)場實測，討論了不同坑內(nèi)土體加固方法對土體力學(xué)參數(shù)改善效果； 鄭俊杰等[4]通過數(shù)值模擬對基坑被動區(qū)加固不同形式及幾何參數(shù)進(jìn)行了分析。 蔡袁強(qiáng)等[5]，史?，揫6]，朱慶科[7]分別采用有限元方法對雙排樁被動區(qū)及樁間土加固作用進(jìn)行了研究。

實際工程中，當(dāng)基坑被動區(qū)采用攪拌樁或高壓旋噴樁加固時，由于攪拌樁或旋噴樁不能緊貼圍護(hù)樁施工，因此在攪拌樁(旋噴樁)和圍護(hù)樁之間一般存在一定縫隙。 此時，需要采用注漿方法加固縫隙內(nèi)土體(樁間縫隙)，以保證加固區(qū)域的連續(xù)。 遺漏樁間縫隙的加固可能導(dǎo)致基坑加固效果削弱，甚至基坑失效。 本文以上海某基坑工程為背景，采用三維有限差分法建立數(shù)值計算模型，并將數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果進(jìn)行了對比。 在此基礎(chǔ)上，對樁間縫隙注漿加固的影響進(jìn)行了參數(shù)分析。

1 工程概況

上海某基坑面積超過15 萬m2，基坑開挖深度12.8m ～15.8m。 由于基坑面積巨大，開挖深度較深，且基坑周邊環(huán)境條件簡單，因此采用了放坡結(jié)合雙排樁支護(hù)形式。 基坑平面如圖1 所示，基坑平面尺寸575m ×344m。 圖中陰影部分為雙排樁平面位置。 目前，基坑西南側(cè)(虛線框范圍)開挖已完成，該側(cè)基坑開挖深度為14.5m。這一側(cè)布置基坑圍護(hù)樁測斜監(jiān)測點(diǎn)7 個，編號為CX40 ～CX46。 測斜點(diǎn)均位于雙排樁的前排樁，測斜點(diǎn)間距約20m。

圖1 基坑平面Fig.1 Plane of the foundation pit

本文重點(diǎn)討論開挖基坑深度為14.5m 部分，該范圍典型剖面如圖2 所示。 基坑上部放坡，下部采用雙排樁的支護(hù)形式。 基坑兩級放坡高度均為3.5m，雙排樁支擋高度7.5m。 雙排樁的前后排樁長度均為25m，采用φ1000@1200mm 鉆孔灌注樁，前后排樁用連梁連接，連梁構(gòu)造如圖3。雙排樁與連梁均采用C30 混凝土。 考慮到基坑開挖面附近存在厚度很大的淤泥質(zhì)粘土層，雙排樁的樁間土及雙排樁前基坑被動區(qū)土體均采用三軸攪拌樁進(jìn)行了加固。 其中，樁間土加固長度18m； 基坑被動區(qū)采用坑底滿堂裙邊加固，加固深度5m，寬度6m。 由于三軸攪拌樁與雙排樁前排樁之間有大約10cm 縫隙，因此采用壓密注漿加固。 基坑放坡頂部外5m 處設(shè)置三軸攪拌樁止水帷幕，止水帷幕長度為16m。

圖2 基坑典型剖面(單位：m)Fig.2 Typical profile of foundation pit(unit：m)

圖3 連梁形式(單位：m)Fig.3 Form of coupling beam(unit：m)

2 數(shù)值計算模型的建立

采用有限差分法建立了三維基坑開挖模型，如圖4 所示。 已有研究表明，基坑開挖寬度對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形有明顯影響[8]。 但本基坑開挖寬度極大，為節(jié)約計算成本同時確保大面積開挖特性，基坑開挖寬度假定為100m。 數(shù)值計算模型取一半開挖寬度，為50m。 模型總寬度150m，總高度60m。 模型垂直紙面方向厚度3.6m，為三倍排樁間距。 模型左右側(cè)約束水平位移，模型底部約束豎向和水平向位移。

有限差分模型中，土體采用能夠反應(yīng)土體應(yīng)變硬化特性的Cap-yield 本構(gòu)模型。 該本構(gòu)模型具有三種硬化準(zhǔn)則，即帽蓋硬化準(zhǔn)則、摩擦硬化準(zhǔn)則和壓縮/膨脹硬化準(zhǔn)則[9]。 該本構(gòu)模型被廣泛應(yīng)用于隧道[9]、基坑開挖[10]等巖土工程的數(shù)值模擬。 樁間及坑內(nèi)加固體采用摩爾-庫侖模型模擬。 計算模型的土層物理參數(shù)見表1。

雙排樁及連梁采用線彈性本構(gòu)模擬，連梁根據(jù)抗彎剛度等效為1m 厚的板，連梁及排樁均采用三維實體單元模擬。 排樁彈性模量30GPa，連梁彈性模量20.5GPa，泊松比均為0.2。 雙排樁及加固區(qū)域局部三維模型見圖5。

圖4 有限差分計算模型(單位：m)Fig.4 Finite difference model(unit：m)

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of soils

圖5 雙排樁及土體加固模型Fig.5 Model of double-row piles and soil reinforcement

3 計算結(jié)果分析

基坑開挖完成時，數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果對比如圖6 所示。 由于測斜孔 CX43、CX44下部被堵住，僅測得樁頂以下14m 深度內(nèi)的位移情況，且測斜監(jiān)測得到的是樁頂相對測斜管底部的變形情況，樁身14m 處的實際水平位移未知，因此實測及計算結(jié)果均忽略了樁身14m 以下的位移。 圖中可以看到，數(shù)值計算結(jié)果大于現(xiàn)場實測結(jié)果，尤其是相對于更靠近基坑邊緣的CX44 測點(diǎn)(圖1)。 這主要是實際工程中的基坑空間效應(yīng)明顯，而數(shù)值模擬僅截取一個斷面進(jìn)行模擬，類似于平面應(yīng)變模型，無法考慮空間效應(yīng)。 也因為如此，受基坑空間效應(yīng)較小的CX43 測點(diǎn)位移與數(shù)值計算結(jié)果更接近。

3.1 樁間縫隙注漿作用分析

以上述基坑開挖模型為模板，在其他參數(shù)不變情況下，分別計算了無裙邊加固及有裙邊加固而無樁間縫隙注漿的基坑變形情況，計算結(jié)果如圖7 所示，圖中所示為完整樁身水平位移情況。計算結(jié)果顯示，采用裙邊加固及樁間縫隙注漿時的最大位移(α1)相比無裙邊加固的最大位移(α3)減小 62%，被動區(qū)加固作用顯著。 而α1相比有裙邊加固但沒有樁間縫隙注漿時的最大位移(α2)減小28%，樁間縫隙注漿加固對裙邊加固影響的貢獻(xiàn)為24%((α2-α1)/(α3-α1))。

圖6 數(shù)值計算與實測結(jié)果對比Fig.6 Comparison between numerical calculation and measured results

圖7 不同裙邊加固情況時基坑前排樁變形Fig.7 Deformation of front-row piles under different types of reinforcement

基坑開挖完成時，不同被動區(qū)加固情況下的剪應(yīng)變率云圖如圖8 所示。 當(dāng)被動區(qū)無裙邊加固時，剪應(yīng)變沿圍護(hù)樁與被動區(qū)土體交界面開展，延伸到圍護(hù)樁樁底附近。 對于采用裙邊加固的情況，剪應(yīng)變圍繞加固區(qū)開展，最顯著的剪切帶沿著加固區(qū)與圍護(hù)樁交界處開展，遠(yuǎn)離加固區(qū)剪應(yīng)變很小。 并且，有樁間縫隙注漿時的剪應(yīng)變明顯小于無樁間縫隙注漿時的剪應(yīng)變。

圖8 剪應(yīng)變率云圖Fig.8 Contours of shear strain-rate

3.2 注漿加固體彈性模量影響

其他條件不變情況下，注漿加固體彈性模量與圍護(hù)樁最大水平位移關(guān)系如圖9 所示。 圍護(hù)樁水平位移隨著彈性模量增加逐漸減小，且減小幅度逐漸降低。 彈性模量從50MPa 增加到80MPa時，位移隨模量的變化趨近于0。

3.3 注漿加固體強(qiáng)度參數(shù)影響

其他條件不變情況下，注漿加固體粘聚力與圍護(hù)樁最大水平位移關(guān)系如圖10 所示。 當(dāng)粘聚力小于10kPa 時，其變化對圍護(hù)樁位移幾乎沒有影響。 而粘聚力繼續(xù)增加，圍護(hù)樁位移快速減小。

其他條件不變情況下，注漿加固體內(nèi)摩擦角與圍護(hù)樁最大水平位移關(guān)系如圖11 所示。 隨著內(nèi)摩擦角增加，圍護(hù)樁最大位移逐漸減小，并最終趨于穩(wěn)定。 這一趨勢與彈性模量影響類似。 但內(nèi)摩擦角對水平位移影響更為顯著。

圖9 注漿加固體彈性模量與最大水平位移關(guān)系Fig.9 Relationship between elasticity modulus and maximum horizontal displacement

圖10 注漿加固體粘聚力與最大水平位移關(guān)系Fig.10 Relationship between cohesion and maximum horizontal displacement

圖11 注漿加固體內(nèi)摩擦角與最大水平位移關(guān)系Fig.11 Relationshipbetween friction angle and maximum horizontal displacement

4 結(jié)論與展望

本文基于上海某基坑工程實測結(jié)果，采用有限差分法對軟土地區(qū)基坑被動區(qū)攪拌樁加固體與圍護(hù)樁間的縫隙加固影響進(jìn)行了研究。 得到如下結(jié)論與建議：

1.軟土地區(qū)基坑工程中，基坑被動區(qū)攪拌樁(旋噴樁)加固與圍護(hù)樁之間存在的縫隙需要進(jìn)行注漿加固，以保證被動區(qū)加固體完整連續(xù)。 樁間縫隙注漿加固被遺漏對基坑變形產(chǎn)生較大影響。

2.數(shù)值計算結(jié)果表明，樁間縫隙注漿加固對基坑變形的影響可占到被動區(qū)加固總影響量的24%。 基坑變形時，土體剪應(yīng)變主要在圍護(hù)樁與坑底土體交界處產(chǎn)生。 樁間縫隙注漿加固減小了圍護(hù)樁與坑底土體之間的剪應(yīng)變。

3.圍護(hù)樁水平位移隨著樁間縫隙注漿加固體的彈性模量、粘聚力及內(nèi)摩擦角的增加而減小，且減小幅度逐漸降低。 其中，粘聚力小于10kPa時，粘聚力變化對水平位移影響不大。 內(nèi)摩擦角對水平位移的影響顯著大于彈性模量及粘聚力的影響。