吳超瑜，陳文霞，潘 健

(1.廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340；2.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640)

在軟土地區(qū)中，為控制基坑的變形，確保施工期間基坑和基坑周邊環(huán)境的安全，常常在基坑主動(dòng)區(qū)和被動(dòng)區(qū)進(jìn)行土體加固。目前，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)方法、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法、數(shù)值模擬法對(duì)基坑加固進(jìn)行了研究。秦愛(ài)芳、胡中熊等[1]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)卸荷試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，針對(duì)上海軟土基坑工程提出了一種合理的被動(dòng)區(qū)土體加固深度。胡文紅、鄭剛[2]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)，探究了進(jìn)行淺層加固的樁周土對(duì)傾斜樁的影響，并對(duì)加固體尺寸、面積和深度等因素變化的影響進(jìn)行了分析，探討了土體加固改善傾斜樁豎向承載性狀的機(jī)理。汪彪等[3]以雙排樁樁土相互作用的計(jì)算模型為基礎(chǔ)，把雙排樁樁間土加固體作為實(shí)體桿單元，通過(guò)水平向的樁土作用彈簧和前后排支護(hù)樁連接，提出了計(jì)算前后排樁樁間土加固作用對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形影響的方法。孫輝[4]以大連灣跨海交通工程為工程背景，利用PLAXIS 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)改變被動(dòng)區(qū)的土體加固參數(shù)，研究了被動(dòng)區(qū)加固對(duì)基坑變形的影響。

由于我國(guó)河航運(yùn)貨的需求不斷擴(kuò)大，舊閘重建、新建高等級(jí)船閘等工程項(xiàng)目不斷增加，以滿足通航需求[5-6]。某船閘基坑工程采用帶撐雙排地下連續(xù)墻的支護(hù)方案，而目前此類(lèi)支護(hù)基坑的土體加固研究還不完善。本文以該工程為背景，采用MAIDAS GTS軟件，基于硬化土(HS)土體本構(gòu)模型，對(duì)土體加固下船閘基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，探討“僅主動(dòng)區(qū)加固”、“僅被動(dòng)區(qū)加固”、“僅墻間土加固”、“主動(dòng)區(qū)+墻間土加固”和“被動(dòng)區(qū)+墻間土加固”5種加固方式下基坑開(kāi)挖時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)和鄰近原有船閘的水平變形特征。

1 工程概況及數(shù)值模擬模型

1.1 工程概況

某船閘基坑剖面示意見(jiàn)圖1，船閘基坑與原有一線船閘平行，基坑邊緣距原有船閘底板邊緣約為38 m，閘室段基坑寬為65 m，深為15 m。在靠近原有船閘側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)采用雙排地下連續(xù)墻，前排地下連續(xù)墻厚為1 200 mm，入巖止水，后排地下連續(xù)墻厚為1 000 mm，不入巖層，二者凈距為13.8 m，由頂部厚2 m、寬16 m混凝土連板相連。在基坑另一側(cè)，采用厚為1 200 mm單排地下連續(xù)墻支護(hù)，入巖止水。基坑內(nèi)設(shè)置兩道鋼筋混凝土支撐，第一道支撐尺寸為 1.1 m×1 m(高×寬)，第二道支撐尺寸為1.2 m×1.1 m(高×寬)，沿基坑縱向間距為4.25 m。沿支撐方向設(shè)置5排立柱，跨度為13.5 m?？辈炱陂g，地下水位埋深為2.4～9.1 m，最大埋深為16.9 m。

圖1 閘室段基坑剖面示意

該工程對(duì)雙排地下連續(xù)墻間和基坑兩側(cè)主動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行了格柵式平面布置的Φ800mm高壓旋噴樁加固，樁底穿透淤泥粉質(zhì)黏土混粉砂層1.5 m以上，雙排地下連續(xù)墻側(cè)主動(dòng)區(qū)加固寬度約20 m，單排地下連續(xù)墻側(cè)主動(dòng)區(qū)加固寬度約26 m，加固深度均約17.5 m，墻間土加固與主動(dòng)區(qū)加固均加固至-12.3 m高程。

1.2 數(shù)值模擬模型

為了數(shù)值分析結(jié)果和現(xiàn)有實(shí)測(cè)資料對(duì)比分析以及計(jì)算參數(shù)選取合理，本文按工程閘室段典型剖面，據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)[7](基坑長(zhǎng)深比為21.7，長(zhǎng)寬比為5)，通過(guò)MAIDAS GTS有限元軟件建立二維平面有限元模型。假定模型的計(jì)算寬度為280 m，深度為90 m。土體和加固體采用硬化土(HS)模型，土層物理力學(xué)參數(shù)的選取見(jiàn)文獻(xiàn)[8]，船閘結(jié)構(gòu)、地連墻、連板、硂支撐和立柱采用線彈性模型。巖土體和船閘結(jié)構(gòu)采用平面應(yīng)變單元，地連墻、連板、硂支撐、立柱等采用梁?jiǎn)卧?，在地連墻、連板和土體之間設(shè)置界面單元來(lái)模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)和巖土體的接觸。

建立“未進(jìn)行土體加固”、“僅主動(dòng)區(qū)加固”、“僅被動(dòng)區(qū)加固”、“僅墻間土加固”、“主動(dòng)區(qū)+墻間土加固”、“被動(dòng)區(qū)+墻間土加固”和“工程實(shí)際土體加固”7個(gè)工況，加固土參數(shù)取值見(jiàn)表1，每個(gè)工況均模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程，首先施工第一層內(nèi)支撐(底部高程為3.8 m)，并挖土至第二層內(nèi)支撐底(高程為-1.34 m)；其次施工第二層內(nèi)支撐，并挖土至-6 m高程；最后，挖土至基坑底(高程為-10 m)。探究基坑開(kāi)挖至坑底后，不同加固方式對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和鄰近船閘側(cè)向變形的影響。

表1 加固土體取值

2 不同加固方式分析

2.1 主動(dòng)區(qū)加固

1)主動(dòng)區(qū)加固寬度

主動(dòng)區(qū)加固深度取17.5 m，加固寬度依次取0 m(未進(jìn)行加固)、4 m、8 m、12 m、16 m、20 m。通過(guò)計(jì)算，主動(dòng)區(qū)不同加固寬度下前、后排墻水平位移變化曲線、每延米彎矩曲線如圖2所示，主動(dòng)區(qū)加固寬度與水平位移減小量(加固后和未加固時(shí)墻身側(cè)向位移差)關(guān)系曲線如圖3所示。

(a)前排地下連續(xù)墻

圖3 主動(dòng)區(qū)不同加固寬度下水平位移減少量曲線示意

隨著加固寬度由0 m增加至20 m，雙排地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)墻頂水平位移不斷減小，由18.5 mm減小至12.4 mm，減少了33%，且減小幅度基本不變；前排地下連續(xù)墻最大水平位移所受影響較小，墻身彎矩基本不變，最大位移值由46.3 mm減小至43.6 mm，僅下降了6.2%，減小幅度約為墻頂水平位移減小幅度的1/2，最大位移處維持在坑底附近(墻體深度為17.5 m)；在加固寬度為0～8m時(shí)，后排地下連續(xù)墻最大負(fù)彎矩減小幅度較大，加固寬度為8m后，彎矩基本不變，所以后排地下連續(xù)墻早期最大水平位移減少量比墻頂水平位移減少量略微大些，后期基本相同，墻身水平位移弓形特性逐漸向懸臂形特性轉(zhuǎn)變；鄰近船閘閘室水平位移隨著加固寬度的增加而減小，由11.79 mm減小至9.61 mm，減小量為2.18 mm，在加固寬度為8～16 m之間時(shí)，水平位移減小幅度較大。

2)主動(dòng)區(qū)加固深度

主動(dòng)區(qū)加固寬度取20 m，加固深度依次取0 m(未加固)、2.5 m、7.5 m、12.5 m、17.5 m、22.5 m、27.5 m。隨著加固深度由0 m增加至27.5 m，墻頂水平位移由18.5 mm減小至12 mm，減少了35%，受加固深度的影響較大；前排地下連續(xù)墻墻身彎矩基本不變，最大位移減小幅度約為墻頂水平位移減小幅度的1/2，受加固深度的影響相對(duì)較小；在加固深度為0～7.5m時(shí)，后排地下連續(xù)墻最大負(fù)彎矩增大，但增加值不大，加固寬度為7.5～17.5 m時(shí)，后排地下連續(xù)墻最大負(fù)彎矩減小，加固寬度大于17.5 m之后，彎矩基本不變，所以后排地下連續(xù)墻早期最大水平位移減少量比墻頂水平位移減少量小，后面增大，最后基本相同；鄰近原有船閘閘室水平位移隨著加固寬度的增加而減小，由11.79 mm減小至9.21 mm，減小量為2.18 mm，在加固寬度為17.5 m之后，水平位移基本不變。主動(dòng)區(qū)加固深度對(duì)控制支護(hù)結(jié)構(gòu)和船閘的水平變形影響存在著邊際效應(yīng)，當(dāng)加固深度達(dá)到17.5 m(約為基坑深度)，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移基本不變。典型計(jì)算結(jié)果如圖4～5所示。

(a)前排地下連續(xù)墻

圖5 主動(dòng)區(qū)不同加固深度鄰近船閘閘室最大水平位移示意

綜上所述，前后排地下連續(xù)墻通過(guò)連板連接，并與第一道支撐相連，墻頂位移隨著加固深度和寬度的增加而減少，一定程度上說(shuō)明主動(dòng)區(qū)加固改善了主動(dòng)區(qū)土體物理力學(xué)性質(zhì)，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)整體所受主動(dòng)土壓力減少；主動(dòng)區(qū)加固基本不影響前排墻墻身彎矩分布，但影響著與它直接接觸的后排墻墻身最大負(fù)彎矩；主動(dòng)區(qū)加固寬度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和船閘的水平位移影響沒(méi)有明顯的邊際效應(yīng)，但當(dāng)加固寬度達(dá)到一定范圍時(shí)，對(duì)鄰近船閘水平位移的影響較顯著；而加固深度約為基坑深度時(shí)，對(duì)控制支護(hù)結(jié)構(gòu)和鄰近船閘的水平位移較經(jīng)濟(jì)合理。

2.2 墻間土加固

為探究墻間土加固深度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和鄰近船閘的影響，對(duì)雙排地下連續(xù)墻墻間土進(jìn)行加固，加固深度依次取0(未加固)、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m。

隨著加固深度由0 m增加至30 m，雙排地下連續(xù)墻墻頂水平位移變化較大，由18.5 mm減小至5.7 mm，減少了69%；前排地下連續(xù)墻最大水平位移由46.3 mm減小至26.2 mm，降低了43%，加固效果顯著，當(dāng)加固深度在10～20 m時(shí)，墻身最大負(fù)彎矩減小幅度較大，故最大水平位移減小幅度比墻頂水平位移大，加固深度在20 m之后，墻身的彎矩基本不變；后排地下連續(xù)墻最大負(fù)彎矩隨著加固深度增加而增加，墻體弓形變形特征越來(lái)越明顯，當(dāng)加固深度為20 m之后時(shí)，后排地下連續(xù)墻最大負(fù)彎矩減小，所以最大水平位移變化??；就船閘的位移而言，最大水平位移由11.79 mm減少到9.44 mm，減少量為2.35 mm，船閘的水平位移與后排墻的水平變形特征有關(guān)，當(dāng)加固深度在5～15 m時(shí)，一方面墻頂水平位移變化較大，另一方面后排墻最大負(fù)彎矩增加，墻身最大水平位移基本不變，最終使得船閘水平位移在加固深度為5～15 m范圍內(nèi)影響較大。典型計(jì)算結(jié)果如圖6～7所示。

(a)前排地下連續(xù)墻

圖7 墻間土不同加固深度鄰近船閘閘室最大水平位移示意

綜上所述，對(duì)雙排地下連續(xù)墻墻間土體進(jìn)行加固，增強(qiáng)了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)位移減小顯著，同時(shí)改變了前后排墻的受力狀態(tài)，隨著加固深度的增加，前排墻最大負(fù)彎矩值減小，后排墻最大負(fù)彎矩先增大后減小，后排墻墻身弓形位移特性逐漸顯著。

2.3 坑底被動(dòng)區(qū)加固

1)被動(dòng)區(qū)加固寬度

為探究被動(dòng)區(qū)加固寬度的影響，被動(dòng)區(qū)加固深度取10 m，加固寬度依次取0 m(未加固)、3 m、6 m、9 m、12 m、15 m。隨著加固寬度由0增加至15 m，雙排地下連續(xù)墻墻頂水平位移由18.5 mm減小至9.7 mm，減少了48%；前排地下連續(xù)墻最大位移由46.3 mm逐漸減小到28.6 mm，減小了38%，隨著加固寬度增加，前排墻最大負(fù)彎矩值逐漸減小，當(dāng)加固深度達(dá)到9 m之后，最大負(fù)彎矩基本不變；后排地下連續(xù)墻彎矩隨著加固寬度增大基本不變，最大位移與墻頂位移接近，所以最大位移變化特征與墻頂相近；鄰近原有船閘閘室水平位移隨著加固寬度的增加而減小，由11.79 mm減小至10.40 mm，減小量為1.39 mm。典型計(jì)算結(jié)果如圖8～9所示曲線。

(a)前排地下連續(xù)墻

圖9 被動(dòng)區(qū)不同加固寬度鄰近船閘閘室最大水平位移示意

2)被動(dòng)區(qū)加固深度

為探究被動(dòng)區(qū)加固深度的影響，被動(dòng)區(qū)加固寬度取9 m，加固深度依次取0 m(未加固)、2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m。

隨著加固深度由0 m增加至12 m，雙排地下連續(xù)墻墻頂位移由18.5 mm減小至11.2 mm，降低39%；前排墻最大負(fù)彎矩隨著加固深度增加而減小，當(dāng)加固深度達(dá)到6 m之后，最大負(fù)彎矩基本不變；后排墻最大彎矩隨著加固深度增加基本不變；鄰近船閘最大水平位移特征也表現(xiàn)出與后排墻同樣的特征，當(dāng)加固深度達(dá)到10 m后，鄰近船閘水平位移不再減小。被動(dòng)區(qū)加固深度對(duì)控制支護(hù)結(jié)構(gòu)和船閘的水平變形影響存在著邊際效應(yīng)，當(dāng)加固深度達(dá)到10 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)和鄰近船閘水平位移基本不變。典型計(jì)算結(jié)果如圖10～11所示。

(a)前排地下連續(xù)墻

圖11 被動(dòng)區(qū)不同加固深度鄰近船閘閘室最大水平位移示意

綜上所述，對(duì)坑底被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固，增加了被動(dòng)區(qū)土體抗力，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)墻頂位移減小，同時(shí)改變了前排墻的受力狀態(tài)，隨著加固深度和寬度增加，前排墻最大負(fù)彎矩值減小，當(dāng)加固到一定寬度和深度時(shí)，彎矩基本不變；后排墻彎矩基本不變。被動(dòng)區(qū)加固深度對(duì)控制支護(hù)結(jié)構(gòu)和船閘水平變形存在邊際效應(yīng)。

3 不同加固方式效果對(duì)比分析

主動(dòng)區(qū)加固、被動(dòng)區(qū)加固、墻間土加固3種加固方式，由于加固位置不同，加固效果各有千秋，若單一的加固方式不能滿足位移控制要求，可進(jìn)行復(fù)合加固方案設(shè)計(jì)，對(duì)主動(dòng)區(qū)和墻間土體進(jìn)行加固或者對(duì)被動(dòng)區(qū)和墻間土體進(jìn)行加固。本文對(duì)比了“僅主動(dòng)區(qū)加固”、“僅被動(dòng)區(qū)加固”、“僅墻間土加固”、“主動(dòng)區(qū)+墻間土加固”和“被動(dòng)區(qū)+墻間土加固”五種加固方式的效果，其中墻間土體加固20 m深，后排墻主動(dòng)區(qū)土體加固17.5 m深、20 m 寬，坑底被動(dòng)區(qū)加固10 m深、20 m寬有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果如圖12所示。

(a)前排地下連續(xù)墻

結(jié)果表明，支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形實(shí)測(cè)結(jié)果與“主動(dòng)區(qū)+墻間土加固”數(shù)值分析結(jié)果基本吻合，對(duì)土體進(jìn)行加固能夠有效改善支護(hù)結(jié)構(gòu)和鄰近船閘的水平位移。從雙排地下連續(xù)墻墻頂位移改善情況而言，“主動(dòng)區(qū)+墻間土加固”和“被動(dòng)區(qū)+墻間土加固”效果最好，二者加固效果相近但后者效果略?xún)?yōu)，其次為墻間土加固，最后是“僅主動(dòng)區(qū)加固”和“僅被動(dòng)區(qū)加固”，二者加固效果相近但后者效果略?xún)?yōu)；從前排墻最大位移的改善情況而言，“僅主動(dòng)區(qū)加固”對(duì)前排墻最大位移影響小，而“僅被動(dòng)區(qū)加固”和“僅墻間土加固”效果較好，因此復(fù)合方案“被動(dòng)區(qū)+墻間土加固”加固效果優(yōu)于“主動(dòng)區(qū)+墻間土加固”；從后排墻最大位移改善情況而言，“墻間土加固”對(duì)后排墻的影響較大，后排墻墻身呈現(xiàn)出較為明顯的“弓形”特征，最大位移與未加固相比，基本未發(fā)生變化，而“僅主動(dòng)區(qū)加固”和“僅被動(dòng)區(qū)加固”效果相近且較好，前者加固效果略好些，墻身水平變形特征與未加固相近，所以復(fù)合方案“主動(dòng)區(qū)+墻間土加固”和“被動(dòng)區(qū)+墻間土加固”加固效果與“僅主動(dòng)區(qū)加固”和“僅被動(dòng)區(qū)加固”接近；從鄰近原有船閘水平位移出發(fā)，在“不進(jìn)行加固”、“僅主動(dòng)區(qū)加固”、“僅被動(dòng)區(qū)加固”、“僅墻間土加固”、“主動(dòng)區(qū)+墻間土加固”和“被動(dòng)區(qū)+墻間土加固”下，船閘最大水平位移分別為11.79 mm、9.61 mm、10.71 mm、9.82 mm、6.11 mm、8.94 mm，結(jié)果表明僅在主動(dòng)區(qū)或墻間土加固及“主動(dòng)區(qū)+墻間土加固”的加固效果較好。

4 結(jié)語(yǔ)

基于HS土體本構(gòu)，采用有限元方法，探討了“僅主動(dòng)區(qū)加固”、“僅被動(dòng)區(qū)加固”、“僅墻間土加固”、“主動(dòng)區(qū)+墻間土加固”和“被動(dòng)區(qū)+墻間土加固”5種加固方式對(duì)帶撐雙排地下連續(xù)墻支護(hù)基坑和鄰近原有船閘的影響，得出如下結(jié)論：

1)主動(dòng)區(qū)土體加固對(duì)前排墻的水平位移沒(méi)有明顯影響，主要為改善后排墻受力、減少其水平位移的作用，同時(shí)也能減少鄰近船閘的水平位移，主動(dòng)區(qū)的加固深度對(duì)后排墻和鄰近船閘的水平位移的改善效果具有明顯的邊際效應(yīng)。

2)墻間土的加固能大幅度降低墻頂水平位移，有效地改善前排墻的受力特性，控制前排墻最大水平位移效果顯著。

3)被動(dòng)區(qū)土體加固能有效地減少前排墻和后排墻的水平位移，但相對(duì)于墻間土加固和主動(dòng)區(qū)加固，對(duì)鄰近原有船閘的水平位移減小程度較小。

4)被動(dòng)區(qū)加固深度的加固效果對(duì)前排墻的最大水平位移及鄰近船閘的水平位移存在明顯的邊際效應(yīng)。

5)“被動(dòng)區(qū)+墻間土加固”方案比“主動(dòng)區(qū)+墻間土加固”方案更好地降低帶撐雙排地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的最大水平位移，但其對(duì)鄰近船閘水平位移的控制效果稍遜，在類(lèi)似工程中應(yīng)視實(shí)際情況進(jìn)行取舍。