趙丁鴻 齊嘉煒 宋永威

（1.中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100098；2.北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100088）

0 引言

由于城市發(fā)展規(guī)劃的需要，大部分新型建筑設(shè)有地下停車場(chǎng)、地下商場(chǎng)等相互連通且具有整體性的地下空間區(qū)域，大型基坑的修筑不斷增加。在長(zhǎng)江流域的軟土地區(qū)，多數(shù)城市建筑是設(shè)置一至兩層地下室，即挖深4～6 m 的基坑工程[1]。

軟土力學(xué)性質(zhì)差，進(jìn)行基坑支護(hù)作業(yè)時(shí)的難度相對(duì)較大、支護(hù)成本高。重力式水泥土墻支護(hù)結(jié)構(gòu)依靠墻體自重及被動(dòng)加固區(qū)穩(wěn)定墻體，施工工藝簡(jiǎn)便、工程造價(jià)低廉，應(yīng)用廣泛[2]。

水泥土重力式擋墻可以充分利用水泥土的強(qiáng)度和防滲水性能，既是擋土墻又是防滲帷幕，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[3]。水泥土墻在水土壓力作用下發(fā)生的變形主要有墻體水平位移、墻頂前傾、墻底前滑以及幾種變形的疊加等，當(dāng)水泥土擋墻發(fā)生剪切破壞時(shí)，墻體水平位移還包括一部分撓曲變形[4-5]。

這種支護(hù)結(jié)構(gòu)也存在一定問題，一是由于水泥固化土體，對(duì)其強(qiáng)度提高有限，一般采用格柵式施工，導(dǎo)致施工所需要的空間范圍較大；二是很多基坑工程多位于市區(qū)，存在施工場(chǎng)地狹小、距離周邊建筑和道路近的特點(diǎn)，基坑位移對(duì)周邊建筑和道路影響極大，嚴(yán)重者會(huì)造成既有建筑結(jié)構(gòu)損壞[6]。還有學(xué)者研究了影響混凝土攪拌樁強(qiáng)度的敏感因素[7-8]。

目前深厚軟土地區(qū)不同深度支護(hù)形式的結(jié)構(gòu)及地層協(xié)調(diào)變形分析研究鮮有報(bào)道，本文在以往研究基礎(chǔ)上，以武漢湖相沉積軟土地區(qū)某基坑為背景，研究了影響基坑水泥土墻強(qiáng)度的敏感因素，并通過室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行了多因素耦合下的物理力學(xué)參數(shù)分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出重力式水泥土墻變形控制的有效方法，對(duì)進(jìn)一步研究深厚軟土地區(qū)此類支護(hù)結(jié)構(gòu)的適用性和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 理論分析

水泥土強(qiáng)度作用機(jī)理為水泥水化反應(yīng)和離子交換等作用，即水泥水化反應(yīng)生成的產(chǎn)物電離分解出來的鈣離子與土顆粒表面的離子發(fā)生交換。相較于其他因素，水泥摻量對(duì)水泥土的作用等同于固化劑的作用。普遍研究認(rèn)為，隨著水泥摻量的增加，固化后的產(chǎn)物強(qiáng)度將有所增加。隨著水泥固化時(shí)間的增加，水泥土內(nèi)進(jìn)行水化反應(yīng)的時(shí)間會(huì)更加充足，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，進(jìn)而提高了強(qiáng)度。

隨著水灰質(zhì)量比的增加，其中增加的自由水會(huì)影響土顆粒之間的連結(jié)，進(jìn)而降低強(qiáng)度。當(dāng)水灰質(zhì)量比過小時(shí)，水泥將不能與水充分發(fā)生水化反應(yīng)，將無(wú)法產(chǎn)生大量的水化產(chǎn)物，土體性能得不到有效的改善。其他參數(shù)不變的情況下，當(dāng)水泥強(qiáng)度增加一個(gè)等級(jí)時(shí)，固化產(chǎn)物的強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)有所增長(zhǎng)。

2 水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)方法思路

施工工藝、被加固土的基本特性、水泥漿配合比等因素均會(huì)對(duì)重力式水泥土墻的強(qiáng)度造成不同程度的影響，從而影響成樁質(zhì)量。為了進(jìn)一步了解軟土地區(qū)水泥土抗壓強(qiáng)度的特性，進(jìn)行了如圖1 所示的室內(nèi)試驗(yàn)研究。

圖1 試驗(yàn)方法思路

現(xiàn)場(chǎng)取樣并測(cè)量初始含水率，計(jì)算出不同配比數(shù)據(jù)（見表1）。采用不同標(biāo)號(hào)水泥（P·O 32.5 和P·O 42.5）、不同水灰質(zhì)量比（1.0、1.4 和2.0）以及不同水泥摻量（5%、10%、15%、20%）在試驗(yàn)28 d 和90 d時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

表1 現(xiàn)場(chǎng)取土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)

通過模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過程，采用改裝電錘攪拌試樣。待均勻攪拌后，采用刮刀將試樣分層填入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 試模，保證試樣密實(shí)填滿試模，最后用板刷抹平表面。制備好的試樣（見圖2），靜置24 h 后脫模，在標(biāo)養(yǎng)箱內(nèi)對(duì)其養(yǎng)護(hù)合格后進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)。

圖2 制作水泥土試塊

3 水泥土強(qiáng)度影響因素分析

詳細(xì)記錄各組試塊的強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果，并通過對(duì)比分析，得出不同因素對(duì)其強(qiáng)度的影響程度。

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)實(shí)物見圖3、結(jié)果數(shù)據(jù)見表2。

表2 強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)

通過對(duì)比不同水灰質(zhì)量比的水泥土強(qiáng)度，并進(jìn)行曲線優(yōu)化后可得到曲線圖見圖4。

圖4 不同水灰質(zhì)量比下強(qiáng)度曲線

對(duì)圖4 進(jìn)行分析對(duì)比，其他因素不變的情況下，水泥摻量在5%～15%的變化范圍內(nèi)，強(qiáng)度曲線可簡(jiǎn)化為線性曲線；在15%～20%的區(qū)間內(nèi)，曲線幅度有所減緩。其他因素不變的情況下，隨著水泥強(qiáng)度等級(jí)的提高，相應(yīng)水泥土的強(qiáng)度有所增長(zhǎng)。

通過調(diào)整橫坐標(biāo)顯示數(shù)據(jù)，對(duì)比不同水泥摻量的水泥土強(qiáng)度，并進(jìn)行曲線優(yōu)化后可得曲線圖見圖5。

圖5 不同水泥摻量下強(qiáng)度曲線

對(duì)圖5 進(jìn)行分析對(duì)比，其他因素不變的情況下，水灰質(zhì)量比在1.0～2.0 的變化范圍內(nèi)，強(qiáng)度曲線表現(xiàn)為逐步減小的趨勢(shì)?？紤]現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作，應(yīng)適當(dāng)控制水灰質(zhì)量比的數(shù)值，因?yàn)楫?dāng)其過小時(shí)漿液無(wú)法從壓漿管中流出，導(dǎo)致攪拌不均勻，影響其強(qiáng)度的發(fā)揮。

通過綜合水灰質(zhì)量比、水泥摻量、水泥標(biāo)號(hào)和養(yǎng)護(hù)齡期的多種因素，繪制3D 曲面統(tǒng)計(jì)圖（見圖6）進(jìn)而分析不同因素對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響。

圖6 不同參數(shù)-強(qiáng)度3D 曲面統(tǒng)計(jì)圖

通過分析對(duì)比3D 曲面統(tǒng)計(jì)圖，可以知道當(dāng)選用合適的水泥等級(jí)、水灰質(zhì)量比和水泥摻量，固化后的水泥土強(qiáng)度將會(huì)得到充分的發(fā)揮。在其他因素不變的情況下，28～90 d 的養(yǎng)護(hù)期間，強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度可達(dá)35%以上；水泥提高一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，相應(yīng)固化后的產(chǎn)物強(qiáng)度增加約30%～50%。

4 水泥土墻變形分析

選擇合理的土方開挖方式對(duì)基坑的變形有較為重要的影響。采用信息化施工和動(dòng)態(tài)控制的方法，按照分層分段、對(duì)稱均衡的原則進(jìn)行開挖，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)開挖步驟和方法進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整[9-10]。

武漢某基坑一次性開挖到底見圖7，在基坑開挖過程中遇到了以下問題：未分層開挖；開挖時(shí)不注意保護(hù)墻體，開挖坡腳時(shí)損壞水泥土墻，嚴(yán)重者甚至造成墻身斷裂，局部結(jié)構(gòu)破壞易造成墻身部分土體脫落、防水效果差等不良影響；一次性開挖長(zhǎng)度超過100 m。

圖7 一次性開挖到底區(qū)域

通過對(duì)基坑進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)重力式水泥土墻支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部變形（水平位移、垂直位移）隨基坑開挖逐漸增大，卸載過大過快對(duì)結(jié)構(gòu)變形將造成巨大且不可逆行的變形影響；累計(jì)變形在同一長(zhǎng)邊大致呈現(xiàn)出中間大兩頭小的現(xiàn)象，體現(xiàn)了基坑的尺寸效應(yīng)對(duì)基坑變形的影響；累計(jì)變形走勢(shì)均大致相同呈“弓字型”分布，由頂部至底部逐漸減小，其中頂部變形最大（見圖8）。

圖8 支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移累計(jì)值

對(duì)水泥土重力式墻進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水泥土攪拌樁體強(qiáng)度、完整性、均勻性是深厚軟土重力墻變形控制的重點(diǎn)。當(dāng)基坑水平位移持續(xù)增長(zhǎng)時(shí)，可采用較為剛性的防護(hù)措施[11]。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，采用斜拋撐方案進(jìn)行補(bǔ)充支護(hù)（見圖9），對(duì)基坑支護(hù)變形的控制取得了良好的效果。

圖9 斜拋撐示意圖

5 結(jié)論

通過對(duì)影響水泥土強(qiáng)度的不同因素進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以及對(duì)水泥土墻變形分析現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

（1）其他因素不變的情況下，水泥摻量在5%～15%的變化范圍內(nèi)，強(qiáng)度曲線可簡(jiǎn)化為線性曲線；在15%～20%的區(qū)間內(nèi)，曲線幅度有所減緩。其他因素不變的情況下，隨著水泥強(qiáng)度等級(jí)的提高，相應(yīng)水泥土的強(qiáng)度有所增長(zhǎng)。

（2）水灰質(zhì)量比在1.0～2.0 的變化范圍內(nèi)，強(qiáng)度曲線表現(xiàn)為逐步減小的趨勢(shì)?？紤]現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作，應(yīng)適當(dāng)控制水灰質(zhì)量比的數(shù)值，因?yàn)楫?dāng)其過小時(shí)漿液無(wú)法從壓漿管中流出，導(dǎo)致攪拌不均勻，影響其強(qiáng)度的發(fā)揮。

（3）在其他因素不變的情況下，28～90 d 的養(yǎng)護(hù)期間，強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度可達(dá)35%以上；水泥提高一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，相應(yīng)固化后的產(chǎn)物強(qiáng)度增加約30%～50%。

（4）一步到底的開挖方式對(duì)重力式水泥土墻支護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響較大，極大可能造成重力式水泥土墻發(fā)生傾覆破壞，進(jìn)而威脅基坑安全。采用斜拋撐方案對(duì)基坑進(jìn)行補(bǔ)充支護(hù)，可以取得較好的效果。