桩间缝隙注浆加固对基坑围护桩变形的影响

聂东清

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 200092)

引言

软土地区基坑工程经常采用坑底土体加固的方法减小基坑变形。 基坑土体加固方法一般有搅拌桩、高压旋喷桩、注浆等，此外基坑降水也具有对基坑土体加固的效果[1]。 学者对基坑加固中的问题已开展了大量研究。 秦爱芳等[2]对上海地区基坑工程中土体注浆加固参数进行了探讨研究； 黄宏伟等[3]结合现场实测，讨论了不同坑内土体加固方法对土体力学参数改善效果； 郑俊杰等[4]通过数值模拟对基坑被动区加固不同形式及几何参数进行了分析。 蔡袁强等[5]，史海莹[6]，朱庆科[7]分别采用有限元方法对双排桩被动区及桩间土加固作用进行了研究。

实际工程中，当基坑被动区采用搅拌桩或高压旋喷桩加固时，由于搅拌桩或旋喷桩不能紧贴围护桩施工，因此在搅拌桩(旋喷桩)和围护桩之间一般存在一定缝隙。 此时，需要采用注浆方法加固缝隙内土体(桩间缝隙)，以保证加固区域的连续。 遗漏桩间缝隙的加固可能导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为背景，采用三维有限差分法建立数值计算模型，并将数值计算结果与现场实测结果进行了对比。 在此基础上，对桩间缝隙注浆加固的影响进行了参数分析。

1 工程概况

上海某基坑面积超过15 万m2，基坑开挖深度12.8m ～15.8m。 由于基坑面积巨大，开挖深度较深，且基坑周边环境条件简单，因此采用了放坡结合双排桩支护形式。 基坑平面如图1 所示，基坑平面尺寸575m ×344m。 图中阴影部分为双排桩平面位置。 目前，基坑西南侧(虚线框范围)开挖已完成，该侧基坑开挖深度为14.5m。这一侧布置基坑围护桩测斜监测点7 个，编号为CX40 ～CX46。 测斜点均位于双排桩的前排桩，测斜点间距约20m。

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

本文重点讨论开挖基坑深度为14.5m 部分，该范围典型剖面如图2 所示。 基坑上部放坡，下部采用双排桩的支护形式。 基坑两级放坡高度均为3.5m，双排桩支挡高度7.5m。 双排桩的前后排桩长度均为25m，采用φ1000@1200mm 钻孔灌注桩，前后排桩用连梁连接，连梁构造如图3。双排桩与连梁均采用C30 混凝土。 考虑到基坑开挖面附近存在厚度很大的淤泥质粘土层，双排桩的桩间土及双排桩前基坑被动区土体均采用三轴搅拌桩进行了加固。 其中，桩间土加固长度18m； 基坑被动区采用坑底满堂裙边加固，加固深度5m，宽度6m。 由于三轴搅拌桩与双排桩前排桩之间有大约10cm 缝隙，因此采用压密注浆加固。 基坑放坡顶部外5m 处设置三轴搅拌桩止水帷幕，止水帷幕长度为16m。

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

图3 连梁形式(单位：m)Fig.3 Form of coupling beam(unit：m)

2 数值计算模型的建立

采用有限差分法建立了三维基坑开挖模型，如图4 所示。 已有研究表明，基坑开挖宽度对基坑围护结构变形有明显影响[8]。 但本基坑开挖宽度极大，为节约计算成本同时确保大面积开挖特性，基坑开挖宽度假定为100m。 数值计算模型取一半开挖宽度，为50m。 模型总宽度150m，总高度60m。 模型垂直纸面方向厚度3.6m，为三倍排桩间距。 模型左右侧约束水平位移，模型底部约束竖向和水平向位移。

有限差分模型中，土体采用能够反应土体应变硬化特性的Cap-yield 本构模型。 该本构模型具有三种硬化准则，即帽盖硬化准则、摩擦硬化准则和压缩/膨胀硬化准则[9]。 该本构模型被广泛应用于隧道[9]、基坑开挖[10]等岩土工程的数值模拟。 桩间及坑内加固体采用摩尔-库仑模型模拟。 计算模型的土层物理参数见表1。

双排桩及连梁采用线弹性本构模拟，连梁根据抗弯刚度等效为1m 厚的板，连梁及排桩均采用三维实体单元模拟。 排桩弹性模量30GPa，连梁弹性模量20.5GPa，泊松比均为0.2。 双排桩及加固区域局部三维模型见图5。

图4 有限差分计算模型(单位：m)Fig.4 Finite difference model(unit：m)

表1 土层物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of soils

图5 双排桩及土体加固模型Fig.5 Model of double-row piles and soil reinforcement

3 计算结果分析

基坑开挖完成时，数值计算结果与现场实测结果对比如图6 所示。 由于测斜孔 CX43、CX44下部被堵住，仅测得桩顶以下14m 深度内的位移情况，且测斜监测得到的是桩顶相对测斜管底部的变形情况，桩身14m 处的实际水平位移未知，因此实测及计算结果均忽略了桩身14m 以下的位移。 图中可以看到，数值计算结果大于现场实测结果，尤其是相对于更靠近基坑边缘的CX44 测点(图1)。 这主要是实际工程中的基坑空间效应明显，而数值模拟仅截取一个断面进行模拟，类似于平面应变模型，无法考虑空间效应。 也因为如此，受基坑空间效应较小的CX43 测点位移与数值计算结果更接近。

3.1 桩间缝隙注浆作用分析

以上述基坑开挖模型为模板，在其他参数不变情况下，分别计算了无裙边加固及有裙边加固而无桩间缝隙注浆的基坑变形情况，计算结果如图7 所示，图中所示为完整桩身水平位移情况。计算结果显示，采用裙边加固及桩间缝隙注浆时的最大位移(α1)相比无裙边加固的最大位移(α3)减小 62%，被动区加固作用显著。 而α1相比有裙边加固但没有桩间缝隙注浆时的最大位移(α2)减小28%，桩间缝隙注浆加固对裙边加固影响的贡献为24%((α2-α1)/(α3-α1))。

图6 数值计算与实测结果对比Fig.6 Comparison between numerical calculation and measured results

图7 不同裙边加固情况时基坑前排桩变形Fig.7 Deformation of front-row piles under different types of reinforcement

基坑开挖完成时，不同被动区加固情况下的剪应变率云图如图8 所示。 当被动区无裙边加固时，剪应变沿围护桩与被动区土体交界面开展，延伸到围护桩桩底附近。 对于采用裙边加固的情况，剪应变围绕加固区开展，最显著的剪切带沿着加固区与围护桩交界处开展，远离加固区剪应变很小。 并且，有桩间缝隙注浆时的剪应变明显小于无桩间缝隙注浆时的剪应变。

图8 剪应变率云图Fig.8 Contours of shear strain-rate

3.2 注浆加固体弹性模量影响

其他条件不变情况下，注浆加固体弹性模量与围护桩最大水平位移关系如图9 所示。 围护桩水平位移随着弹性模量增加逐渐减小，且减小幅度逐渐降低。 弹性模量从50MPa 增加到80MPa时，位移随模量的变化趋近于0。

3.3 注浆加固体强度参数影响

其他条件不变情况下，注浆加固体粘聚力与围护桩最大水平位移关系如图10 所示。 当粘聚力小于10kPa 时，其变化对围护桩位移几乎没有影响。 而粘聚力继续增加，围护桩位移快速减小。

其他条件不变情况下，注浆加固体内摩擦角与围护桩最大水平位移关系如图11 所示。 随着内摩擦角增加，围护桩最大位移逐渐减小，并最终趋于稳定。 这一趋势与弹性模量影响类似。 但内摩擦角对水平位移影响更为显著。

图9 注浆加固体弹性模量与最大水平位移关系Fig.9 Relationship between elasticity modulus and maximum horizontal displacement

图10 注浆加固体粘聚力与最大水平位移关系Fig.10 Relationship between cohesion and maximum horizontal displacement

图11 注浆加固体内摩擦角与最大水平位移关系Fig.11 Relationshipbetween friction angle and maximum horizontal displacement

4 结论与展望

本文基于上海某基坑工程实测结果，采用有限差分法对软土地区基坑被动区搅拌桩加固体与围护桩间的缝隙加固影响进行了研究。 得到如下结论与建议：

1.软土地区基坑工程中，基坑被动区搅拌桩(旋喷桩)加固与围护桩之间存在的缝隙需要进行注浆加固，以保证被动区加固体完整连续。 桩间缝隙注浆加固被遗漏对基坑变形产生较大影响。

2.数值计算结果表明，桩间缝隙注浆加固对基坑变形的影响可占到被动区加固总影响量的24%。 基坑变形时，土体剪应变主要在围护桩与坑底土体交界处产生。 桩间缝隙注浆加固减小了围护桩与坑底土体之间的剪应变。

3.围护桩水平位移随着桩间缝隙注浆加固体的弹性模量、粘聚力及内摩擦角的增加而减小，且减小幅度逐渐降低。 其中，粘聚力小于10kPa时，粘聚力变化对水平位移影响不大。 内摩擦角对水平位移的影响显著大于弹性模量及粘聚力的影响。