不同土体加固方式对船闸基坑支护结构性状的影响分析

吴超瑜，陈文霞，潘 健

(1.广东省源天工程有限公司，广东 广州 511340；2.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640)

在软土地区中，为控制基坑的变形，确保施工期间基坑和基坑周边环境的安全，常常在基坑主动区和被动区进行土体加固。目前，国内外不少学者通过试验方法、现场监测法、数值模拟法对基坑加固进行了研究。秦爱芳、胡中熊等[1]根据现场卸荷试验所测得的数据，针对上海软土基坑工程提出了一种合理的被动区土体加固深度。胡文红、郑刚[2]根据现场载荷试验，探究了进行浅层加固的桩周土对倾斜桩的影响，并对加固体尺寸、面积和深度等因素变化的影响进行了分析，探讨了土体加固改善倾斜桩竖向承载性状的机理。汪彪等[3]以双排桩桩土相互作用的计算模型为基础，把双排桩桩间土加固体作为实体杆单元，通过水平向的桩土作用弹簧和前后排支护桩连接，提出了计算前后排桩桩间土加固作用对支护结构内力和变形影响的方法。孙辉[4]以大连湾跨海交通工程为工程背景，利用PLAXIS 3D软件进行数值模拟，通过改变被动区的土体加固参数，研究了被动区加固对基坑变形的影响。

由于我国河航运货的需求不断扩大，旧闸重建、新建高等级船闸等工程项目不断增加，以满足通航需求[5-6]。某船闸基坑工程采用带撑双排地下连续墙的支护方案，而目前此类支护基坑的土体加固研究还不完善。本文以该工程为背景，采用MAIDAS GTS软件，基于硬化土(HS)土体本构模型，对土体加固下船闸基坑开挖过程进行数值模拟，探讨“仅主动区加固”、“仅被动区加固”、“仅墙间土加固”、“主动区+墙间土加固”和“被动区+墙间土加固”5种加固方式下基坑开挖时支护结构和邻近原有船闸的水平变形特征。

1 工程概况及数值模拟模型

1.1 工程概况

某船闸基坑剖面示意见图1，船闸基坑与原有一线船闸平行，基坑边缘距原有船闸底板边缘约为38 m，闸室段基坑宽为65 m，深为15 m。在靠近原有船闸侧支护结构采用双排地下连续墙，前排地下连续墙厚为1 200 mm，入岩止水，后排地下连续墙厚为1 000 mm，不入岩层，二者净距为13.8 m，由顶部厚2 m、宽16 m混凝土连板相连。在基坑另一侧，采用厚为1 200 mm单排地下连续墙支护，入岩止水。基坑内设置两道钢筋混凝土支撑，第一道支撑尺寸为 1.1 m×1 m(高×宽)，第二道支撑尺寸为1.2 m×1.1 m(高×宽)，沿基坑纵向间距为4.25 m。沿支撑方向设置5排立柱，跨度为13.5 m。勘察期间，地下水位埋深为2.4～9.1 m，最大埋深为16.9 m。

图1 闸室段基坑剖面示意

该工程对双排地下连续墙间和基坑两侧主动区土体进行了格栅式平面布置的Φ800mm高压旋喷桩加固，桩底穿透淤泥粉质黏土混粉砂层1.5 m以上，双排地下连续墙侧主动区加固宽度约20 m，单排地下连续墙侧主动区加固宽度约26 m，加固深度均约17.5 m，墙间土加固与主动区加固均加固至-12.3 m高程。

1.2 数值模拟模型

为了数值分析结果和现有实测资料对比分析以及计算参数选取合理，本文按工程闸室段典型剖面，据以往经验[7](基坑长深比为21.7，长宽比为5)，通过MAIDAS GTS有限元软件建立二维平面有限元模型。假定模型的计算宽度为280 m，深度为90 m。土体和加固体采用硬化土(HS)模型，土层物理力学参数的选取见文献[8]，船闸结构、地连墙、连板、硂支撑和立柱采用线弹性模型。岩土体和船闸结构采用平面应变单元，地连墙、连板、硂支撑、立柱等采用梁单元，在地连墙、连板和土体之间设置界面单元来模拟支护结构和岩土体的接触。

建立“未进行土体加固”、“仅主动区加固”、“仅被动区加固”、“仅墙间土加固”、“主动区+墙间土加固”、“被动区+墙间土加固”和“工程实际土体加固”7个工况，加固土参数取值见表1，每个工况均模拟基坑开挖过程，首先施工第一层内支撑(底部高程为3.8 m)，并挖土至第二层内支撑底(高程为-1.34 m)；其次施工第二层内支撑，并挖土至-6 m高程；最后，挖土至基坑底(高程为-10 m)。探究基坑开挖至坑底后，不同加固方式对支护结构和邻近船闸侧向变形的影响。

表1 加固土体取值

2 不同加固方式分析

2.1 主动区加固

1)主动区加固宽度

主动区加固深度取17.5 m，加固宽度依次取0 m(未进行加固)、4 m、8 m、12 m、16 m、20 m。通过计算，主动区不同加固宽度下前、后排墙水平位移变化曲线、每延米弯矩曲线如图2所示，主动区加固宽度与水平位移减小量(加固后和未加固时墙身侧向位移差)关系曲线如图3所示。

(a)前排地下连续墙

图3 主动区不同加固宽度下水平位移减少量曲线示意

随着加固宽度由0 m增加至20 m，双排地下连续墙支护结构墙顶水平位移不断减小，由18.5 mm减小至12.4 mm，减少了33%，且减小幅度基本不变；前排地下连续墙最大水平位移所受影响较小，墙身弯矩基本不变，最大位移值由46.3 mm减小至43.6 mm，仅下降了6.2%，减小幅度约为墙顶水平位移减小幅度的1/2，最大位移处维持在坑底附近(墙体深度为17.5 m)；在加固宽度为0～8m时，后排地下连续墙最大负弯矩减小幅度较大，加固宽度为8m后，弯矩基本不变，所以后排地下连续墙早期最大水平位移减少量比墙顶水平位移减少量略微大些，后期基本相同，墙身水平位移弓形特性逐渐向悬臂形特性转变；邻近船闸闸室水平位移随着加固宽度的增加而减小，由11.79 mm减小至9.61 mm，减小量为2.18 mm，在加固宽度为8～16 m之间时，水平位移减小幅度较大。

2)主动区加固深度

主动区加固宽度取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。随着加固深度由0 m增加至27.5 m，墙顶水平位移由18.5 mm减小至12 mm，减少了35%，受加固深度的影响较大；前排地下连续墙墙身弯矩基本不变，最大位移减小幅度约为墙顶水平位移减小幅度的1/2，受加固深度的影响相对较小；在加固深度为0～7.5m时，后排地下连续墙最大负弯矩增大，但增加值不大，加固宽度为7.5～17.5 m时，后排地下连续墙最大负弯矩减小，加固宽度大于17.5 m之后，弯矩基本不变，所以后排地下连续墙早期最大水平位移减少量比墙顶水平位移减少量小，后面增大，最后基本相同；邻近原有船闸闸室水平位移随着加固宽度的增加而减小，由11.79 mm减小至9.21 mm，减小量为2.18 mm，在加固宽度为17.5 m之后，水平位移基本不变。主动区加固深度对控制支护结构和船闸的水平变形影响存在着边际效应，当加固深度达到17.5 m(约为基坑深度)，支护结构水平位移基本不变。典型计算结果如图4～5所示。

(a)前排地下连续墙

图5 主动区不同加固深度邻近船闸闸室最大水平位移示意

综上所述，前后排地下连续墙通过连板连接，并与第一道支撑相连，墙顶位移随着加固深度和宽度的增加而减少，一定程度上说明主动区加固改善了主动区土体物理力学性质，使得支护结构整体所受主动土压力减少；主动区加固基本不影响前排墙墙身弯矩分布，但影响着与它直接接触的后排墙墙身最大负弯矩；主动区加固宽度对支护结构和船闸的水平位移影响没有明显的边际效应，但当加固宽度达到一定范围时，对邻近船闸水平位移的影响较显著；而加固深度约为基坑深度时，对控制支护结构和邻近船闸的水平位移较经济合理。

2.2 墙间土加固

为探究墙间土加固深度对支护结构和邻近船闸的影响，对双排地下连续墙墙间土进行加固，加固深度依次取0(未加固)、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m。

随着加固深度由0 m增加至30 m，双排地下连续墙墙顶水平位移变化较大，由18.5 mm减小至5.7 mm，减少了69%；前排地下连续墙最大水平位移由46.3 mm减小至26.2 mm，降低了43%，加固效果显著，当加固深度在10～20 m时，墙身最大负弯矩减小幅度较大，故最大水平位移减小幅度比墙顶水平位移大，加固深度在20 m之后，墙身的弯矩基本不变；后排地下连续墙最大负弯矩随着加固深度增加而增加，墙体弓形变形特征越来越明显，当加固深度为20 m之后时，后排地下连续墙最大负弯矩减小，所以最大水平位移变化小；就船闸的位移而言，最大水平位移由11.79 mm减少到9.44 mm，减少量为2.35 mm，船闸的水平位移与后排墙的水平变形特征有关，当加固深度在5～15 m时，一方面墙顶水平位移变化较大，另一方面后排墙最大负弯矩增加，墙身最大水平位移基本不变，最终使得船闸水平位移在加固深度为5～15 m范围内影响较大。典型计算结果如图6～7所示。

(a)前排地下连续墙

图7 墙间土不同加固深度邻近船闸闸室最大水平位移示意

综上所述，对双排地下连续墙墙间土体进行加固，增强了支护结构的整体刚度，使得支护结构位移减小显著，同时改变了前后排墙的受力状态，随着加固深度的增加，前排墙最大负弯矩值减小，后排墙最大负弯矩先增大后减小，后排墙墙身弓形位移特性逐渐显著。

2.3 坑底被动区加固

1)被动区加固宽度

为探究被动区加固宽度的影响，被动区加固深度取10 m，加固宽度依次取0 m(未加固)、3 m、6 m、9 m、12 m、15 m。随着加固宽度由0增加至15 m，双排地下连续墙墙顶水平位移由18.5 mm减小至9.7 mm，减少了48%；前排地下连续墙最大位移由46.3 mm逐渐减小到28.6 mm，减小了38%，随着加固宽度增加，前排墙最大负弯矩值逐渐减小，当加固深度达到9 m之后，最大负弯矩基本不变；后排地下连续墙弯矩随着加固宽度增大基本不变，最大位移与墙顶位移接近，所以最大位移变化特征与墙顶相近；邻近原有船闸闸室水平位移随着加固宽度的增加而减小，由11.79 mm减小至10.40 mm，减小量为1.39 mm。典型计算结果如图8～9所示曲线。

(a)前排地下连续墙

图9 被动区不同加固宽度邻近船闸闸室最大水平位移示意

2)被动区加固深度

为探究被动区加固深度的影响，被动区加固宽度取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。

随着加固深度由0 m增加至12 m，双排地下连续墙墙顶位移由18.5 mm减小至11.2 mm，降低39%；前排墙最大负弯矩随着加固深度增加而减小，当加固深度达到6 m之后，最大负弯矩基本不变；后排墙最大弯矩随着加固深度增加基本不变；邻近船闸最大水平位移特征也表现出与后排墙同样的特征，当加固深度达到10 m后，邻近船闸水平位移不再减小。被动区加固深度对控制支护结构和船闸的水平变形影响存在着边际效应，当加固深度达到10 m，支护结构和邻近船闸水平位移基本不变。典型计算结果如图10～11所示。

(a)前排地下连续墙

图11 被动区不同加固深度邻近船闸闸室最大水平位移示意

综上所述，对坑底被动区土体进行加固，增加了被动区土体抗力，使得支护结构墙顶位移减小，同时改变了前排墙的受力状态，随着加固深度和宽度增加，前排墙最大负弯矩值减小，当加固到一定宽度和深度时，弯矩基本不变；后排墙弯矩基本不变。被动区加固深度对控制支护结构和船闸水平变形存在边际效应。

3 不同加固方式效果对比分析

主动区加固、被动区加固、墙间土加固3种加固方式，由于加固位置不同，加固效果各有千秋，若单一的加固方式不能满足位移控制要求，可进行复合加固方案设计，对主动区和墙间土体进行加固或者对被动区和墙间土体进行加固。本文对比了“仅主动区加固”、“仅被动区加固”、“仅墙间土加固”、“主动区+墙间土加固”和“被动区+墙间土加固”五种加固方式的效果，其中墙间土体加固20 m深，后排墙主动区土体加固17.5 m深、20 m 宽，坑底被动区加固10 m深、20 m宽有限元计算结果和实测结果如图12所示。

(a)前排地下连续墙

结果表明，支护结构侧向变形实测结果与“主动区+墙间土加固”数值分析结果基本吻合，对土体进行加固能够有效改善支护结构和邻近船闸的水平位移。从双排地下连续墙墙顶位移改善情况而言，“主动区+墙间土加固”和“被动区+墙间土加固”效果最好，二者加固效果相近但后者效果略优，其次为墙间土加固，最后是“仅主动区加固”和“仅被动区加固”，二者加固效果相近但后者效果略优；从前排墙最大位移的改善情况而言，“仅主动区加固”对前排墙最大位移影响小，而“仅被动区加固”和“仅墙间土加固”效果较好，因此复合方案“被动区+墙间土加固”加固效果优于“主动区+墙间土加固”；从后排墙最大位移改善情况而言，“墙间土加固”对后排墙的影响较大，后排墙墙身呈现出较为明显的“弓形”特征，最大位移与未加固相比，基本未发生变化，而“仅主动区加固”和“仅被动区加固”效果相近且较好，前者加固效果略好些，墙身水平变形特征与未加固相近，所以复合方案“主动区+墙间土加固”和“被动区+墙间土加固”加固效果与“仅主动区加固”和“仅被动区加固”接近；从邻近原有船闸水平位移出发，在“不进行加固”、“仅主动区加固”、“仅被动区加固”、“仅墙间土加固”、“主动区+墙间土加固”和“被动区+墙间土加固”下，船闸最大水平位移分别为11.79 mm、9.61 mm、10.71 mm、9.82 mm、6.11 mm、8.94 mm，结果表明仅在主动区或墙间土加固及“主动区+墙间土加固”的加固效果较好。

4 结语

基于HS土体本构，采用有限元方法，探讨了“仅主动区加固”、“仅被动区加固”、“仅墙间土加固”、“主动区+墙间土加固”和“被动区+墙间土加固”5种加固方式对带撑双排地下连续墙支护基坑和邻近原有船闸的影响，得出如下结论：

1)主动区土体加固对前排墙的水平位移没有明显影响，主要为改善后排墙受力、减少其水平位移的作用，同时也能减少邻近船闸的水平位移，主动区的加固深度对后排墙和邻近船闸的水平位移的改善效果具有明显的边际效应。

2)墙间土的加固能大幅度降低墙顶水平位移，有效地改善前排墙的受力特性，控制前排墙最大水平位移效果显著。

3)被动区土体加固能有效地减少前排墙和后排墙的水平位移，但相对于墙间土加固和主动区加固，对邻近原有船闸的水平位移减小程度较小。

4)被动区加固深度的加固效果对前排墙的最大水平位移及邻近船闸的水平位移存在明显的边际效应。

5)“被动区+墙间土加固”方案比“主动区+墙间土加固”方案更好地降低带撑双排地下连续墙结构的最大水平位移，但其对邻近船闸水平位移的控制效果稍逊，在类似工程中应视实际情况进行取舍。