软土深基坑被动区超前加固变形控制效果研究

2021-11-13于至海吴旭君曹文昭

建筑科学与工程学报 2021年6期

于至海，吴旭君，曹文昭

(1. 中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088； 2. 中国京冶工程技术有限公司深圳分公司，广东深圳 518055；3.中冶建筑研究总院(深圳)有限公司，广东深圳 518055)

0 引言

近年来，中国经济持续健康发展，城市化进程不断推进，在新城开发与旧城改造过程中，地下空间的利用得到了极大的发展，基坑工程如今正在向深度更深、面积更大、距离更近、影响因素更多和周围环境更复杂的方向发展，变形控制已经成为深基坑工程设计施工的主要控制要素[1]。

中国滨海地区软土分布广泛，如珠海等地区，30～40 m厚的淤泥地质分布并不少见。在此类地区进行基坑工程建设对基坑设计和施工来说是巨大的挑战。为控制软土区深基坑的变形，一味增加支护桩直径、长度和增大内支撑尺寸会使工程量变得巨大。基坑被动区加固作为一种有效的变形控制手段，在软土深基坑工程中已得到广泛应用，它可以改善被动区坑底土体的物理力学指标，提高被动区土体的强度及刚度，从而有效抑制基坑开挖时土体的变形，达到控制基坑变形的目的[2]。

表1中列出了5个基坑被动区加固的工程实例及其应用场景说明[2-6]。虽然基坑被动区加固已在软土地区广泛应用，但并没有明确的设计方法，实际工程应用高度依赖当地设计经验，众多学者针对加固参数进行了相关研究。马海龙[7]分析了被动区裙边加固的加固深度及加固宽度对基坑变形的影响，结果表明裙边加固存在合理加固深度及加固宽度；郑俊杰等[8]结合地铁车站实例分析指出，裙边加固宽度与加固深度相当时，加固效果最优，且裙边和抽条结合的加固形式中，保持裙边加固参数不变，加固效果主要与抽条加固的置换率有关，与其断面形状、布置形式无关；秦爱芳等[9]以卸荷试验为基础，从强度、变形和侧应力变化3个方面对被动区土体加固深度进行了研究，给出了上海地区加固深度的参考值；熊春宝等[10]对满堂、裙边、抽条、格栅4种被动区加固形式在坑底隆起和围护结构侧向位移的控制效果方面进行了讨论；也有一些学者对加固土体刚度的影响效果进行了分析[11-12]。

表1 基坑被动区加固工程实例Table 1 Examples of Passive Zone Reinforcement of Foundation Pits

被动区加固通常指坑底土体的加固，但也包括坑底以上开挖段土体的超前加固，其平面布置可参考常见的坑底加固布置形式。开挖段超前加固的复合土体最终会随基坑开挖而被挖除，但它对基坑变形性状仍有重要影响，部分学者对开挖段超前加固进行了一定的研究。怀文卫等[13]结合上海一实际工程，对加固体增加纵向范围的加固效果进行了分析；寿旋等[14]推导了考虑加固土体作用下的基坑围护结构变形公式，结合实际工程指出增加加固体高度的方法在沿海软土地区具有较强的适用性；李志伟等[15]对开挖段被动区加固效果进行了系统分析，得到了开挖段加固体的最优加固高度和最优加固宽度。

在长期的工程实践中，基坑被动区加固技术的经济性、实用性已得到越来越多国内外专家的认可，而对软土区基坑开挖段的超前加固，相关的研究和应用还较少。本文运用FLAC 3D软件进行数值模拟，对基坑底被动区加固和开挖段超前加固的效果及规律进行探究，以期为滨海软土区深基坑工程设计与施工提供参考。

1 工程实例与模型建立

1.1 工程实例

某基坑位于广东省佛山市[16]，基坑平面呈正方形，长度约为94 m，宽度约为93 m，开挖深度约10.5 m。围护结构采用φ1 000@1 200的灌注桩，桩长20.4 m，内支撑采用一道800 mm×800 mm的钢筋混凝土支撑，设置在-1 m处。因坑底存在软弱土层，在坑底进行宽3.25 m、深5.0 m的裙边加固，被动区采用φ550@450的搅拌桩进行加固，置换率约为1。基坑支护结构和水平位移监测点平面布置如图1所示。本文各土层参数以及支护构件、加固体等物理力学参数均参照文献[16]取值，其中土层参数结合监测点处钻孔土样确定，支护构件、加固体参数由抽芯检测强度与经验比例换算关系得出，具体参数见表2。

图1 基坑支护结构和水平位移监测点平面布置Fig.1 Layout Plan of Excavation Support Structure and Horizontal Displacement Measuring Points

表2 土层及结构构件的物理力学参数Table 2 Physical and Mechanical Parameters of Soil Layers and Structural Elements

1.2 数值模拟几何模型

根据本工程基坑平面形状和基坑支护布置的对称性，取基坑1/4结构进行计算，坑内尺寸取47 m(长)×47 m(宽)。考虑基坑开挖对周围土体的影响，坑外水平方向另取4倍基坑开挖深度，坑底竖直方向另取3倍基坑开挖深度。

针对本文研究内容建立A，B，C三种地层分布的基坑模型，如表3和图2所示。基坑模型A各参数与工程实例一致，通过基坑模型A进行土体本构模型的比选，同时将模拟计算的结果与实测值进行对比，验证有限差分模型的有效性。基坑模型B在基坑模型A的基础上增大了基坑底软土的厚度，开展坑底深厚软土下被动区加固规律的探究，并可与基坑模型A已有的裙边加固结论[16]进行对比验证。基坑模型C进一步增大了开挖深度和软土覆盖深度，开展多道支撑下的开挖段超前加固应用探究。

表3 基坑模型参数Table 3 Parameters of Foundation Pit Models

图2 基坑三维模型Fig.2 3D Model of Foundation Pit

1.3 施工过程模拟

以基坑模型A为例，对基坑的开挖过程进行模拟：①整个土体模型进行初始地应力计算，将位移清零；②进行被动区加固并施工围护结构，将位移清零；③开挖1 m；④在-1 m处架设首道支撑，继续开挖9.5 m到底。特别指出，为充分考虑软土基坑中支撑施工前基坑已发生变形的实际情况，开挖1 m后先进行模拟计算，而不是开挖1 m在-1 m处架设好支撑再计算，本文其他工况均按此原则进行模拟。

1.4 土体本构模型选择

摩尔-库仑本构模型(MC模型)综合了胡克定律和Coulomb破坏准则，参数简单明确，在岩土工程数值计算中是应用最为广泛的模型，但这并不代表MC模型在所有岩土工程问题中都适用。MC模型能较好地描述土体的破坏行为，在一些强度问题的研究中有较强的适用性，而对于基坑开挖，它不能较好地描述土体破坏前的应力-应变关系，无法区分加载和卸载，也不能考虑应力历史的影响[17]。土体硬化模型可以克服MC模型的上述不足，能较好地模拟基坑开挖过程，描述基坑变形，已成为基坑工程数值分析中应用最多的模型之一[18]。

为比选MC模型与PH模型，对基坑模型A中土体分别应用MC模型和PH模型进行模拟计算，以对比2种本构模型对工程实例变形描述的合理性。特别指出，对土体应用MC模型时，加固土体也可应用MC模型[8]；对土体应用PH模型时，加固土体也可采用PH模型，且各模量比例系数可与硬土取值一致[21]。开挖至坑底时，基坑位移情况如图3～5所示。

图3 围护结构水平位移曲线Fig.3 Horizontal Displacement Curves of Retaining Wall

图4 坑底隆起曲线Fig.4 Heave Curves of Bottom Ground

图5 坑外地表沉降曲线Fig.5 Settlement Curves of Ground Surface

可以看出，应用PH模型计算出的围护结构水平位移值与实测值拟合较好，对坑底隆起和坑外地表沉降的描述也较符合实际工程规律。MC模型计算出的坑底隆起值约为200 mm，坑外局部地表土体“鼓出”地面标高，显然有悖实际情况，这与MC模型不能区分加载和卸载的土体刚度有较大关联。考虑到坑底隆起和坑外沉降直接反映基坑开挖的土体位移情况，推测MC模型围护桩底位移过大的反常情况是由于土体位移过大造成的。综上可以看出，在基坑工程的数值分析中，PH模型有较强的适用性，MC模型则应谨慎使用。

2 基坑底被动区加固效果

本节对基坑底裙边加固和满堂加固2种被动区加固形式的加固效果及规律进行探究，2种加固形式示意图如图6所示。

图6 被动区加固示意图Fig.6 Sketches of Passive Zone Reinforcement

2.1 基坑底裙边加固

基坑模型B坑底有厚达9 m的淤泥，对其进行坑底裙边加固，分别保持加固深度8 m不变调整加固宽度以及保持加固宽度8 m不变调整加固深度，加固效果如图7，8所示。

图7 裙边加固宽度和深度对围护结构水平位移的影响Fig.7 Influence of Skirt Edge Reinforcement Widths and Depths on Horizontal Displacements of Retaining Wall

图8 裙边加固宽度和深度对基坑外地表沉降的影响Fig.8 Influence of Skirt Edge Reinforcement Widths and Depths on Surface Settlements Outside Foundation Pit

从图7(a)，8(a)中可以看出，保持加固深度8 m不变时，围护结构水平位移和坑外地表沉降在加固宽度1～5 m的减少值明显大于加固宽度5～9 m的减少值。将基坑开挖深度记为h，本基坑模型h=10 m，即可以确定基坑模型B裙边加固的合理加固宽度为0.5h，这与基坑模型A合理加固宽度的规律[16]基本一致。

关于合理加固深度，文献[16]得到基坑模型A合理加固深度取0.5h～0.6h的结论。对于基坑模型B，从图7(b)，8(b)中可以看出，当加固深度达9 m时加固效果陡增，这是因为加固深度达9 m时加固范围已覆盖坑底全部软土，加固土已接触到强风化泥质粉砂岩，与底面接触淤泥相比，摩擦力大大提高，故变形控制效果陡增。加固深度为1～7 m时，在1～5 m范围内位移控制程度逐渐增加，但加固深度5～7 m对围护结构水平位移的减少量已小于加固深度3～5 m时对应的减少量，坑外地表沉降值的减少量则已差不多，均没有继续增加的趋势，仍可见5 m处有拐点。因此可以得出裙边加固的合理加固深度可取0.5h～0.6h，但加固深度的变形控制效果与坑底的土层情况密切关联，裙边加固深度应尽量覆盖坑底软土层。

2.2 基坑底满堂加固

对基坑模型B分别进行深度1～5 m的满堂加固，如图9，10所示。由图9，10可以看出，加固深度大于3 m后，围护结构水平位移及坑外地表沉降的控制效果均明显减弱，由此得到满堂加固的合理加固深度为0.3h。

图9 满堂加固深度对围护结构水平位移的影响Fig.9 Influence of Full Pit Bottom Reinforcement Depths on Horizontal Displacements of Retaining Wall

图10 满堂加固深度对基坑外地表沉降的影响Fig.10 Influence of Full Pit Bottom Reinforcement Depths on Surface Settlements Outside Foundation Pit

2.3 裙边加固与满堂加固的对比

在得到裙边加固和满堂加固合理加固参数的基础上，分别对基坑模型B(开挖深度10 m)和基坑模型C(开挖深度15 m)以2种加固方式的合理加固参数进行加固，将围护结构最大水平位移和坑外地表最大沉降的模拟结果统计在表4中。

表4 位移控制效果对比Table 4 Comparison of Displacement Control Effect

由2个模型的加固效果综合来看，在深厚软土基坑工程中取合理加固参数进行加固时，裙边加固对围护结构最大水平位移的控制约为25%，满堂加固约为65%，裙边加固对坑外地表最大沉降值的控制约为35%，满堂加固约为80%。满堂加固的位移控制效果明显强于裙边加固，实际工程应根据基坑尺寸、开挖深度、需要的控制程度等来合理选择加固形式。

特别指出，合理加固范围仅代表加固效果幅度减弱的拐点，超过合理加固范围基坑底被动区加固的变形控制作用仍将继续发挥。

3 开挖段超前加固应用分析

3.1 严格变形条件下的开挖段超前加固分析

在一些软土基坑工程中，若周围紧邻重要的建(构)筑物，则需要严格控制基坑变形，此时可首选满堂加固。

对基坑模型C(开挖深度h=15 m)进行满堂加固，围护结构水平位移如图11(a)所示。可以看出，加固效果的拐点发生在加固深度4～6 m处，验证了满堂加固合理深度0.3h的结论。为进一步控制变形，需增加加固深度，当超过0.5h(深度8～12 m)后，最大水平位移从坑底以下位置上移到最后一道撑至坑底的区域，此时考虑对此区域进行超前加固。

图11(b)展示了2种加固方案开挖到底时的围护结构水平位移曲线，一种方案为坑底12 m加固，另一种方案则把其中的4 m置于最后一道撑至坑底区域，即坑底加固8 m和开挖段超前加固4 m，超前加固示意图如图12所示。两者最大位移分别为16.49 mm和14.18 mm，表明开挖段超前加固比坑底加固更有效。此外，虽然开挖至坑底时超前加固部分已被挖除，但坑底以上围护结构水平位移较只有坑底加固的情况仍整体减小，这是超前加固在最后一道撑以上土体开挖过程中变形控制的累加效果造成的。

图11 超前加固对围护结构水平位移的影响Fig.11 Influence of Reinforcement Before Excavation on Horizontal Displacement of Retaining Wall

图12 超前加固示意图Fig.12 Sketch of Reinforcement Before Excavation

综上，满堂加固深度超过0.5h后，可优先考虑超前加固最后一道撑至坑底范围的土体。

3.2 超前加固下的首道撑下移分析

在围护结构+内支撑形式的基坑工程中，靠近桩顶处土压力很小，但首道撑通常设置在地面标高0 m或-1 m的位置，这主要是因为基坑初始开挖时顶部如果没有支撑会形成围护结构悬臂状态，很容易造成桩顶位移过大。超前加固为首道撑下移、减少一道支撑的设计提供了可行方案。

下面对比2种方案：方案1基坑模型C改为2道支撑，分别设置在-3.5 m和-10.5 m的位置，采用5 m坑底满堂加固，以及首道撑下1.5 m(-4～-5.5 m)的开挖段满堂形式的超前加固；方案2基坑模型C坑底5 m满堂加固，按原设计实施3道支撑。开挖过程模拟时，每次开挖至下一道支撑下平面处或坑底处。因此方案1的开挖模拟过程分3步，分别为Step1挖至第1道支撑下，Step2设置第1道支撑并挖至第2道支撑下，Step3设置第2道支撑并开挖到底。相应地，方案2有3道支撑，故有4个开挖步骤。2种方案各开挖步下的围护结构水平位移如图13所示。

图13 各开挖步下围护结构水平位移曲线Fig.13 Horizontal Displacement Curves of Retaining Wall in Different Steps

通过超前加固，方案1第1步开挖至-4 m时，桩顶位移仅为11.09 mm，开挖到底时，围护结构最大水平位移为29.14 mm，方案2则为29.12 mm，开挖过程中围护结构桩顶位移的控制以及开挖到底的最大侧移控制均证明了减撑方案的可行性。

依据工程经验，分别以300元·m-3和1 600元·m-3估算本模型水泥搅拌桩施工和支撑施工的成本，首道撑下1.5 m超前加固造价约为100万元，减少的首道撑造价约为60万元，虽然建设造价有所增加，但可减少首道撑的拆除及废料处理费用，同时开挖段超前加固不占用额外工期，这意味着在工期上可节省出首道支撑的支模、浇筑、养护及后续拆撑的时间。

在珠海等地区，常见地表3～4 m填土下分布深厚淤泥的地质，此时在填土下进行超前加固，既可以使首道撑下移作减撑设计，又可以为首层土开挖、首道撑(下移后的)架设施工提供便利，对坑内立柱桩因软土开挖易造成的侧向偏移问题也将大为改善，该方法配合施工方案可发挥更大的综合作用。