基坑被动区阶梯式加固对基坑变形的影响

2022-03-11林剑锋陈维顺吴春鹏

广东土木与建筑 2022年2期

昌郑，林婵，林剑锋，陈维顺，吴春鹏

（1、中国建筑第五工程局有限公司广东珠海 519000；2、中国电建集团市政规划设计研究院有限公司广东珠海 519000；3、广东联信建设工程有限公司广东茂名 525000）

珠海地处珠三角的南部前缘，具有非常典型的软土地质条件，近年来珠海地区城市建设高速发展，涌现了大量的基坑工程［1］。珠海地区多为淤泥质土，这类土具有强度低、压缩性高的特点［2］，基坑支护设计不当易出现支挡结构变形过大、基坑外地表发生沉陷的现象，继而造成周边土层位移过大，周边建筑产生沉降和裂缝，地下管线断裂等问题，给该区域基坑工程的施工造成了较大困难［3］。如何在深厚软土地区避免这些问题，尤其是如何更好地控制基坑变形，保证基坑的稳定性是珠海地区现在基坑支护技术中的一大难关［4］。许多深大软土基坑工程通过采用深层水泥土搅拌桩等工艺对坑底土体进行加固［5-7］，实践证明，基坑被动区加固技术能改善坑内土体的物理力学性质，显著提高被动区土体的侧向抗力，起到控制基坑变形、减小开挖后坑底隆起和坑外土体沉降的作用［8］。

目前，有很多学者对这一技术展开研究，刘溢等人［9］运用有限元软件，对比分析了被动区加固对上海陆家嘴塘东总部超大深基坑变形控制的影响，得到了被动区加固可以有效减小围护桩侧向变形和坑外地表沉降的结论；秦爱芳等人［10］以室内卸荷试验为基础，得到了上海地区基坑工程被动区土体的合理加固深度；马海龙［11］采用数值分析的方法进行分析，认为基坑被动区加固深度和加固宽度存在一个临界值。寿旋等人［12］分析了基坑被动区土体的参数对基坑变形的影响。就目前基坑坑内加固的研究情况来看，在基坑加固宽度和深度、主要参数取值，加固区域形状选择等方面尚没有可靠的依据。在软土地区，根据所处地区的工程地质条件不同，可以采用阶梯型加固的形式，增加被动区土体强度，提高被动区土体侧向抗力。

本文以珠海地区某基坑工程为背景，采用数值模拟的方法，运用FLAC3D软件，就被动区加固体的形状和阶梯型加固尺寸对基坑支护特性的影响进行研究，比较了不同工况下基坑围护桩变形、坑外地表沉降的情况，可以为珠海地区今后类似工程的基坑被动区加固设计和施工提供理论依据。

1 工程概况

某工程位于广东省珠海市横琴新区，工程所处地区淤泥深厚，场地内埋藏的地层主要有人工填土层、第四系海陆交互相沉积层、第四系残积层，下伏基岩为燕山期花岗岩。基坑开挖深度为11.5 m，放坡高度为4.0 m，采用双排桩进行支护，内设1 道钢筋混凝土水平支撑，基坑支护结构安全等级为一级。

基坑开挖对距离较近的市政道路及管线影响较大。经过勘察，地层情况及土层参数如表1所示，该工程所处地区的淤泥土层深厚，由于淤泥质土具有强度低、压缩性大的特点，基坑开挖后易产生较大变形，如果基坑变形过大，会出现基坑周边排水管道断裂、市政道路路面下沉等现象。由于变形控制严格，为改善围护结构受力，减少基坑变形量，工程采用三轴搅拌桩进行坑底加固，保证基坑侧壁稳定及周边已有建筑、市政道路的安全。

表1 地层参数Tab.1 Strata Parameters

2 工况及模型设置

2.1 被动区加固工况设置

为研究被动区加固形状和尺寸对支护体系水平位移的影响分析，本文保持加固深度H和加固宽度B不变，选取加固深度H=9.0 m 和宽度B=12.0 m。被动区加固形状示意图如图1 所示，改变加固形状和阶梯式加固尺寸，设置不同的工况进行对比。

本基坑采用三轴搅拌桩进行被动区加固，搅拌桩直径为0.85 m，考虑到现场施工可行性，在研究时，假定各阶的宽度一致，一级阶梯设置宽度为6.0 m，二级阶梯设置宽度为4.0 m，三级阶梯时设置宽度为3.0 m。改变各阶高度，研究加固尺寸的影响。共设置10个工况，如表2 所示，在FALC3D软件中建立模型，模拟基坑开挖后支挡结构的变形和基坑周边土体沉降情况。试验因素为加固体阶数、加固体尺寸，试验指标为基坑支挡结构侧向变形和坑外地表变形。

2.2 模型参数设置

本文采用FLAC3D软件进行计算分析，基坑支护剖面如图2 所示。基坑采用双排桩支护，排距为6.0 m，前排桩桩径1.4 m，桩间距1.6 m，桩长36.0 m，后排桩桩直径1.2 m，桩间距8.0 m，桩长34.0 m。基坑设1道钢筋混凝土水平内支撑，主撑的水平间距为8.5 m，支撑截面为1.0 m×1.0 m，在软件中排桩和内支撑采用弹性模型，排桩的弹性模量为28 GPa，泊松比取0.2，内支撑的弹性模量为26 GPa，泊松比取0.2。

图2 基坑支护剖面Fig.2 Profile of Foundation Pit Support

土体及加固体采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，土层计算参数按照表1 选取。坑内加固采用三轴搅拌桩，加固形式为格栅式加固，可根据面积置换率近似计算得到加固范围内水泥土桩及土的平均力学参数。根据《基坑工程手册》［13］取水泥土内摩擦角φ=30°，粘聚力c=200 kPa，无侧限抗压强度qu=1.0 MPa，并取E50=120qu。加固体计算参数可按照加固等效公式确定，得到的加固体力学参数如下：m=0.4，γ=17 kN∕m3，μ=0.25，c=84 kPa，φ=30°。

由于在基坑工程中，围护桩采用混凝土材料，变形模量与周边土体存在很大差异，并且在钻孔灌注桩施工阶段和基坑开挖过程中，围护桩与周边土体必然存在相互作用。可在模型中设置接触单元，用来模拟混凝土与土体之间发生滑动分离的界面行为。

定义切向刚度模量kt，法向刚度模量kn，接触面非线性参数分别定义为粘聚力ci，内摩擦角φ i，接触面切线方向服从Mohr-Coulomb 破坏准则，同时由于与周边土体强度相比接触面的强度更低，引入强度折减系数R（一般取0.8），刚度模量计算公式如下。

式中：Gi为剪切模量；tv可反映结构刚度与周边土体刚度差异大小，一般取0.01；μi为泊松比，一般默认取值0.45。经过计算，界面单元参数取值为：kn=5.02×106kN∕m3，kt=4.70×106kN∕m3，ci=11 kN∕m3，φ=8.2°，R=0.8，tv=0.01。

FLAC3D模型如图3 所示，为了方便模拟，本文建模时作了如下假设：①土层按水平状分布考虑；②排桩桩顶为自由端约束条件，忽略冠梁的影响；③不考虑降水对基坑开挖的影响。

图3 FLAC3D模型Fig.3 FLAC3D Model

3 计算分析

3.1 阶梯式加固尺寸对桩身水平位移影响

3.1.1 一级阶梯式加固尺寸对桩身水平位移影响

一级阶梯式加固尺寸如图4所示，模型B、模型C、模型D 各阶的加固宽度一致，加固高度不同。模型B的加固高度H1＜H2，模型C 的加固高度H1=H2，模型C的加固高度H1＞H2，模型B 的加固面积最小，模型D最大。为了便于比较阶梯式的加固效果，设置模型A为对照组，比较各种加固情况下的桩身水平位移。

图4 一级阶梯加固尺寸Fig.4 Dimensional of Step Reinforcement（mm）

开挖至坑底时各模型的桩身水平位移曲线如图5所示。可知，在桩顶附近，在内支撑的作用下，桩顶处的水平位移较小，随着距桩顶距离增加，内支撑影响逐渐减弱，桩身水平位移增大，在0～8 m 的范围内变化很快，桩身水平位移约在8 m处达到最大值。

图5 一级阶梯不同尺寸下围护桩变形曲线Fig.5 Deformation Curve of Retaining Pile under Different Dimensions of First Step

一级阶梯各模型的桩顶位移和桩身最大位移情况如图6所示。模型A的加固效果最好，桩顶位移量和桩身位移量分别为8.45 mm 和19.08 mm。模型B 的加固量最小，但桩顶和桩身位移量较大，分别为13.03 mm和24.95 mm，加固效果不理想。模型D 的加固效果虽然较好，但加固量较大。模型C为各阶尺寸相等的加固模型，桩顶和桩身位移量分别为9.95 mm和20.62 mm，加固效果与模型A很接近，且加固量减少了25%。

图6 一级阶梯不同尺寸对桩身变形的影响Fig.6 Influence of Different Dimensions of the First Step on Pile Deformation

3.1.2 二级阶梯式加固尺寸对桩身水平位移影响

二级阶梯加固尺寸如图7所示，模型E、模型F、模型G 采用二级阶梯式加固形式，各阶加固宽度一致，加固高度不同。模型E 加固高度H1＜H2＜H3，模型F加固高度H1=H2=H3，模型G 加固高度H1＞H2＞H3，其中，模型E的加固面积最小，模型G最大。

图7 二级阶梯加固尺寸Fig.7 Second Step Reinforcement Dimension（mm）

为了二级阶梯式加固效果，设置模型A 为对照组，比较各工况下桩水平位移量和坑外地表沉降量的差别。开挖至坑底时各模型桩身水平位移曲线如图8所示。模型E 的桩身位移最大，模型F 与模型G 桩身位移曲线与模型A接近。

图8 二级阶梯不同尺寸下围护桩变形曲线Fig.8 Deformation Curve of Retaining Pile under Different Dimensions of Two Steps

二级阶梯各模型的桩顶位移量和桩身最大位移量情况如图9 所示。模型E 的加固量最小，桩顶和桩身位移量较大，分别为13.26 mm 和25.62 mm，加固效果不够理想。模型G 的加固效果较好，桩顶和桩身位移量分别为9.53 mm 和20.07 mm，但加固量较大。模型F 为各阶尺寸相等的加固模型，桩顶和桩身位移量分别为10.48 mm和21.02 mm，加固效果与模型A很接近，加固量减少了约33.3%。

图9 二级阶梯不同尺寸对桩身变形的影响Fig.9 Influence of Different Dimensions of Two Steps on Pile Deformation

3.1.3 三级阶梯式加固尺寸对桩身水平位移影响

三级阶梯加固尺寸如图10 所示，模型H、模型I、模型J 各阶加固宽度一致，加固高度不同。模型H 加固高度H1＜H2＜H3＜H4，模型I 加固高度H1=H2=H3=H4，模型J 加固高度H1＞H2＞H3＞H4，其中，模型H 加固面积最小，模型J最大。

图10 三级阶梯加固尺寸Fig.10 Dimensional of Three Steps Reinforcement（mm）

开挖至坑底时的桩身水平位移曲线如图11所示。模型J与模型I的桩身位移曲线与模型A接近，可认为两者的加固效果相近。三级阶梯各模型的桩顶位移量和桩身最大位移量情况如图12 所示。模型H 的加固量最小，对应的桩顶和桩身位移量较大，分别为13.84 mm 和26.42 mm，加固效果不理想。模型I 为各阶相等的模型，桩顶和桩身位移量分别为10.48 mm和21.02 mm，加固量较模型A减少了约37.5%。

图11 三级阶梯不同尺寸下围护桩变形曲线Fig.11 Deformation Curve of Retaining Pile under Three Steps with Different Dimensions

图12 三级阶梯不同尺寸对桩身变形的影响Fig.12 Influence of Different Dimensions of Three Steps on Pile Deformation

3.2 阶数对桩身水平位移的影响

根据上一节分析可知，当各阶加固宽度和加固深度相等时，加固效果较理想，且较矩形式加固工程量减小。选取模型C、模型F、模型I 的桩身位移曲线进行比较，研究采用阶梯式加固时，阶数对桩身位移的影响。

阶数对围护结构变形影响曲线如图13所示，模型A为矩形式加固，模型C 为一级阶梯式加固，模型F 为二级阶梯式加固，模型I为三级阶梯式加固。模型各阶的加固宽度与加固高度相等。模型C、模型F、模型I的桩身位移曲线相近，桩顶位移量和桩身最大位移量相近，模型C、模型F、模型I 的桩顶位移分别为9.95 mm、10.48 mm、10.61 mm，桩身最大位移量为20.62 mm、21.02 mm、21.19 mm，差别均在1 mm 内，加固效果可等效。

图13 阶数对围护桩变形曲线影响Fig.13 Effect of Order on Deformation Curve of Retaining Pile

与矩形式加固（模型A）相比，模型C、模型F、模型I的工程量分别减少了25%、33.3%、37.5%。阶数越多，加固工程量越小。

3.3 阶梯式加固尺寸对桩后土体沉降的影响

3.3.1 一级阶梯式加固尺寸对桩后土体沉降的影响

一级阶梯各模型在基坑开挖至坑底时的坑外地表沉降曲线如图14 所示。可知，沉降曲线呈“凹槽”状，沉降区域影响范围和坑外地表最大沉降点分别在距离围护桩2H和0.5H处。不同模型的加固效果差异较大，模型A的地表土体最大沉降量为14.68 mm，模型B 的最大沉降量为19.97 mm。模型C、模型D 的加固效果与模型A 相近，最大沉降量分别为16.54 mm 和16.11 mm。在三个模型中模型C为最优选择。

图14 一级阶梯不同尺寸下桩后土体沉降曲线Fig.14 Settlement Curve of Soil Behind Pile with Different Dimensions in One Step

3.3.2 二级阶梯式加固尺寸对桩后土体沉降的影响

图15为模型A、模型E、模型F、模型G在基坑开挖至坑底时的坑外地表沉降曲线。沉降曲线趋势与一级阶梯式加固接近。在二级阶梯式加固的三个模型中，模型E的最大沉降量为20.37 mm，与模型A相比加固效果相差较大。模型F、模型G 的加固效果与模型A相近，最大沉降量分别为17.23 mm和16.56 mm。

图15 二级阶梯不同尺寸下桩后土体沉降曲线Fig.15 Settlement Curve of Soil Behind Pile under Different Dimensions of Two Steps

与一级阶梯式加固相比，采用二级阶梯式加固得到的地表沉降量量较大，但在安全范围之内。模型F的加固效果与模型A 相当，且加固工程量较小。因此可选择模型F作为二级阶梯式加固方案。

3.3.3 三级阶梯式加固尺寸对桩后土体沉降的影响

图16 为模型A、模型H、模型I、模型J 在基坑开挖至坑底时的坑外地表沉降曲线。沉降曲线趋势与一级、二级阶梯式加固一致。模型H 的最大沉降量为20.68 mm，与矩形式相比加固效果差距较大。模型I、模型J 的加固效果与模型A 相近，最大沉降量分别为17.97 mm和17.15 mm。

图16 三级阶梯不同尺寸下桩后土体沉降曲线Fig.16 Settlement Curve of Soil Behind Pile under Three Steps with Different Dimensions

与一级、二级阶梯式加固相比，采用三级阶梯式加固得到的地表沉降量量较大，但在安全范围之内。模型I 的加固效果与矩形式加固相当，且加固工程量较小，因此可选择模型I作为三级阶梯式加固方案。

3.4 阶数对桩后土体沉降的影响

加固范围对桩后土体沉降有较大影响，在主动土压力的作用下挡土结构向基坑内产生挠曲，土体向坑内方向移动导致挡土结构外侧地面发生沉降。坑内加固可以有效减小围护桩的桩身侧向变形，间接影响了桩后土体发生沉降。

在实际工程中，采用阶梯式加固的阶数越多，施工过程就越复杂，为探究加固阶数对桩后土体沉降的影响，选取模型C、模型F、模型I进行对比。三个模型各阶的加固宽度与加固高度都相等。

如图17所示，模型C、模型F、模型I的地表沉降曲线相近，模型C、模型F、模型I 的最大沉降值分别为16.54 mm、17.24 mm、17.98 mm，差别在1.5 mm 之内，三者的加固效果可等效。与模型A相比，模型C、模型F、模型I 的工程量分别减少了25%、33.3%、37.5%。虽然阶数越多，工程量越小，但施工过程也越复杂，因此在工程中应当考虑实际情况选择。