主动区土体加固对深厚淤泥质土地铁深基坑变形的影响

2022-04-11史学聪范存新田德新刘得俊

苏州科技大学学报(工程技术版) 2022年1期

史学聪，范存新，郭兵，田德新，刘得俊

（1.苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州 215011；2.中铁十六局集团有限公司，江苏昆山 215334）

随着我国地下轨道交通的快速发展，遇到恶劣地质条件的概率大大增加，如果淤泥质土的厚度超出了一般标准，则对地下空间结构的变形控制提出了更高的要求。因为地下结构变形是被动、主动土压力共同作用的结果，所以主动区加固对地下结构变形有着很大的影响，许多研究者对此进行了研究。文献[1]研究了上海某基坑端头井外的加固土体对基坑变形的不利影响，其软土层约8 m。文献[2]研究了苏州某地铁基坑的端头井外加固与否对围护结构变形的影响，其软土层约9 m，且分布极不均匀。文献[3]模拟研究了主动区加固深度和宽度对基坑变形的影响，其研究土质条件为单一砂性土。文献[4]研究了济南市某基坑主动、被动区加固和桩锚围护方案对围护结构变形的影响，开挖范围内全为杂填土。文献[5]从基坑外高压旋喷桩机理入手，研究了高压旋喷桩对围护结构变形的影响。文献[6]研究了SMW工法桩+应力扩孔锚索、被动区和主动区加固的围护方案的可行性。文献[7]研究了某基坑主动区与被动区土体加固的不同组合方式对地连墙水平位移的影响。但以上对主动区加固的研究集中于加固方式，并未涉及到在深厚淤泥质黏土的地质条件下对主动区加固范围和加固强度的关注，东南沿海地区的软土厚度一般在10～20 m的范围内[8]，软土层厚度对基坑变形影响极大[9]。探索主动区加固对深厚淤泥质土地铁深基坑变形的影响具有十分重要的工程意义。

本文以昆山地铁基坑时代大厦站为背景，建立ABAQUS三维模型，研究深厚淤泥质土作用下主动区加固深度、加固宽度、加固强度对地连墙水平位移的影响，为类似工程提供参考。

1 工程概况及数值模型的建立

1.1 工程概况

本文工程为苏州地铁基坑时代大厦站，该基坑平面尺寸为306.8 m×42.5 m，标准段开挖深度17.195 m，开挖范围内全为淤泥质粉质黏土，此类土的平均深度比基坑坑底多2 m左右。基坑安全等级为一级。基坑标准段的围护形式为：C35地下连续墙、3道C30混凝土支撑、3道C30道连梁、1道C30冠梁、2道C30腰梁。围护结构尺寸参数见表1所列，基坑标准段的围护结构剖面如图1所示。基坑采用明挖法施工，每次开挖至下一道支撑下方0.35 m。

图1 基坑标准段围护结构剖面图（尺寸单位：mm；标高：m）

表1 基坑围护结构尺寸参数 mm

为控制土体开挖导致的基坑变形，基坑坑内采用“抽条+裙边”加固方式，裙边加固宽度6 m，抽条加固宽度4 m，抽条之间间隔6 m，其在基坑部分标准段的平面布置形式如图2所示。抽条和裙边加固土体的强度在基坑深度方向上分为强加固和弱加固，利用P.O42.5级普通硅酸盐水泥对坑底以下3 m范围内的裙边与抽条加固区域进行强加固，水泥掺入比为14%；对地表至坑底范围内的裙边与抽条加固区域进行弱加固，水泥掺入比为7%。

图2 基坑部分标准段坑内加固的平面布置图

第一道混凝土支撑

1.2 模型的建立及边界条件

考虑到坑角效应的影响，取距离坑角15～20 m外的部分标准段建立模型[10]，宽度为29 m；考虑到边界效应的影响，模型的水平边界与地连墙的距离至少取开挖深度的5倍[11]；模型的高度取开挖深度的2~4倍[12]；模型尺寸为29 m×342.9 m×75 m（X×Y×Z）。为了限制模型的位移，在X向模型边界面施加一对X向位移约束，在Y向模型边界面施加一对Y向位移约束，模型底部边界面施加X、Y、Z向约束，格构柱的Z向支撑作用由Z向位移约束来代替。基坑模型如图3所示。

图3 基坑模型

1.3 模型本构关系

原状土体采用修正剑桥模型本构关系，强加固和弱加固土体采用摩尔库伦模型本构关系，围护结构采用线弹性本构关系。

摩尔库伦模型中，施工部门仅检测了强加固土体的无侧限抗压强度，其实测值为0.8 MPa，加固土体的其他物理力学参数需结合相关取值方法[13-14]推算得出，加固土体物理力学参数如表2所列。修正剑桥模型中，土层参数的选取可以根据该工程的地质勘察报告中土质的物理力学参数，并结合修正剑桥模型与土工试验参数的对应关系[11]得出。基坑各土层物理力学参数见表3所列。

表2 加固土体物理力学参数

表3 土层物理力学参数

1.4 土与围护结构间的接触模型

土与地连墙的接触面采用摩擦接触，法向挤压行为受“硬”接触模型控制，即假定接触面可以传递无限大的压力而不能传递拉力。切向摩擦受“罚”摩擦模型控制，服从库仑摩擦定律。摩擦行为由摩擦系数和极限剪切滑移量确定[15]，分别取0.3 mm和5 mm。支撑与地连墙在施工过程中的连接方式为钢筋焊接，所以支撑结构单元与地连墙单元采用绑定进行连接，实现力的传递。

1.5 模型的单元类型

地连墙采用3维8节点非协调实体单元进行模拟；混凝土支撑、连梁、腰梁、冠梁采用梁单元进行模拟；土体单元采用3维8节点减缩积分孔压单元进行模拟。

2 数值模拟过程及验证

2.1 数值模拟过程

基坑变形主要由土方开挖引起，不考虑降水对基坑变形的影响，故模拟内容为基坑开挖。在ABAQUS软件中按基坑开挖的步骤进行数值模拟，具体模拟过程：（1）地连墙施工，初始地应力平衡；（2）第一层土开挖，开挖深度为1.85 m；（3）安置冠梁、第一道连梁和第一道混凝土支撑；（4）第二层土开挖，开挖深度6.50 m；（5）安置腰梁、第二道连梁和第二道混凝土支撑；（6）第三层土开挖，开挖深度为5.00 m；（7）安置腰梁、第三道连梁和第三道混凝土支撑；（8）第四层土开挖，开挖深度为3.845 m，模拟结束。

土体的开挖和支撑的安置使用ABAQUS中的Modal change模块来设置：在初始地应力平衡中“杀死”支撑结构，然后在后续的分析步中依次“杀死”所要挖掉的土体，并“激活”相应的支撑结构。

2.2 模拟结果的验证

通过对8个开挖步骤进行模拟，将监测值与模拟值一并对比，监测点布置和模型所在位置如图4所示。图5为基坑开挖完成后CX30处的地连墙水平位移图，该处地连墙最大水平位移的监测值为37.32 mm，其位置分布于地连墙深度为14 m。地连墙最大水平位移的模拟值为38.33 mm，其位置分布于地连墙深度11.35 m。监测值与模拟值较为相近，吻合较好，验证了此模型参数的合理性。

图4 基坑监测点及模型所在位置示意图

图5 监测点CX30处地连墙水平位移的监测值与模拟值

3 数值模拟分析

3.1 分析参数的设置

本文研究的主动区加固土体的参数有：加固深度，加固宽度，无侧限抗压强度，具体参数取值如表4所列，建立共22个基坑模型，主动区加固尺寸如图6所示，系统研究主动区加固土体对A-A截面处（见图4）地连墙水平位移影响，并对该截面处的墙后土压力进行分析。

图6 主动区加固尺寸

表4 主动区加固土体的参数取值

3.2加固宽度对地连墙水平位移的影响

图7为加固宽度对地连墙水平位移影响曲线。加固土体的无侧限抗压强度为0.8 MPa，加固深度为1.2H。由图可知，地连墙水平位移在深度方向呈现“弓形”分布，即两端小，中间大。地连墙水平位移随加固宽度的增大而减小。

图7 加固宽度对地连墙水平位移的影响

图8为加固宽度与开挖深度的比值对地连墙最大水平位移的影响曲线。由图8可知，地连墙最大水平位移随着加固宽度的增大而非线性减小。当加固宽度从0.2H增大至0.4H时，地连墙最大水平位移减小速率为最大，此范围内的地连墙最大水平位移的减小量占总减小量的37.5%。当加固宽度大于0.8H后，地连墙最大水平位移变化不大，说明继续增加加固宽度对降低地连墙最大水平位移的效果不明显。综上所述，主动区加固宽度在0.2H～0.8H范围内取值，加固效果相对较好。

图8 加固宽度与开挖深度的比值对地连墙最大水平位移的影响

图9为加固宽度对地连墙后土压力的影响曲线。由图9可知，坑外土体的加固使地连墙后的土压力发生了应力重分布。地连墙深度0～3.4 m的墙后土压力大于坑外未加固的情况（w=0），但此范围内土压力较小，且有第一道混凝土支撑抵抗，所以对地连墙水平位移的影响较小。当加固宽度从0.2H增大至0.4H时，坑底表面的最大土压力移至坑底以下2 m左右，最大土压力由坑底强加固土体来抵抗，导致地连墙最大水平位移大幅减小。当加固宽度大于0.4H后，地连墙深度3.4 m至坑底的墙后土压力逐渐减小。当加固宽度大于0.8H后，地连墙深度3.4 m至坑底的墙后土压力变化很小，趋于稳定，导致地连墙水平位移变化较小。

图9 加固宽度对地连墙后土压力的影响

3.3 加固深度对地连墙水平位移的影响

图10为加固深度对地连墙水平位移的影响曲线，加固土体的无侧限抗压强度为0.8 MPa，加固宽度为1.0H。由图可知，地连墙水平位移随加固深度的增大而减小。

图10 加固深度对地连墙水平位移的影响

图11为加固深度与开挖深度的比值对地连墙最大水平位移的影响曲线。随加固深度与开挖深度比值的增大，地连墙最大水平位移呈非线性减小，减小率不断增大。根据图中地连墙最大水平位移的拟合公式，可以估算出拟合曲线的最小曲率半径位于h=0.34H处，可以认为，当加固深度大于0.34H时，地连墙最大水平位移的变化对加固深度的变化比较敏感，此范围内的加固效果较好。当加固深度大于1.20H时，地连墙最大水平位移变化不大，说明此范围内的加固效果不明显。综上所述，主动区加固深度在0.34H～1.20H范围内取值，加固效果相对较好。

图11 加固深度与开挖深度的比值对地连墙最大水平位移的影响

图12为加固深度对地连墙后土压力的影响曲线。由图可知，墙后土压力由于土体的加固而发生了应力重分布，地连墙深度0～3.4 m的墙后土压力大于坑外未加固的情况（h=0），但由于墙顶附近混凝土支撑的抵抗，此范围内的墙后土压力对地连墙水平位移影响较小。当加固深度小于或等于0.2H时，地连墙深度在3.4～6.9 m处的墙后土压力小幅减小，对地连墙最大水平位移的影响不大。当加固深度大于0.2H后，地连墙深度3.4 m至坑底范围内的墙后土压力随着加固深度的增大而逐渐减小，导致地连墙最大水平位移逐渐减小。当加固深度从1.0H增大至1.2H时，坑底的最大土压力大幅减小，坑底以下7 m范围内的墙后土压力大幅增大，墙后土压力沿深度方向趋缓，无应力集中的现象，导致地连墙最大水平位移大幅减小。当加固深度大于1.2H后，墙后土压力变化极小，其对地连墙最大水平位移的影响较小。

图12 加固深度对地连墙后土压力的影响

综合图7和图10可以发现，对于地连墙水平位移的控制效果，提高加固深度比提高加固宽度更为有效。比如，加固宽度为0.6H、加固深度为1.2H时，地连墙最大水平位移从37.63 mm降至26.55 mm；而加固宽度为1.0H、加固深度为0.8H时，仅使其从37.59 mm降至32.22 mm，但后者的加固面积（236.53 m2）要比前者（212.88 m2）大很多。综上所述，应该尽量增大加固深度，采用“宽度小、深度大”的加固形式，可节约施工空间，提高加固效果。

3.4 加固强度对地连墙水平位移的影响

图13为主动区无加固时土体的水平位移云图，可以看出，坑外土体存在明显的位移集中区域，此区域介于第二层混凝土支撑与坑底之间，此区域应重点加固。而地表至第二层支撑间的土体水平位移量则小很多，可减小加固土体的强度，整体采取“浅层弱加固，深层强加固”的方式，其布置形式如图14所示，力求尽量保持加固效果的同时，减少加固土体水泥用量。

图13 主动区无加固时土体的水平位移云图

图14 坑外强加固与弱加固分布示意图

为了避免其它因素对地连墙变形的影响，主动区加固深度（强、弱加固深度的总和）取1.2H，加固宽度取1.0H，强加固与弱加固土体的无侧限抗压强度分别为0.80 MPa、0.23 MPa，浅层弱加固深度分别取0（全为强加固）、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、1.0H、1.2H（全为弱加固）。

图15为弱加固深度对地连墙水平位移的影响曲线，由图15可知，地连墙水平位移随着弱加固深度的增大而增大，且增量也在不断扩大。

图15 弱加固深度对地连墙水平位移的影响

图16为弱加固深度与开挖深度的比值对地连墙最大水平位移的影响。由图可知，随弱加固深度与开挖深度比值的增大，地连墙最大水平位移呈非线性增长，增长率不断增大。根据图中地连墙最大水平位移的拟合公式，可以估算出拟合曲线的最小曲率半径位于h1=0.27H处，所以可以认为，当浅层弱加固深度大于0.27H时，地连墙最大水平位移的的变化对弱加固深度的变化比较敏感，应避免在此范围内进行弱加固。当浅层弱加固深度小于等于0.27H时，弱加固深度对地连墙最大水平位移的影响并不明显。当弱加固深度为0和0.27H时，地连墙最大水平位移分别为24.11 mm和24.68 mm，两者相差仅0.57 mm。综上，减小浅层加固土体的强度，对地连墙水平位移的影响较小，但浅层弱加固土体的加固深度不宜大于0.27H。