粉砂地层基坑注浆加固效果数值模拟研究

陈 明

(安徽三洲水利建设有限公司,安徽 宿州 234000)

0 引言

随着我国基础建设的快速发展,地下空间的高速发展与利用已然成为一个重要的研究内容。基坑工程是大型工业以及民用建筑等重要的组成部分。但实际基坑在开挖过程中会面临许多问题,如基坑处于富水地带,岩土体的物理力学强度较低,开挖基坑极有可能会导致基坑大变形及失稳,造成重大的工程事故。因此实际工程中,通常对基坑底部进行加固处理,加固后的基坑,一方面可以提高岩土体的力学强度,另一方面可以防治地下水渗流。李志鹏等[1]采用数值模拟手段研究了某车站基坑断层带注浆加固效果。结果表明,注浆加固技术可以有效的对基坑进行加固处理,相比于注浆加固前,其最大水平位移和地表累计沉降量减小了50%以上,满足工程要求。此外,注浆后,基坑底部区域内以及基坑外塑性区范围明显减小。潘世强和邓俊[2]基于某实际深基坑工程,研究了富水砂卵石层深基坑近接建筑物安全施工控制技术。结果表明,采用注浆加固技术能有效地减小基坑施工对建筑物的影响,基坑开挖结束时建筑物最大沉降值仅为8 mm满足规范的安全性要求。李享松等[3]基于现场注浆试验和室内有限元数值模拟,研究了富水砂卵石地层注浆参数优化问题。结果表明,富水地层采用水灰比最优取值应为0.8～1.0,水玻璃浓度应控制在40波美度左右。此外,注浆孔间距宜控制在1.8 m左右。夏梦然等[4]基于有限元模拟,研究了深基坑基底注浆加固效果。结果表明,软土地基采用注浆加固技术科满足工程需要。此外,加固后可有效减小地连墙的侧向变形和地表沉降。胡奇凡等[5]采用现场试验研究了超高压旋喷注浆法在卵石地层的应用。结果表明,超高压旋喷注浆技术在超深富水卵砾石地层中合理有效的,并且可以作为超深富水卵砾石地层加固加以推广。本文基于安徽合肥市某深基坑工程,采用数值模拟研究了注浆加固的效果。本文研究可为相似工程提供经验借鉴。

1 工程概况

某泵站基坑位于安徽省合肥市,属于典型的富水基坑,地下水位较浅,土体渗透性较大,基坑开挖过程中多次发生了涌水问题。

本文以基坑某段为研究对象(图1)。基坑开挖深度为18 m,地连墙厚度为0.8 m。基坑内共有3道支撑。为了控制基坑变形,采用注浆加固技术进行加固。选用高压旋喷注浆联合双液注浆技术。加固范围主要为坑底2-7m范围。

图1 基坑剖面图

2 数值模拟

2.1 模型及计算参数

为研究注浆加固效果及基坑变形特征,本文采用FLAC建立数值模型进行计算分析(图2)。模型的具体尺寸见图2所示。模型的边界条件为:底部为全约束,侧面为约束侧向位移,顶部为自由边界。地下水在地表以下3 m位置。

图2 数值模型图

图3 地连墙位移曲线

图4 坑外地表变形曲线

参考既有研究,本文做了一些简化,其中岩土体的本构模型为理想的摩尔-库伦弹塑性本构。地连墙简化为各向同性的线弹性体材料。考虑施工因素,对混凝土弹性模量进行折减,取值为25 Gpa,

地下连续墙则视为线弹性体,原设计地下连续墙和混凝土内支撑均采用C30 号混凝土,考虑施工因素对混凝土的影响,对其弹性模量进行折减,弹性模量取为24 GPa,泊松比取0.2,容重取为25 kN/m3。

数值模拟中岩土体的物理力学参数主要根据现场钻孔资料取样的室内土工试验获取得到。具体的岩土体力学指标以及围护结构的力学参数分别汇总于表1和表2中。

表1 岩土体物理力学参数

表2 围护结构力学参数

2.2 计算工况

在基坑开挖前,清零初始位移场和速度场。基坑开挖步骤共设置7个步骤,分别为:第一步,赋予材料参数及给定边界条件;第二步,施加地连墙工程;第三步,坑底注浆加固;第四步,开挖基坑至-1 m,施加第一道支撑;第五步,降低地下水,开挖至-8 m,施加第二道支撑;第六步,基坑开挖至-14 m,施加第三道支撑;第七步,基坑开挖至-18 m。

3 结果与分析

3.1 地连墙位移特征

图5为基坑开挖过程中,不同阶段地连墙典型监测点的水平位移的模拟值和实测值对比曲线。结果表明,随着基坑开挖深度的增大,地连墙水平位移增大,基坑开挖结束时,水平位移最大值模拟结果为22 mm,实测结果为20.6 mm。此外,施工过程中,地连墙位移主要集中在深度为10 m的位置处,因此实际工程中应对该段进行实时监测和保护。模拟值和实测值结果表明,地连墙的变形呈现出两头小中间大的分布规律。这也表明,地连墙在嵌固范围内发挥了良好的加固作用。

图5 不同加固手段下坑外地表变形曲线

3.2 坑外地表位移

图6为基坑开挖过程中,不同施工阶段,坑外地表沉降变形的实测值和模拟值,结果表明,实测值和模拟值变化规律基本一致,均呈现出先增大后减小的抛物线规律,当基坑开挖至坑底时,沉降变形最大值为15 mm,沉降位置出现在距坑壁8 m位置处。当沉降达到最大值时,随着距地连墙距离的增大,沉降值迅速减小。基坑开挖对坑外影响范围主要集中于1倍开挖深度范围。

图6 不同加固手段下地连墙水平位移曲线

综上所述,通过地连墙侧向位移和坑外沉降变形的模拟值与实测值对比发现,模拟结果与实测结果趋势完全一致,两者的相对误差君主15%之内。表明本文数值模拟的可靠性。

4 注浆加固效果对比

4.1 坑外地表位移

图7为注浆加固前后坑外地表沉降变形曲线。结果表明,随距离的增大,地表沉降表现为先增大后减小的趋势。加固后地表沉降明显小于加固前地表沉降值,且均表现出凹槽状。3种不同的加固工况,沉降最大值均发生在距坑壁10 m以内范围。此外,图7表明,未注浆加固对地表沉降的影响范围比注浆加固后的范围更大,这主要是由于未注浆加固导致坑外地下水向坑内渗水,导致基坑底部有效应力减小;注浆加固后,土体的模量增大,强度明显增大。

4.2 地连墙水平位移对比

图8为注浆加固前后地连墙水平位移变化曲线。结果表明,地连墙的水平位移均呈抛物线形式,最大位移出现在12 m位置,且注浆加固会大大减小地连墙的水平位移。加固土体弹性模量分别为50 MPa、100 MPa和200 MPa工况下,地连墙最大水平位移为27 mm、24 mm和22 mm,最大水平位移减小了55%～65%。此外,在基坑深度为10～25 m时,加固前后地连墙水平位移相差比较大,这主要是由于该处基坑开挖深度较深,墙两侧的压力差较大,而加固后土体的强度增大,能够较好的抑制坑底隆起变形。而未加固的基坑土体强度较差,不能较好的约束地连墙变形,导致发生“踢脚破坏”。因此实际工程中应对坑底进行注浆加固处理。

5 结语

(1)基坑开挖过程中,坑内地下水位线迅速降低,而坑外保持不变,证明施工过程中所采用的地连墙止水效果良好,可以阻止坑外地下水向坑内渗流。

(2)基坑开挖过程中,坑外地表最大沉降点在距坑壁10m左右范围内,开挖的影响范围为1倍开挖深度。此外,采用注浆加固可以显著的减小坑外地表沉降变形。

(3)地连墙的水平位移表现出中间大,两端小的抛物线形态,且地连墙位移随开挖深度增大而增大,最大位移出现在12 m位置。注浆加固后地连墙的水平位移大大减小,当加固土体弹性模量分别为50 MPa、100 MPa和200 MPa工况下,地连墙最大水平位移为27 mm、24 mm和22 mm,最大水平位移减小60%左右。