软土地区深基坑被动区加固稳定性对比分析*

2023-10-27黄金鑫张永杰罗伟庭

公路与汽运 2023年5期

黄金鑫, 张永杰, 罗伟庭

(1.长沙理工大学土木工程学院, 湖南长沙 410114;2.中国建筑第五工程局有限公司, 湖南长沙 410004)

在软土地区进行基坑开挖时,基坑设计逐渐从强度控制转变为变形控制,控制基坑开挖中支护结构的变形和减小基坑开挖对周围环境的影响是基坑设计及施工的首要问题。而对被动区土体进行加固是保证基坑整体稳定性的重要措施[1]。目前对被动区加固技术的研究大多针对单一支护形式,如水泥土搅拌桩支护[2]、灌注桩支护[3]、地下连续墙支护[4]和土钉墙支护[5]。研究发现水泥土搅拌桩对被动区的加固深度和厚度都存在最优解,其加固深度宜为0.55H(H为开挖深度)[6],且不宜小于3 m[7],加固宽度宜为0.5H～0.8H[8]。基坑支护结构和被动区加固相结合的形式因其控制变形能力比单一基坑支护结构强,常应用于软土地区深基坑工程,包括深层搅拌组合坑内加固[9]、灌注桩组合坑内加固[10]、钢板桩组合坑内加固[11]。本文运用PLAXIS 3D软件对基坑采用钢板桩支护、被动区采用水泥土搅拌桩和钻孔灌注桩加固的支护形式建立硬化土小应变本构模型,对被动区无加固、水泥土搅拌桩加固和钻孔灌注桩加固时桩顶水平位移、桩身整体侧向位移、地表沉降、土体深层水平位移进行对比,分析水泥土搅拌桩和钻孔灌注桩加固被动区对基坑整体变形的影响。

1 工程概况

广东省佛山市地铁2号线林岳车辆段某基坑工程,基坑总长约495 m,放坡开挖段宽度约 35 m,管廊段宽度约4 m,平均开挖深度为10 m。基坑周边基本为农田,暂未发现建(构)筑物和管线。该工程分为两个施工段,第一施工段桩号为K0+026.8—085和K0+340—521.5,采用钢板桩+钢支撑的支护形式;第二施工段桩号为K0+085—340,主要以放坡开挖为主,放坡时按照1∶1.5的比例开挖,在放坡坡面上铺设钢筋网,并插入长度为1 m的插筋固定钢筋网,喷射100 mm厚混凝土面层,局部采用放坡开挖+钢板桩支护+被动区加固的支护形式。坑内被动区土体局部采用三轴水泥土搅拌桩进行满堂加固(见图1)。

图1 水泥土搅拌桩加固断面图(单位:m)

三轴水泥土搅拌桩桩径为850 mm,桩间相互搭接250 mm,加固深度为3 m,采用“套接一孔法”施工。桩身采用42.5级硅酸盐水泥,水泥掺入比不小于20%,水泥土搅拌桩28 d取芯无侧限抗压强度不低于0.6 MPa。基坑安全等级为二级,采用明挖法施工。钢板桩采用Ⅳ型拉森钢板桩,材质为Q235B,钢板桩长度为9 m。

2 数值模型建立与计算对比分析

2.1 数值模型

岩土工程的地基实质上是一个半无限空间体,分析区域应无限大。根据规范[12]和工程经验,基坑开挖水平影响范围为0.7H～3.0H[11];基坑开挖深度影响范围为2.0H～4.0H[13];基坑内地下水位一般取坑底以下0.5～1.0 m[7];基坑外地下水位高程为-1 m。为消除基坑深度的影响,数值模型尺寸取46 m×10 m×20 m。钢板桩与土体之间的接触面采用界面单元模拟。

水泥土搅拌桩采用PLAIXS 3D模拟时,既不适合使用梁单元和Embedded桩模拟,也不适合使用板单元模拟。为此,将水泥土搅拌桩看成强化的土体,并按文献[14]进行换算。考虑到施工条件及被动区土体加固置换率等因素,内摩擦角取20°,黏聚力取60 kPa,重度取18 kN/m3。该基坑对称,取一半作为分析对象,从上至下各土层的黏聚力、摩擦角、剪胀角、密度割线弹性模量、切线压缩模量、卸载-再加载模量等参数参考文献[15]、文献[16]取值(见表1)。数值模型见图2。

表1 各土层的物理力学参数

图2 数值模拟网格图

2.2 施工工序

根据开挖深度(标高)将基坑施工过程划分为8个施工步,分别为原状土阶段、+0.500 m、钢板桩(+0.500 m)、-1.000 m、-2.392 m、-4.392 m、-6.392 m、-7.480 m,模拟分析被动区加固类型和厚度及土体参数变化对基坑变形的影响。

2.3 边界条件

数值模型采用直角坐标系,Z轴为铅直方向,东西方向为X方向,南北方向为Y方向,以向东为正、向北为正、铅直方向向上为正,坐标系原点为模型标高为零的位置。

左右两个侧面采用法向方向约束边界,基坑底部采用固定约束边界,上表面为自由边界。

2.4 实测值与模拟值对比分析

考虑到基坑周边变形监测点较多、各钢板桩之间存在一定差异,选取最危险断面悬臂长度为2.892 m作为数值模拟分析依据,提取基坑的数值模拟值,选取图1中A点处坡顶地表沉降和土体深层水平位移、B点处钢板桩桩顶水平位移与模拟值进行对比分析。

钢板桩桩顶水平位移和地表沉降实测值与模拟值的比较见图3、图4。由图3、图4可知:1) 桩顶水平位移和地表沉降都随着开挖深度的增加而增大,实测值和模拟值的整体变化趋势相同,与文献[7]得出的变形规律一致。在基坑未开挖前,开挖深度影响范围内的土体没有受到扰动,整个土层系统维持相对平衡状态。基坑开挖施工后,基坑内外土体原有主、被动区土压力平衡被破坏,导致应力重新分布。对于持续开挖的基坑,开挖过程是一个逐渐卸载的过程,基坑内侧卸掉了基坑没有开挖前原有的土压力。内侧被动区土体被卸掉,被动区土压力合力作用点降低,被动区土体抵抗围护结构侧向位移的能力逐渐减弱,导致桩体侧向位移增大,进而加剧桩体外侧地表沉降。2) 桩顶水平位移和地表沉降在标高为-6.392 m及以上时,实测值和模拟值存在一定差异,且实测值大于模拟值。主要原因是在建立模型时对土层进行了简化和假设,与真实土层存在偏差,且在开挖前期受到地面动载及水压力等因素影响。开挖到一定深度后,实测值和模拟值趋于吻合,主要是随着基坑内外土压力的变化,主动土压力成为影响钢板桩及基坑变形的主要因素,其他因素对基坑整体变形的影响减小。

图3 桩顶水平位移实测值与模拟值对比

图4 地表沉降实测值与模拟值对比

土体深层水平位移实测值与模拟值的比较见图5。由图5可知:土体深层水平位移实测值和模拟值的差异随着开挖深度的增加逐渐增大,原因与桩顶水平位移一致。开挖深度为0～8 m时,土体深层水平位移模拟值大于实测值,模拟值出现下凹趋势;开挖深度为8～13 m时,实测值出现凸起变形,而模拟值为一条光滑的渐变曲线,且在钢板桩施工完成后,两者差异明显增大。原因可能是钢板桩插入土体时对周围土体有扰动,造成周围土体的局部变形增大,而数值分析时没有考虑钢板桩对土体的扰动。

图5 土体深层水平位移实测值与模拟值对比

3 水泥土搅拌桩和钻孔灌注桩对比分析

3.1 桩顶水平位移和桩身整体侧向位移对比分析

水泥土搅拌桩加固被动区数值分析模型见图2。被动区无加固模型为基坑被动区原状土体,在图1中删除被动区水泥土搅拌桩加固区域,且不对土层进行任何加固处理。钻孔灌注桩加固是在其他条件均不变的情况下,把水泥搅拌桩变更为钻孔灌注桩。钻孔灌注桩为双排,直径为1 000 mm,桩间距为1 000 mm,第一排距离钢板桩500 mm,两排相隔1 500 mm;采用C30混凝土,水泥强度均不小于42.5 MPa,重度为25 kN/m3,弹性模量为30 GPa(见图6)。

图6 钻孔灌注桩加固横断面图(单位:m)

被动区无加固、水泥土搅拌桩加固和钻孔灌注桩加固时桩顶水平位移和桩身整体侧向位移的比较见图7、图8。

图7 不同加固方式下桩顶水平位移对比

图8 不同加固方式下桩身整体侧向位移对比

由图7、图8可知:1) 3种加固方式下桩顶水平位移和桩身整体侧向位移的变形规律与2.4节基本一致。但被动区无加固时桩顶水平位移急剧变化,最大桩顶水平位移为-47.34 mm,已超过设计累计控制值40 mm和预警值32 mm。采用水泥土搅拌桩进行被动区加固的最大桩顶水平位移为-15.80 mm,为预警值的49.4%,比被动区无加固时小66.6%;采用钻孔灌注桩进行被动区加固的最大桩顶水平位移为-19.08 mm,比被动区无加固时小59.7%。与文献[17]中被动区加固后桩顶水平位移比加固前降低50%比较吻合。在对围护结构有严格的变形要求时,进行被动区加固对限制基坑变形和保证基坑稳定性具有显著作用。2) 开挖深度(标高)为-4.392 m时,水泥土搅拌桩加固时桩身整体侧向位移与被动区无加固时接近,水泥土搅拌桩对于限制钢板桩的整体位移作用有限。开挖深度(标高)为-7.480 m时,水泥土搅拌桩加固时桩身整体侧向位移只比被动区无加固时减小11.8%;而钻孔灌注桩加固时桩身整体侧向位移比无加固时减小69.2%,比水泥土搅拌桩加固时减小65.1%。钻孔灌注桩限制钢板桩整体位移的效果远好于水泥土搅拌桩。但由于钻孔灌注桩的整体性差,其与防水性好的支挡结构进行组合支护的效果更好。

3.2 地表沉降和土体深层水平位移对比分析

被动区无加固、水泥土搅拌桩加固和钻孔灌注桩加固时地表沉降见图9。由图9可知:1) 地表沉降随着基坑开挖深度的增加逐渐增大,沉降影响范围也扩大;地表沉降整体呈凹槽形状且都没有发生在坡顶位置。采用水泥土搅拌桩和钻孔灌注桩加固时最大沉降值随着开挖深度的增加向基坑方向移动,水泥土搅拌桩加固时的最大沉降发生在距离坡顶2.5 m处,钻孔灌注桩加固时的最大沉降发生在距离坡顶0.5 m处,最大沉降发生位置在文献[12]描述的0.7H主要影响区内。2) 基坑开挖初始阶段,被动区无加固时地表沉降是水泥土搅拌桩加固时地表沉降的1.5倍,是钻孔灌注桩加固时地表沉降的1.1倍。开挖深度(标高)为-4.392 m时,随着开挖深度的增加,3种加固方式的差异逐渐增大,被动区无加固时最大地表沉降是水泥土搅拌桩加固时地表沉降的5.3倍,是钻孔灌注桩加固时地表沉降的4.2倍。开挖深度(标高)为-7.480 m时,钻孔灌注桩和水泥土搅拌桩加固时的最大地表沉降分别为-13.41 mm、-12.34 mm,仅相差8%,分别为预警值的33.5%和30.9%(地表沉降设计控制值为50 mm,预警值为40 mm)。开挖深度超过10 m时,钻孔灌注桩加固对基坑变形的约束能力逐渐超过水泥土搅拌桩。

图9 不同加固方式下地表沉降对比

被动区无加固、水泥土搅拌桩加固和钻孔灌注桩加固时土体深层水平位移对比见图10。由图10可知:基坑开挖过程中土体深层水平位移整体呈镰刀形变化,底部位移小,中部位移最大。开挖深度较浅时,水泥土搅拌桩加固被动区的效果优于被动区无加固和钻孔灌注桩加固。基坑开挖深度(标高)为-1.000 m时,钻孔灌注桩加固和被动区无加固时土体深层水平位移差异很小;基坑开挖至标高为-7.480 m时,钻孔灌注桩和水泥土搅拌桩加固对基坑整体变形的约束能力相差很小,分别为预警值的20.2%、18.4%(土体深层水平位移控制值为75 mm,预警值为63.8 mm);随着开挖深度的增加,钻孔灌注桩的约束能力逐渐超过水泥土搅拌桩。

图10 不同加固方式下土体深层水平位移对比

不同加固方式下土体深层水平位移的比例关系见表2。由表2可知:1) 随着开挖深度的增加,水泥土搅拌桩约束变形的能力逐渐增大。开挖深度(标高)为-4.392 m时,水泥土搅拌桩的加固效果达到最佳,为被动区无加固时的6.0倍、钻孔灌注桩加固时的3.7倍。开挖深度(标高)增加至-7.480 m时,水泥土搅拌桩的加固效果为被动区无加固时的3.0倍,水泥土搅拌桩在基坑开挖深度(标高)在-4.392 m以下时的加固效果逐渐减弱。2) 开挖深度(标高)在-4.392 m以上时,钻孔灌注桩的加固效果有限;但随着开挖深度的增加,钻孔灌注桩的加固效果越来越明显,在基坑底部(-7.480 m)达到最大,为被动区无加固时的2.7倍。3) 随着开挖深度的增加,被动区采用水泥土搅拌桩和钻孔灌注桩加固对基坑变形的约束能力差异逐渐减小。

表2 不同加固方式下土体深层水平位移的比例关系

综上,在软土地区进行被动区加固对于保证基坑的稳定性和约束支护结构的变形具有显著作用,基坑侧向位移比无加固时减小约60%。基坑开挖深度为6 m左右时,采用水泥土搅拌桩加固被动区对基坑的支护效果最好。开挖深度6 m后,随着开挖深度的增加,钻孔灌注桩对钢板桩整体位移的控制效果越来越好,开挖深度为10 m时,采用钻孔灌注桩加固被动区的效果逐渐超过水泥土搅拌桩。但由于钻孔灌注桩的隔水性和整体性差,采取组合加固方式,其支护效果最好。