主动区土体加固对深基坑变形及周边环境的影响

王 强,史方振,王 潇

(1.安徽理工大学土木建筑学院,安徽 淮南 232001;2.淮北淮海建设工程有限公司工程部,安徽 淮北 235000)

深基坑工程发展已久,早在20世纪30年代,文献[1]就已经对基坑工程展开研究。早期研究多采用传统的分析方法,如等值梁法、太沙基法、山肩邦男法、弹性梁法、弹塑性法等[1]。文献[2]通过理论研究得出地表最大沉降值与墙体最大侧向位移之间的关系。深基坑工程发展至今,其设计和研究方向已由传统的强度控制发展为变形控制,控制基坑变形和坑外复杂环境破坏是当今研究的重点,基坑被动区加固、主动区加固、降水固结是目前所采取的有效措施,主要是通过提高被动区土压力系数、减小主动区土压力系数以减小变形。

目前,国内外学者基于实际工程与数值模拟方法对基坑加固开展大量研究,积累了丰富的研究经验。文献[3]分析了被动加固和主动加固的变形控制原理和设计思路,发现被动区加固主要控制变形来源、主动区加固阻断变形传播途径。文献[4]以卸荷试验为基础研究被动区土体加固形式、深度、宽度的问题。文献[5]通过有限元模型分析被动区加固对地铁深基坑变形的影响,发现被动区加固可以抑制墙体变形、坑底隆起、地表沉降。被动区加固体的几何尺寸是研究中主要考虑因素之一,增加加固体深度对基坑变形控制效果显著且大于增加加固体的割线模量[6],在软土地区,采用厚度为10%～20%的基坑开挖深度的被动区加固体,可以达到最佳抑制基坑变形的效果[7]。被动区加固体几何尺寸存在“高效影响区”范围,超过这一范围后对支护变形的降低幅度甚微[8],对于被动区加固形式,最佳的布置形式是抽条加固[9]。文献[10]对坑内不同的加固形式和加固强度进行探讨,研究坑内土体加固对开挖影响区的影响。在研究被动区加固体时,文献[11-12]采用数值模拟分析长短桩相结合的被动区加固体优势以及裙边加固基坑的被动区滑动破坏模式。文献[13]提出并验证新概念被动区坑内水泥搅拌桩位移模式。文献[14-15]研究了偏压荷载条件下主动区和被动区被加固对基坑围护结构变形的影响。目前关于基坑加固主要是对被动区加固的研究,但基坑变形是被动、主动压力共同作用的结果,所以主动区加固对基坑变形同样有着重要影响,对于主动区加固的研究多集中在主动区参数优化[16]、主动区加固对基坑变形的影响[17-18],但并未涉及主动区加固体强度变化对基坑围护结构及周边环境的影响。

因此,为了研究在主动区加固体强度对基坑围护结构及周边环境的影响,本文以安徽省淮北市某基坑工程为研究对象,采用数值模拟的方法分析基坑桩体变形、地表沉降及周边建筑物不均沉降,以期为进一步理解主动区加固对基坑和周边环境变形机制以及加固体强度参数设计提供新的思路。

1 工程概况

安徽省淮北市拟建绿金时代大厦广场,建设地点位于古城路与闸河路交叉口处东南角,基坑南侧为老旧砖混建筑物群,对土体变形敏感。基坑形状近似矩形,占地约5 000m2,东西长约94m,南北宽约38m;基坑开挖平均深度10m,如图1所示。

图1 基坑平面位置及周围环境

基坑整体处于人工开挖池塘内(已人工填埋)属于软弱地基,人工回填深度一般5～6m,局部可达7～8m。支护结构采用φ900mm灌注桩+预应力锚索方案。由于基坑面积大,为减小施工时围护结构的变形、防止深基坑隆起及保护周围环境,临近建筑物的南侧基坑边采用灌注桩+坑内斜支撑;同时为减少支护结构的侧向土压力和控制建筑物的变形,在南侧坑外采用φ600mm高压旋喷桩进行加固。本工程土层物理力学参数如表1所示

表1 各土层物理力学参数

2 有限元模型

选取临近老旧建筑基坑典型剖面进行分析,开挖深度He=10m,支护结构为φ900mm灌注桩+预应力锚杆,加固区域支护结构为φ900mm灌注桩+格构式斜支撑+φ600mm高压旋喷桩加固,加固宽度5m,加固深度11m,支护结构剖面截图如图2所示。

图2 基坑加固剖面

图3 修正MC本构在p-q平面屈服准则图

为简化计算和建模方便,对模型作出以下处理:模型土体深度取基坑开挖深度的4倍,计算宽度自开挖边界向外取开挖深度的4倍。计算模型参数采用室内试验测出的土层参数,基坑支护结构材料变形参数按照原设计成果进行简化换算,主要支护结构灌注桩和锚杆采用弹性本构模型,弹性模量分别为3×104MPa、2×105MPa,泊松比分别为0.3、0.2,容重分别为25kN·m-3、76.98kN·m-3。基坑数值模型如图4所示。

图4 基坑模型图

在深基坑开挖过程中,土体的卸载模量和加载模量不同,传统的弹性模型不能满足要求。本文采用有限元软件Midas提供的Mohr-Coulomb(修正莫尔-库伦)模型,该模型是对莫尔库伦模型的改进,用于模拟具有幂率关系的非线性弹性模型和弹塑性模型的组合模型,修正的莫尔-库伦本构的剪切屈服面与莫尔-库伦本构的屈服面相同,剪切屈服面与压缩屈服面是独立的,在剪切方向和压缩方向采用了双硬化模型,引入压缩屈服面为椭圆形的“帽子”本构,如图3所示。采用上述修正莫尔库伦模型,设计加固体的主要参数强度分别为0.8MPa、1MPa、1.2MPa、1.5MPa、2MPa,根据经验关系式E(弹性模量)=(100～120)qu(抗压强度),弹性模量分别为80MPa、100MPa、120MPa、150MPa、200MPa,力学特性参数内摩擦角为30°、粘聚力160kPa。

3 计算结果分析

3.1 桩体水平位移

图5为不同主动区加固体强度下不同开挖工况围护桩水平位移变化情况。对比图5(a)未加固与经加固后的变形曲线,围护桩结构水平位移曲线均呈喇叭状,桩体的水平位移受开挖深度的影响,随着开挖深度的增加,桩体水平位移逐渐增大,经加固后桩体水平位移显著减小,且最大水平位移从0.7He(基坑开挖深度)转移到桩顶。由图5(b)开挖1工况下的桩体水平位移曲线可以发现,经加固后的桩体变形曲线相较于未加固时趋势变得平缓,在开挖底面上桩体水平位移出现转折,加固体强度从0.8MPa增加到2MPa,最大水平位移从6.6mm减至4.4mm。原因在于经加固后,增大主动区刚度,阻断坑外土压力,使桩体水平位移减小。由图5(c)可知,在开挖2工况下,基坑开挖至-7m时,桩体主要变形发生在0.8He内,曲线较未加固时趋势变陡且平滑;随着加固体强度增加水平位移逐渐减小,最大减少61.3%。由图5(d)可知,开挖3工况下,开挖至坑基底,主动区加固强度为0.8MPa时桩体最大位移为25.1mm,当加固强度达到2MPa时,最大水平位移减小至20mm,支护结构最大水平位移满足二级基坑的变形控制标准30mm(δhm≤0.3%He),其变化规律与开挖1、2工况类似。

图5 桩体的水平位移

由表2可知,桩体的平均变化率达42%。当强度qu达2MPa时,各个开挖工况下桩体水平位移值变化率都是最大,最大变化率高达87%,增加主动区加固强度qu对桩体水平位移的抑制效果显著,尤其对桩体中部的影响,改变桩体最大水平位移位置至桩顶。随着加固强度qu增加,桩体水平位移减小;当qu从1.5MPa增至2MPa时,对桩体变形抑制仅增加0.63%;当将加固体qu达到一定强度时,增大qu对桩体变形抑制效果减弱。

表2 桩体最大水平位移及其变化率

3.2 基坑地表沉降

取临近建筑物一侧基坑地表沉降进行分析,由于老旧建筑物的存在,对地表沉降变形较为敏感,在基坑与建筑物之间(主动区)进行加固,阻断基坑变形产生的位移传递。

图6为未加固和主动区加固条件下,不同工况的地表沉降曲线。对比图6(a)未加固沉降曲线与经加固后的地表沉降曲线,基坑未加固时坑外地表沉降曲线在距坑外30m范围内呈先增大后减小的“凹槽”变化[19],距坑边0.7He左右沉降达到最大值(138.89mm),不满足二级基坑的变形标准20mm(δvm≤0.2%He),经主动区加固后,地表沉降曲线由“凹槽”形变为“上拱”形。随着开挖深度增加,无论“上拱”还是“凹槽”,最大沉降值逐渐增大。在开挖3工况后,坑外地表沉降突增,这是由于基坑最后一层开挖,坑内外土压力差达到最大,导致支护结构位移增大,桩后土向坑内移动地表下陷,沉降突增。在5～8m范围内沉降值骤减,距离支护结构8m左右出现转折,沉降曲线变得平缓,这与8～28m范围内的老旧建筑立柱桩阻断沉降传递有关。由图6(b)开挖1工况的沉降曲线可以看出,当主动区加固宽度为5m时,最大沉降值位置为距坑边0.5He左右,随着加固体强度增加,土体“上拱”趋势增大,超过0.5He最大点位置后沉降曲线趋势趋于0。图6(c)开挖2工况中,沉降值比开挖1工况的沉降值有所增大,其曲线变化规律与开挖1工况类似。在开挖3工况下,从图6(d)可知,沉降曲线相较于其他开挖工况在距坑边8m处建筑物始端沉降曲线出现转折,在0.5He处“上拱”沉降值没有持续增大反而减小,并且地表沉降最大值位置出现在坑边。

图6 各工况下地表沉降

综上分析,主动区加固能阻断沉降的传递,随着加固强度qu增加,加固土体强度增大,使桩后土体产生显著的“土拱”现象、沉降值减小,能够明显地限制土体的沉降,影响范围在坑后1.5He内。

3.3 建筑物不均匀沉降

建筑物基础的不均匀沉降会加大上部结构的倾斜变形,各类建筑物倾斜变形值参考《建筑地基基础设计规范》(GB5077-2011)。由于建筑物的存在,地表沉降曲线最大沉降会向建筑物侧移动。由图6可知,开挖1、2中原本平缓的沉降曲线在开挖3中的建筑物始端和末端出现突变,且近坑侧沉降大于远坑侧,既有建筑的存在会使土体产生附加沉降,因此产生较大不均匀沉降[20]。

由图7可知,未加固时开挖1、2工况所造成的不均匀沉降在5mm以内,经过开挖3工况后不均匀沉降突增到30mm左右。经主动区加固后观察开挖1、2工况,不均匀沉降在2mm内,其各加固强度之间不均匀沉降变化曲线近似水平直线,开挖3工况下不均沉降变化曲线出现陡减,随着加固强度qu增大不均匀沉降减小。加固强度qu从0.8MPa增加到2MPa,最大不均匀沉降从5.06mm减小至2.9mm,不均匀沉降变化曲线斜率较小,说明当加固强度qu到达一定强度时,增大强度对不均匀沉降减小的影响甚微。综上所述,基坑主动区加固能阻断位移的传递,对坑后土体变形产生影响,通过加固能较好地改善基坑附近建筑沉降敏感问题。

图7 建筑物不均沉降

4 结论与展望

本文通过有限元模拟基坑开挖过程,研究发现在未采取加固措施时,基坑有限元计算结果不满足变形控制标准。在经过主动区加固后,随着加固强度qu增加,桩体水平变形、地表沉降和建筑物不均匀沉降均呈现不同程度减小,最大水平位移出现在桩顶。

在实际工程应用中,基坑主动区加固能够显著减小开挖导致的围护结构变形及周边建筑物沉降,但当加固强度qu到达一定值时,增大qu对基坑变形抑制的效果甚微,因此要避免过度增加水泥掺入比而造成严重浪费。本文主要研究基坑主动区加固对基坑及周边环境的影响,在数值模拟中未考虑主动区加固体宽度、深度和布置形式等因素,后续研究可综合考虑相关因素对基坑和周边环境的影响。