港珠澳大桥拱北隧道海域段基坑被动区加固方案优化研究

佘海洋,朱珍德

(1.河海大学 岩土工程科学研究所,江苏 南京 210098;2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098)

0 引 言

基坑开挖的过程是基坑开挖面上卸荷的过程,是一个由围护结构、地基土、地下水共同组成的复杂动态系统,仅侧重围护结构的强度控制难以满足其对周边地层变形与施工安全控制的要求[1]。沿海富水软土地区的深基坑工程在开挖过程中常常会出现围护结构变形过大的现象。目前设计理念已明显地由强度控制转化为变形控制[2-4]。工程中由于坑底被动区土体加固和已有工程桩加固能够改善围护结构被动区土层的力学性能,进而减小支护结构的内力、侧向位移、地面沉降及坑底隆起,所以目前基坑坑底被动区土体加固来提高被动区土抗力是一种经济有效的技术措施[5-6]。

对被动区加固下基坑变形控制分析方面,沈伟跃等[7]分析了坑底土层局部加固区域范围深度与支护结构位移的关系、加固区域范围宽度与支护结构位移的关系、加固区域刚度与支护结构位移的关系。简浩等[8]对挡墙坑内加固体进行了受力分析,探讨了对加固作用产生影响的主要因素,研究了加固体对基坑变形的空间作用,并提出在上海地区,加固体宽度和高度在4 m左右,间距控制在10 m～15 m比较适宜。贾坚[9]分析归纳了土体加固技术在基坑开挖工程中的应用条件、工艺特点及加固设计形式。水伟厚等[10]对抗压桩在基坑回弹情况下产生的受力影响进行了分析:文献[11]对深基坑开挖过程中的单桩和群桩受力进行了三维软件模拟,并对世博地下变电站工程桩进行了数值分析。

目前所得试验结果无法形成一个体系,如何合理评价被动区加固范围和形式对基坑变形的控制效果还不太明确,基坑土体加固设计尚无定量的理论设计计算方法,一般按经验方法确定加固土体的范围和对加固体的强度要求。鉴于此,本文以港珠澳大桥珠海连接线工程为背景,采用大型通用三维有限元计算软件ABAQUS对隧道基坑的开挖和支护过程进行数值仿真,在考虑围护结构及工程桩体与周边土体相互接触的前提下,研究坑底抽条加固平面布置的不同工况对基坑和围护结构变形的影响,并对工程桩桩长和桩径进行单因素分析,力求在确保结构安全的基础上,最大限度降低工程造价,对基坑坑内加固合理设计施工具有一定的指导意义。

1 接触面计算模型

深基坑工程中,对于土体与结构的相互作用,已有很多研究都指出了接触模拟的必要性[12-13]:在实际工程中,由于结构和土体的刚度差异较大,接触面上可能发生滑动、错位、张闭等非连续性行为,从而影响接触压力和摩擦力的重新分布[10]。因此在本文的模拟过程中采用接触对算法来模拟桩土、墙土之间的相互作用,接触表面间的相互作用包括垂直于接触面和沿接触面切向两个方向的特性。

其法向作用通过建立硬接触关系来模拟,即:当土体与结构接触压力大于0时,两个接触表面之间建立约束关系,当土体与连续墙之间的接触压力小于或等于0时,两者之间约束关系解除[14-15]。

结构与土体之间切向相互作用采用修正的Coulomb模型描述,接触面之间存在着粘结和切向滑动两种状态,即:

其中,τi为土体与连续墙之间切向应力分量,τcrit=max(μ p,C),μ为摩擦系数,p两表面间的接触压力,C为土体与连续墙之间剪应力极值。

本文中按照Randolph和Wroth提出的经验公式μ=sinφ×cosφ/(1+sin2φ)取值,其中 φ为土体的摩擦角[15]。

2 工程概况及地质条件

2.1 工程概况

港珠澳大桥珠海连接线工程是一座双层整体式长隧道,其中海域段ZK1+940-ZK2+140标段地处富水软土地层带,地层软弱松散、开挖易变形,沿线地理位置特殊,环保景观要求高,施工控制困难。基坑开挖深度24.0 m,宽度18.5 m,隧道基坑围护结构采用厚度为1.2 m的地下连续墙,基坑从上到下共设五道支撑,第一道支撑为1 m×1 m混凝土支撑,9米一间隔;第二道至第五道支撑为钢支并撑,3米一间隔;同时在连续墙顶部设置截面采用1.2 m×1.0 m混凝土冠梁;坑底采用搅拌桩裙边+抽条加固。地质剖面、主要尺寸及相关构筑物的位置关系如图1所示。

2.2 地质条件

根据两阶段地质勘查报告,此区域内土层隧址区上部覆盖层发育,且岩性在纵向上具有海相、海陆交互相、陆相多层结构,岩性条件较为复杂,隧道部分区段底板位于淤泥层或者下卧淤泥层,土质压缩性大,不适合作为隧道底板的持力层。隧址主要地层及分布叙述如下:③-1层-淤泥及淤泥质土、③-2层-粉质粘土、③-3层-砾砂、④-2层-砾砂、⑤-2-砾质粘性土、⑥-1-全风化花岗岩,其土层力学参数详见表1。

图1 支护结构横断面设计图(单位:m)

表1 土体及支护力学参数

3 数值模拟

3.1 计算模型及边界条件

为了精确反映地表变形趋势,数值计算模型在基坑外围向外延伸100 m,深度方向沿坑底向下延伸100 m,模型尺寸为210 m×80 m×150 m。其分层情况如图2所示。

地下连续墙是由间隔或连续浇注的钢筋混凝土墙段组成,采用 4节点壳单元 S4单元,并采用conn3d2连接单元来模拟连续墙各分幅之间横向力的有效传递。土体、旋喷加固体、工程桩及隧道主体结构均采用实体单元c3d8单元。冠梁、支撑等采用三维梁单元Beam31梁单元,整个模型共划分49576个单元,56801个节点。

图2 计算模型网格

此外,土层采用Mohr-Coulomb弹塑性模型,支护结构、工程桩、地下连续墙及主体结构采用线弹性本构模型。依据相关规范确定的材料物理力学参数见表1。

工程桩身与桩周土之间、连续墙与土体之间设置主从接触关系,桩底与桩底土之间设置捆绑接触,以此来模拟桩、连续墙与土体之间的相互作用。

计算过程中,除地表为自由面外,其余面均使用法向约束。

3.2 隧道施工仿真步骤

根据隧道设计施工方案,数值仿真荷载步如下:①“杀死”所有的支护结构单元,地应力平衡;施作旋喷地基加固、连续墙成槽,浇筑;②逐层移除土体单元并激活相应的内支撑单元,模拟开挖;③重复上述步骤,直到开挖至坑底;④逐层移除内支撑单元并激活隧道结构单元,模拟结构浇筑施工;⑤回填土至地表,拆除第一道支撑。

3.3 被动区加固方案

为了探讨如何使得坑底以下土体加固能更好地控制围护结构及土体位移变形,既能保证基坑安全,又能够最大限度地节省工程造价。以下对裙边+抽条加固这种加固方式的空间布置形式进行对比分析。

数值模拟中计算和分析的工况主要分两大类:

数值模拟中研究工况主要分两大类:

①基本工况:依据抽条加固体平面布置形式(条宽/间距)不同细分出各种加固工况,不同加固方案对比分析中所涉及变量及示意图如图3所示(a,b,c,d及L分别为裙边加固深度、裙边加固宽度、抽条加固深度、抽条加固宽度及抽条间距)。

②考虑工程桩加固工况:加固体刚度提高分坑底加固区土体刚度和工程桩的刚度(坑底工程桩也可以看作坑底的加固体)。以下依桩长H,桩径D的不同细分出不同加固工况。

图3 裙边抽条加固空间布置示意图(单位:mm)

4 计算结果分析

4.1 抽条加固平面布置形式对变形影响分析

基坑坑底加固密度是指基坑底部被加固的土体面积与总的基底面积的比值,文献[2]中指出被动区土体的加固效果与布置形式、加固区的范围以及置换率等因素有关。考虑实际工程中的基坑被动区加固的具体施工情况,抽条加固深度小于裙边加固深度,或者与裙边加固保持同深度,即a≤c。本加固方案中取a=b=c=4 m,抽条布置形式设计两大类工况:①抽条置换率变化,该工况中单因素考虑条宽(d)和间距(L)两个变量,即两者中只有一个变量保持不变;②抽条置换率保持不变,此工况中在固定的加固区段长度内,通过调整抽条的条宽和间距来实现抽条加固总量不变,二者变化相关联。

4.1.1 抽条加固宽度对基坑变形的影响

置换率变化工况下抽条宽度对基坑变形的影响规律如图4～图5所示。从图4、图5中可以看出,不同加固条宽下基坑变形随抽条宽度 d的变化规律一致,地表最大沉降及地下连续墙最大水平位移均随d的增加而减小。随着条宽d的增大,从抽条加固向满堂加固的逼近的过程中,抽条加固的宽度不存在一个明显的极限值,抽条加固的合理宽度要视工程施工和造价等具体情况而定。

图4 不同抽条宽度下地表最大沉降量变化曲线

图5 不同抽条宽度下连续墙最大侧移变化曲线

4.1.2 抽条加固间距对基坑变形的影响

类比图4、图5中的抽条条宽d较小时各曲线竖向间隔变化规律可知,抽条这种狭长的条带状加固形式有一定影响范围,当各条带间距在较小范围内时,不同条带加固影响范围有重合,从整个模型宏观角度看,可将抽条加固等效为坑底土体的整体加固,表现为坑底复合土体的模量的提高,当各条带间距较大时,抽条加固对基坑变形的影响仅限于其附近区域,对抽条之间的区间土影响效果甚微,整体作用效果不明显,这一点值得重视。从图6、图7中各曲线斜率变化规律也可得出相同结论。

图6 不同抽条间距下地表最大沉降量变化曲线

图7 不同抽条间距下连续墙最大侧移变化曲线

4.1.3 抽条加固置换率对基坑变形的影响

加固总量不变的不同工况计算结果见图4和图5,从左到右四个数据点表示抽条布置形式由细密向粗疏转变。由图4、图5可知不同布置形式对位移控制影响不大。在置换率一定的情况下,加固效果与抽条的平面布置形式基本无关。从整个模型角度看,抽条加固力学模型可近似看作纵向间隔布置的暗撑,即为一维受压的梁杆件,在基坑开挖过程中起到“预支撑”的作用。其受力与变形之间的关系主要与横截面积(即抽条置换率)相关,与平面布置形式关系不大。加固的作用效果主要与抽条加固的置换率有关,置换率越大,加固效果越好。

4.2 工程桩对变形影响分析

前面的分析没有考虑工程桩的存在,然而本工程隧道部分区段底板下卧淤泥层较厚,土质压缩性大,需要重点考虑地基处理。为了能有效的控制工后沉降,针对本工程的场地地质特点、隧道结构特点,拟考虑嵌岩桩基处理方案,在隧道结构底部设置纵向间距9 m的桩基,桩基采用钻孔灌注桩,桩底插入全风化岩。

由于坑底工程桩的存在可以看作坑底土体等效加固,结合本文位移控制研究内容,以下将通过桩加固不同加固工况(桩长H,桩径D),来比较其对围护结构变形和坑底土体回弹的影响规律。

4.2.1 工程桩对连续墙水平位移分析

从图8中可以看出,开挖初期,由于连续墙内外土压失衡程度较小且集中在墙体上部,两种工况下连续墙侧向位移差别不大,坑底工程桩的作用没有得到凸显,而后随着开挖步的进行,两者差别越来越明显,开挖结束后,坑底有工程桩时,连续墙最大位移值为27.5mm,墙底部位移为23.4mm,坑底无桩加固时两数值分别为33.0mm和30.9mm。

图8 隧道开挖过程中连续墙水平位移对比

从图8中还可发现,坑底有桩和无桩两种工况下连续墙水平位移差别主要体现在坑底下部,并且两者差别随开挖步的进行越来越大,此外最大位移所在位置向下转移的趋势也由于工程桩的存在得到限制。这是由于在开挖过程中,工程桩对土体向下的摩擦力限制了土体回弹变形,从而约束了基坑坑底以下连续墙墙体的变形,此外工程桩加固可等效为坑底土体加固,桩加固及桩群之间的遮拦作用能在一定程度上提高所在淤泥土层的侧向抗力[16],从而对连续墙侧向约束作用增强。

4.2.2 工程桩对坑底变形影响分析

基坑开挖过程就是周围土体应力应变状态改变的过程,随着开挖深度的加大,周围土体将向基坑内部偏移,而坑底土主要表现为竖直方向应力释放,因而基坑底部会出现向上回弹。

图9 隧道开挖过程中坑底回弹量对比

由以上两工况下基坑回弹对比图9可知:当考虑工程桩影响时的坑底回弹变形曲线为波纹形,隆起曲线的波谷平台段是工程桩所在的位置;由于桩土相互作用,桩体附近的土体的回弹变形较小,而桩与桩之间的土体回弹较大,而无工程桩时的坑底回弹曲线呈凸形。随着基坑开挖深度的增加,地基回弹量逐渐增大,工程桩减小回弹的作用越明显。

在第一步开挖时,两种情况下底板的位移基本一致,而后随着开挖步的进行,两者的差别越来越突出,开挖步结束后,坑底无桩时,最大回弹量144 m,坑底有桩基时,最大回弹量为92.3mm,总体来看,回弹的减小幅度大约为34%～43%,由此可见基坑中的工程桩能显著减小基坑底面的回弹。

4.2.3 工程桩桩长桩径对比分析

针对本工程的场地地质特点,桩长变化范围设置在全风化岩层以下比较合理,在群桩平面布置保持不变前提下,通过数值模拟结果对比可知:桩长,桩径两个变量对基坑回弹、连续墙水平位移和地表沉降的影响趋势基本一致,但影响显著程度不一。其中不同工况下基坑回弹对比图如图10所示,不同桩长前提下,基坑坑底回弹量随桩长的增大而减小,并且在所比对的桩长变化范围内曲线的斜率变化不大,表明拟考虑的桩长变化范围内没有临界桩长。同时由图10中曲线竖向间隔变化规律可知,回弹量随着桩径的增长而减小,但各曲线间隔量较小,说明增大截面尺寸效果不够显著,不能一味增大桩径。因此,在同等密度的条件下,加大桩长比增大桩径对坑底回弹量的控制效果要好得多。桩长桩径值建议取用比较经济合理。

图10 不同桩长下坑底最大回弹变化曲线

此外从连续墙变形和地表沉降的变化规律可知,桩长对地表沉降的影响明显大于桩径;桩径对连续墙水平位移的影响大于桩长。实际工程设计时需综合考虑而加以选定。限于篇幅,本文不再一一列表详述。

需要说明的是,坑底工程桩的间距及前面说到的工程桩的刚度主要是满足上部结构要求而设置的,一般不会专门为减小地面沉降、坑底隆起等而设置,但对认识工程桩空间尺寸变化会引起地面沉降、坑底隆起等变形的影响规律是有帮助的。

5 结 论

(1)通过三维有限元模拟对裙边加固不同工况下模型进行对比分析,结果表明:抽条加固的作用效果主要与置换率有关,置换率越大,加固效果越好;抽条加固不存在有效宽度问题,合理宽度要视工程施工和造价等具体情况而定,且这种条带状加固形式有一定影响范围,为保证整体加固效果,抽条间距不宜过大,尽量保持在6 m范围之内。

(2)通过多组算例验证了坑底工程桩能显著减小基坑底面回弹和围护结构最大侧移,并且随着基坑开挖深度的增加,工程桩的约束作用越明显。在相同基坑条件下,与无工程桩工况相比,总体回弹量的减小幅度大约为34%～43%。

(3)在本工程场地地质特点下,土体和围护结构位移随着桩长和桩径的增长而减小,但增大截面尺寸效果不显著,桩长加固显著,但所取变化范围内没有临界值。

[1]寿 旋,徐肖华,孙苗苗,等.软土地区深基坑被动土体加固高度改进研究[J].岩土工程学报,2010,32(Z1):104-108.

[2]刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[3]Rowe R K,Lee K M.An evaluation of simplified techniques for estimating three-dimensional undrained ground movements due to tunneling in soft soils[J].Canadian Geotechnical Journal,1992,29(1):39-52.

[4]Hashash Y,Whittle A.Ground movement predictionfor deep excavations in soft clay[J].Journal of geotechnical Engineering,1996,122(6):474-486.

[5]龚晓南.基坑工程发展中应重视的几个问题[J].岩土工程学报,2006,28(B11):1321-1324.

[6]陆新征,宋二祥,吉 林,等.某特深基坑考虑支护结构与土体共同作用的三维有限元分析[J].岩土工程学报,2003,25(4):488-491.

[7]沈伟跃,赵锡宏.基坑土层局部加固对减小支护结构位移的效果分析[J].勘察科学技术,1996,8(1):8-11.

[8]简 浩,齐良锋.挡墙坑内加固对基坑变形的影响研究[J].建筑结构,2005,35(12):33-34.

[9]贾 坚.土体加固技术在基坑开挖工程中的应用[J].地下空间与工程学报,2007,3(1):132-137.

[10]水伟厚,何立军,李 伟.上海深基坑开挖坑底土体回弹对抗压桩的影响分析[J].岩土工程界,2007,10(Z):252.

[11]范 巍.大面积深基坑开挖过程中桩基受力特性研究[D].上海:上海交通大学,2007.

[12]范 巍,王建华,陈锦剑.连续墙与土体接触特性对深基坑变形分析的影响[J].上海交通大学学报,2006,40(12):2118-2121.

[13]Oden J T,Pires E B.Nonlocal and nonlinear friction laws and variational principles for contact problems in elasticing[J].Journal of AppliedMechanics,1983,50(1):236-245.

[14]ABAQUS Analysis user's manual[M].Abaqus Documentation.2003

[15]王金昌,陈页开.ABAQUS在土木工程中的应用[M].杭州:浙江大学出版社,2006.

[16]陆培毅,余建星,肖 健.深基坑回弹的空间性状研究[J].天津大学学报,2006,39(3):301-305.