深基坑基底注浆加固效果数值模拟分析

夏梦然

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

在软土中进行基坑开挖会对周围土体及环境造成很大影响，导致基底的隆起变形、引起邻近既有建筑物的沉降等。在实际工程中，常采用加固坑底土体的方法改善坑底土体的物理力学性能，从而达到控制基坑变形的目的。

但如何评估注浆加固体的力学性能、加固效果以及适用条件，一直是学者们研究的热点。郝峰[1]结合基坑支护实例，介绍了高压旋喷桩在复合土钉墙系中的应用，并通过PLAXIS 2D 软件进行了案例验证，指出了高压旋喷桩的贡献作用及规律；最后给出旋喷桩、土钉、混凝土面层相关力学参数在PLAXIS 2D软件中的建议取值。来弘鹏等[2-3]结合广福隧道、西安市地铁隧道等工程实例，从数值模拟结果和现场实测数据两方面详细介绍了地表预注浆方法在公路隧道、铁路隧道中的加固机理以及加固效果。高峰等[4]结合隧道围岩加固的研究现状，针对常规有限元方法模拟注浆加固存在一定误差的问题，利用有限元理论分析了该误差产生的原因，进而提出了在有限元中模拟加固效应的改进方法。秦爱芳等[5-6]对土体注浆加固的形式、深度、宽度进行了研究，并结合室内模型实验，讨论了坑底土体加固的深度问题。朱志祥等[7]结合基坑工程实例，从墙内侧土压力、地下连续墙变形和邻近铁路的沉降3方面分析了水泥土搅拌加固法在深基坑中的支护效果。Shirlaw等[8-10]结合工程实例和监测数据说明了喷射注浆板在基坑开挖过程中的加固效果以及注浆加固工艺的施工质量要点；Goh[11]提出了考虑坑底注浆加固的基底抗隆起安全系数计算公式。但是，少有学者系统分析喷射注浆加固在基坑工程中的支护作用以及与基坑支护结构协同工作时的相互影响。

笔者结合工程案例，利用PLAXIS 2D软件进行了有限元建模分析，首先进行了案例验证，在此基础上对坑底加固的合理厚度进行了研究，并针对地下连续墙嵌入深度和刚度、软土层厚度3种参数进行了参数分析，探究其对坑底加固体加固效果的影响。

1 工程概况

图1 土层分布及支挡结构设置(半结构)

某地铁站的土层分布及支挡结构设置如图1所示。土层分布依次为杂填土、砂土、软粘土和冲积层，其中，软粘土层较厚，地下水位于地表下5 m。基坑的开挖宽度约为16 m，开挖深度约为17.5 m，由于基坑的长度约为129 m，相当于宽度的8倍，故可作为平面应变问题处理。基底有1.5 m厚的喷射注浆加固体；支护结构由0.8 m厚的地下连续墙(深度为35 m)和6道钢管内支撑组成(竖向间距为3 m)。距离基坑12 m处有1栋3层框架结构建筑物。基坑施工顺序为先施工地下连续墙和坑底土体注浆加固，后进行分步开挖，同时设置内支撑。

2 有限元模型建立与验证

2.1 数值计算模型

基坑采用对称开挖，故可取半结构进行建模分析。模型的左右边界限制单元结点的水平方向位移，底部边界限制单元结点的水平及竖向位移，模型的上部边界为自由边界。

考虑到基坑开挖过程中土体的小应变硬化特性，采用PLAXIS 2D中的土体小应变硬化模型(HSS模型)模拟土体，该模型与土体硬化模型(HS模型)相比，能够更好地反映基坑开挖中土体的硬化行为。土体的输入参数见表1，其中，杂填土、砂土采用排水模式模拟，以摩擦角(粘聚力设为0)作为强度参数；软粘土、冲积层采用不排水B模式模拟，以不排水抗剪强度作为强度参数。表1中土体重度、摩擦角、不排水抗剪强度为现场勘测数据；小应变硬化的范围为0%～0.002%，其他参数均由HSS模型的计算公式得出，已有很多学者[11-16]验证过此计算公式，不再赘述。

支护结构采用线弹性体模拟。考虑到地下连续墙在施工时质量不易控制，故对弹性模量取0.7的折减系数；由于按平面应变问题处理，内支撑的等效抗压刚度应考虑平面外间距，具体的处理方式为将单根内支撑的横截面积除以平面外间距的平均值(见表2注释)。支护结构具体参数见表2。注浆加固土体采用摩尔-库伦模型模拟。根据学者们[1-4,7,11]的建议，由于注浆体质量受施工质量影响很大，在量化其力学性能指标时，可取较保守的值。表3列出了一些学者在模拟注浆加固体时物理力学参数的取值，由表3可知，破碎围岩加固体的力学性质要远高于软弱土层中的加固体。依据表3中软弱土层加固体参数的取值以及Shirlaw等[8]给出的现场测试数据；文中取弹性模量E=150 MPa，不排水抗剪强度cu=270 kPa(即按照不排水B模式进行分析)。

针对邻近建筑，采用均布荷载简化模拟，每层建筑荷载简化为25 kPa的均布荷载，并以地表最大沉降近似代替建筑的沉降。

施工步设置为10步：1)初始K0过程；2)激活均布荷载，模拟建筑施工；3)重置位移为0，将地下连续墙激活以模拟地连墙的施工，将基坑底部土体的材料参数改为注浆体材料参数(PLAXIS软件支持在施工步中修改单元材料属性，直接修改即可)；4)开挖至地下3 m处，同时设置第1道支撑；5)依此类推，逐步开挖至地下6、10、12.5、15、17.5 m，同时设置剩余5道内支撑。

依据工程实际情况，采用先进行坑内降水，后进行开挖的方式模拟，即在每个施工步中将坑内水位设置为开挖面以下。

表1 土层物理力学参数

表2 支护结构物理力学参数

注：等效面积A=钢支撑的横截面积/平面外间距。

表3 各工程中注浆加固体物理力学参数汇总

注：表中E为弹性模量；c为粘聚力；φ为内摩擦角；cu为土体不排水抗剪强度。

建立的有限元模型见图2。模型包含799个单元、6 740个结点。

图2 有限元模型示意图

2.2 数值模型验证

建立有限元模型后，分析计算得到无注浆底板支护时挡墙的最大侧移为84.23 mm，有注浆底板支护时挡墙的最大侧移为52.69 mm，与现场检测结果80 mm(无注浆底板支护区域)、55 mm(有注浆底板支护区域)相比，误差较小，说明土体和注浆体选用的参数基本合理。

3 坑底土体加固效果的参数分析

3.1 土体加固效果及加固厚度的影响分析

图3为加固与未加固两种情况的地连墙侧移曲线及弯矩图的对比。由图3(a)可以看出，采用坑底土体加固后，地下连续墙的变形明显减小。且由于对基坑底部1.5 m深度内的土体进行了加固，地连墙最大侧移出现的位置有所下降，说明在软土地区，对坑底土体采用注浆加固的方法比较有效。由图2(b)可知，进行注浆加固后，地连墙的内力有所减小，最大正弯矩的出现位置大约位于28 m深度处，因此，此处为软土层与冲积层的接触面；而最大负弯矩出现在开挖面下方，大致位于软土层的中间层(20.714 m处)，与地连墙最大侧移出现的位置一致(同理，进行注浆加固后，最大负弯矩的出现位置在22.5 m处，与最大侧移位置一致)。

图3 地连墙侧移曲线及弯矩图的对比

为研究加固区厚度对加固效果的影响，选取了1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 m共8种工况，从地下连续墙侧移、基底隆起、地表沉降3个方面评估加固效果，如图4所示。

图4 注浆加固厚度的影响

由图4可以看出，底板厚度在1.5～3.0 m范围内，均有良好的抑制变形效果，能够有效减小挡墙侧移、基底隆起和地表沉降。底板厚度在2.0～2.5 m左右即可以减少变形50%左右，对变形控制较为严格时，可考虑采用3.0 m厚的注浆底板。当加固厚度大于3 m时，加固的效果逐渐降低，4 m以上时，地下连续墙侧移及地表沉降趋于稳定，再扩大加固区域已不能提高加固效果。因此，合理的加固范围应在1.5～3.0 m之间，相当于开挖深度的10%～20%。

3.2 地下连续墙嵌入深度及刚度的影响分析

选取地下连续墙嵌入深度为29、32、35(原工况)、38、41 m共5种工况进行分析。除地下连续墙嵌入深度外，地下连续墙的刚度也会影响支护系统，通过改变地下连续墙厚度的方式，选取了3组工况，研究不同刚度的地下连续墙对支护系统的影响。计算分析结果如表4、表5所示。

表4 地连墙嵌入深度的影响

表5 地连墙刚度的影响

由表4可以看出，挡墙深度为35、38、41 m时，挡墙的变形几乎一致，这是因为地连墙已经嵌入至持力层。反之，减小地连墙的嵌入深度，由于30 m时地连墙仍嵌入持力层(但SPT<100)，所以，最大侧移值略有增加，而没有迅速增加。因此，采用地下连续墙与坑底注浆加固的复合支护方案时，地下连续墙嵌入持力层2～3 m即可。

与嵌入深度不同，地下连续墙的刚度对支护系统有较大的影响。由表4可以看出，地下连续墙的厚度减小时，基坑及地表的变形有所增加；厚度增大时，基坑及地表的变形均会减小。因此，在采用这种复合支护方案时，应保证地下连续墙具有一定的刚度，以达到控制基坑变形的目的。

3.3 软土层厚度及软土力学性质的影响分析

工程所处的邻近区域，软粘土广泛分布在地表以下18～35 m深度处[8]，所以，选取了软土层厚度分别为12.5、15、17.5、20、22.5 m共5种情况，研究分析结果见图5。

由图5可知，软土层厚度是影响基坑变形的重要因素之一，随着软土层厚度的增加，基坑的侧移变形、隆起变形、地表沉降均显著增加，尤其是隆起变形。且随着软土层厚度的增加，地连墙的侧移曲线变化更加剧烈，地连墙的最大位移出现位置也随之下降，这是由于地连墙没有嵌入下部坚硬土层中。软土层厚度减小后，基坑变形及建筑的附件沉降迅速下降。因此，在新加坡这类近海地区，若有软粘土层存在，则变形主要发生在软粘土中。对于下覆软粘土层的深基坑工程，应特别注意，需采用基底注浆加固与地下连续墙、内支撑相结合的支护系统，才能够有效控制基坑的变形，且软粘土层较厚时，应提高地下连续墙的嵌入深度(或刚度)以起到控制变形的作用。

4 结论

通过建立有限元分析模型，模拟基坑开挖及支护的全过程，系统分析了加固区厚度、地连墙嵌入深度、地连墙刚度、软土层厚度对支护系统的影响。主要得到以下结论：

1)基底注浆加固的合理厚度应为基坑开挖深度的10%～20%左右，可以充分抑制基坑的变形，减小地连墙的变形、基底隆起变形和地表沉降。

2)采用基底加固与地连墙相结合的复合式支护系统时，地连墙需嵌入坚硬土层中2～3 m，不宜太深，并应保证地连墙具备一定的刚度。

3)在软土地区进行基坑开挖时，应注意施工区域的软土层分布，基坑变形及地表沉降受软土层厚度影响显著。在软土层较厚的区域，应通过增加地连墙嵌入深度、增大地连墙刚度或者加大注浆加固区域等方式控制变形。