坑底加固模式对软土深基坑变形的影响

杨 波, 谭 勇,2, 徐长杰

(1. 同济大学 地下建筑与工程系, 上海 200092; 2. 同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室, 上海 200092; 3. 华东交通大学 土木建筑学院, 江西 南昌 330013)

在软土地层中进行地铁车站开挖施工会引起周围地层的变形,对周围环境造成不利影响甚至带来灾难性后果.在工程实践中,常采用加固被动区土体的方法,以增强土体强度及承载能力,达到控制基坑开挖变形的目的[1-2].

陈兴年等[3]对基坑加固形式进行了分类,并分析了加固的变形控制原理和设计思路；贾坚[4]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；秦爱芳等[5]以卸荷试验为基础,通过室内的土体力学参数试验探讨了上海软土地区基坑工程中坑底土体加固深度的问题；蒋建平[6]基于平面数值模拟方法对坑底加固体的刚度效应进行了探讨；熊春宝等[7]利用有限元软件ABAQUS建立三维数值模型,研究了不同坑底加固措施对基坑变形的影响；屈若枫等[8]研究了基坑被动区阶梯式加固尺寸对桩位移的影响；朱志祥等[9]利用FLAC3D研究了基坑加固对围护结构位移以及地表沉降等的作用；康志军等[10]利用二维有限元软件PLAXIS研究了不同的土体加固方式对基坑变形的影响.本次在此基础上进行拓展,对土体加固在狭长形基坑中的三维空间作用进行研究.

目前针对基坑坑底加固的有限元分析研究多集中于平面问题的研究或是简单的三维问题研究,而少有对坑底加固体的三维空间效应进行的研究.本次的创新点在于对坑底加固的三维空间效应进行探讨研究.运用有限元软件ABAQUS并结合工程实践数据,对上海软土地区某地铁车站基坑开挖进行三维建模数值模拟,分别对满堂加固、墩式加固、裙边加固、不同空间分布类型的抽条加固情况下的基坑开挖进行数值模拟计算,研究不同加固模式对基坑开挖变形的影响.

1 工程概况

研究对象为上海软土地区某地铁深基坑工程.该基坑平面尺寸为387 m×20 m,最大开挖深度为16 m,基坑安全等级为一级.基坑分为东、西两段先后独立开挖,其中西段基坑长102 m且先进行开挖,东段基坑长285 m后进行开挖,东、西段基坑间设置钢板桩进行隔断.基坑采用顺作法施工并以地下连续墙作为围护结构.地下连续墙厚1 m、深30 m,并由上至下设置1道混凝土支撑及3道钢支撑,支护结构的设计参数见表1.基坑横向剖面图如图1所示.因西段基坑开挖产生了较大的围护结构侧移,故于东段基坑最终开挖面以下设置9处土体抽条加固段进行加强,且东段基坑分为2、3两段先后独立开挖.重点关注东段基坑,其平面图如图2所示.

表1 基坑支护结构设计参数Tab.1 Designed parameters for supporting structure

2 有限元模型

根据此地铁车站东段基坑进行有限元建模分析,由于基坑的对称性故沿基坑短边取1/2进行建模,模型尺寸为285 m×90 m×40 m,地下连续墙与模型边界距离取80 m,坑底以下土体厚度取24 m.主要土体参数的选取参考地质勘查报告及实测数据,各土层物理力学性质参数见表2.

表2 土体物理力学性质参数Tab.2 Soil property parameters

支撑采用表1中相应的截面属性,混凝土结构的弹性模量取30 GPa,钢结构的弹性模量取200 GPa.

开挖过程的具体模拟步骤如下：

1) 对所有土体进行初始地应力分析计算；2) 地下连续墙施工,基坑坑底进行抽条加固,第2、3段基坑段间设置钢板桩隔断；3) 第2段基坑第1步开挖,开挖深度2 m,设置第1道支撑；4) 第2段基坑第2步开挖,开挖深度4 m,设置第2道支撑；5) 第2段基坑第3步开挖,开挖深度4 m,设置第3道支撑；6) 第2段基坑第4步开挖,开挖深度4 m,设置第4道支撑；7) 第2段基坑开挖至最终开挖面,开挖深度2 m；8) 第3段基坑进行开挖,开挖流程与第2段基坑相同.

3 模型验证

图3为若干种不同坑底加固方式的平面示意图.对10种工况进行开挖模拟得到的结果进行比较分析.首先对图3中工况一(即实际工程采用的方案)进行开挖计算,并将有限元计算结果与实测数据进行对比,以此验证计算模型的合理性.工况一中在第2段基坑距离西侧端头10 m位置处设置了9条抽条加固,每条抽条加固段宽3 m、深3 m,加固条间距3 m.

图4为围护结构最大侧向位移的有限元计算结果与实测结果的对比剖面图.实际测量结果显示,地下连续墙最大位移为102.43 mm,最大位移产生于深度20 m处；有限元模拟结果显示,地下连续墙最大位移为94.13 mm,最大位移产生于深度16 m处,即最终开挖面所在深度.最大侧向位移的模拟值与实测值基本能够吻合,验证了所采用模型的合理性.

4 围护结构侧移研究

4.1 抽条加固体所处位置的影响

图5为9条抽条加固体处于第2段基坑不同位置的3种工况下围护结构最大侧移图.工况一中9条加固体距离第3段基坑边界10 m,工况二中不设置抽条加固,工况三中9条加固体位于第2段基坑中心处.工况一、三中加固体纵向长度LR=51 m、开挖段长度L=195 m,加固比例LR/L=26.2%.结果表明,工况一、三中加固体中心处围护结构侧移分别为58.54、64.24 mm,与工况二(无抽条加固)同样位置处围护结构侧移相比,其减小率分别为26.42%、31.17%.工况一、三中第2段基坑围护结构最大侧移分别为94.12、84.48 mm,与工况二相比侧移的减小率分别为0.66%、8.65%.在加固体中心处,由于受到加固体及钢板桩的约束作用,工况一中围护结构侧移较工况三中减小了5.70 mm.然而从围护结构侧移的减小率(相对于工况二)的角度来看,在加固体中心处工况三较工况一提升了4.75%,在围护结构最大位移处工况三较工况一提升了7.99%,因此将加固比例为26.2%的加固体置于开挖段中心对围护结构侧移的抑制作用高于将其

置于开挖段边侧.然而在26.2%的加固比例下,对围护结构最大侧移的减小率仍在10%以下,因此该加固比例的加固体对围护结构侧移的整体抑制作用不明显.

4.2 抽条加固体数量的影响

图6为东段基坑整体开挖的前提下,在开挖段中心设置4种不同数量抽条加固体的工况下围护结构最大侧移图.工况四、五、六、八的抽条加固体数量分别为9、26、42、0条,其加固比例LR/L分别为17.9%、53.6%、87.4%、0%.结果表明,工况四、五、六对应的加固体中心处围护结构侧移分别为66.98、58.84、58.22 mm,与工况八(无抽条加固)同样位置处相比,侧移的减小率分别为30.49%、38.94%、39.58%.工况四、五、六对应的开挖段围护结构最大侧移分别为94.34、78.58、58.28 mm,与工况八相比侧移的减小率分别为1.77%、16.76%、29.61%.图7为该4种工况下围护结构最大侧移剖面对比图.同一开挖段内,加固体中心处围护结构侧移的减小率随着加固比例LR/L的增大而增大,当LR/L高于50%后增大的幅度明显降低.围护结构最大侧移的减小率随着加固比例LR/L的增大而增大.

4.3 不同加固方式的影响

图8为东段基坑整体开挖的前提下,在开挖段内沿全长设置4种不同方式的土体加固的工况下围护结构最大侧移图.工况六为沿全长设置抽条加固；工况七为深度3 m的满堂加固；工况九为3 m×3 m×3 m且间隔3 m的墩式加固；工况十为宽度3 m、深度3 m的裙边加固.结果表明,工况六、七、九、十对应的开挖段围护结构最大位移分别为58.28、31.92、84.08、82.25 mm,与工况八(无加固)同样位置处相比,侧移的减小率分别为29.61%、66.87%、12.87%、14.76%.图9为该4种工况下围护结构最大侧移剖面对比图.在4种加固方式中,满堂加固对围护结构侧移的抑制效果最大,沿全长抽条加固次之,沿全长墩式加固与沿全长裙边加固的抑制效果最不明显且二者相差不大.

5 坑外地表沉降研究

5.1 抽条加固体所处位置的影响

图10为9条抽条加固体处于第2段基坑不同位置的3种工况下坑外地表最大沉降图.该3种工况中的加固模式与4.1节中相同,加固比例LR/L均为26.2%.从图10看出,工况一、三对应的加固体中心处坑外地表沉降分别为15.25、16.65 mm,与工况二(无抽条加固)同样位置处坑外地表沉降相比,减小率分别为56.69%、57.12%.工况一、三中第2段基坑坑外地表最大沉降分别为38.13、34.36 mm,与工况二相比沉降减小率分别为1.52%、10.76%.在加固体中心处,两种加固方式下的地表沉降值及其减小率相差不大.在坑外地表最大沉降处,工况三的地表沉降减小率较工况一提升了9.24%,因此将加固比例为26.2%的加固体置于开挖段中心对地表沉降的抑制作用高于将其置于开挖段边侧的.

5.2 抽条加固体数量的影响

图11为东段基坑整体开挖的前提下在开挖段中心设置4种不同数量抽条加固体的工况下坑外地表最大沉降图.该4种工况中的加固模式与4.2节中相同,加固比例LR/L分别为17.9%、53.6%、87.4%、0.0%.从图11中看出,工况四、五、六对应的加固体中心处坑外地表沉降分别为16.72、16.06、16.00 mm,与工况八(无抽条加固)同样位置处相比,沉降减小率分别为56.82%、58.50%、58.68%.工况四、五、六对应的开挖段坑外地表最大沉降分别为38.42、32.99、16.02 mm,与工况八相比沉降的减小率分别为0.34%、14.09%、58.62%.同一开挖段内,加固体中心处坑外地表沉降的减小率随着加固比例LR/L的增大而增大,但其增大幅度较小.坑外地表最大沉降的减小率随着加固比例LR/L的增大而增大.

5.3 不同加固方式的影响

图12为东段基坑整体开挖的前提下,在开挖段内沿全长设置4种不同方式的土体加固工况下坑外地表最大沉降图.该4种工况的加固模式与4.3节中相同.从图12看出,工况六、七、九、十对应的开挖段坑外地表最大沉降分别为16.02、8.17、30.57、29.80 mm,与工况八(无加固)同样位置处相比,沉降的减小率分别为58.62%、78.90%、21.03%、21.95%.在4种加固方式中,满堂加固对坑外地表沉降的抑制效果最大,沿全长抽条加固次之,沿全长墩式加固与沿全长裙边加固的抑制效果最不明显且二者相差不大.

6 结论

以上海软土地区某地铁车站基坑为基础,采用有限元软件ABAQUS进行数值模拟,并对坑底被动区土体加固模式对基坑开挖变形的影响进行研究,得到了以下结论.

1)在相同长度的基坑开挖段内布置相同有限数量的抽条加固体(加固比例LR/L=26.2%),将加固体置于开挖段中心对基坑变形的抑制作用高于将其置于开挖段边侧.

2) 在狭长型基坑中,加固比例LR/L=26.2%的抽条加固体对加固段内及附近有限范围内的基坑变形具有有效抑制作用,但对基坑变形的整体抑制作用不明显,最大变形的减小率仅在10%以下.

3) 在狭长型基坑中,设置加固比例LR/L分别为17.9%、53.6%、87.4%的抽条加固,加固体对基坑变形的抑制作用随着加固比例的增加而明显增大.

4) 在4类加固方式中,满堂加固对基坑变形的抑制效果最大,其次是沿基坑全长布置抽条加固的加固方法；对于狭长型深基坑,墩式加固与裙边加固的抑制效果差别不大且均不明显.