自密实水泥土在地下工程回填中应用研究

张 燚， 严柏杨， 亓永帅， 高玉峰

（1.岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098； 2.河海大学土木与工程学院，南京 210098）

随着地下空间开发利用的热度持续增长，大量地下空间开发利用项目得以兴建. 这些工程项目开挖深度大，回填空间狭窄，采用灰土或素土分层碾压的方法难以保证回填质量，上部道路常由于不均匀沉降而出现大量的纵向裂缝［1-3］. 自密实水泥土是一种将土、固化剂和水拌和后形成的新型填筑材料［4-5］，其固结时间短，固结前的较高流动性可以充填狭窄空间和异形结构空间，固化后具有较高的密实度、强度和抗变形能力，解决了回填土与结构边缘部位回填不易密实的问题，避免施工过程中围护结构向坑内位移过大和上部结构由于不均匀沉降而产生裂缝［6］. 该填筑材料可使用现场开挖的弃土和城市废弃土，原料来源广泛，在缩短工期、降低综合造价的同时可减少土石资源的消耗，因此在地下空间回填工程中具有极大的应用前景，是一项可持续发展的新技术，对缓解城市弃土弃渣处置压力和“生态文明建设”具有重大意义［7］.

本文在室内配比试验的基础上，运用PLAXIS2D软件对苏州市某市政隧道基坑工程进行模拟，选用自密实水泥土为回填材料，分析了换撑与回填全过程的基坑支护结构变形和周地表沉降，并计算了地表道路恢复交通后的路面沉降.

1 工程概况

该隧道工程位于苏州市，工程所在场地平坦，地层信息见表1.

表1 各土层主要物理性质及力学参数Tab.1 The main physical properties and mechanical indexes of soil layers

隧道全长采用明挖法施工，基坑开挖深度较深，最大开挖深度为24.63 m. 采用地下连续墙加多道内支撑的围护体系，地下连续墙厚度为1.0 m；隧道结构宽为30.6 m，高为7.7 m，由多根Φ0.8 m工程桩承担竖向荷载. 隧道结构和地下连续墙之间以1 m厚混凝土支撑板连接. 本文选取两个典型施工断面分析，模型简化图见图1、图2.

图1 模型AFig.1 Model A

图2 模型BFig.2 Model B

模型A为非对称基坑，开挖深度为22.5 m，开挖宽度为38 m，第一、三道支撑为1.0 m×1.2 m钢筋混凝土支撑，水平间距为4.5 m，深度为0.6 m、8.6 m；第二、四、五道支撑为Φ 609 mm×16 mm钢支撑，水平间距为3.0 m，深度为5 m、12.6 m、16.2 m. 上下匝道宽均为11 m，上匝道高6.6 m，下匝道高为8.3 m.

模型B为对称基坑，开挖深度为23 m，开挖宽度为40 m，第一、四道支撑为1.0 m×1.2 m钢筋混凝土支撑，水平间距为4.5 m，深度为0.5 m、13.5 m；第二、三、五、六道支撑为Φ 609 mm×16 mm钢支撑，水平间距为3.0 m，深度为4.5 m、10.5 m、17.5 m、21 m. 左右匝道宽均为11 m，高均为8.3 m.

2 有限元计算

采用PLAXIS 软件按照平面应变建立数值模型［8-10］. 地下连续墙、钢支撑、钢筋混凝土支撑均为线弹性模型，土体选用摩尔库伦模型，地下水位为基底以下2 m处. 上边界为完全自由，下边界为完全约束，侧向边界为水平方向约束，竖直方向自由. 为简化计算，计算深度取60 m，为基坑开挖深度的2～3倍，计算宽度取150 m，为基坑宽度的3～5倍［11-13］. 隧道通车后所受的车辆荷载采用A级荷载［14］，大小为22.5 kN/m2，布设在隧道结构底板、匝道的底板和地表.

2.1 材料参数

本文通过室内配比试验，以现场开挖弃土3-2粉质黏土为原料土，对自密实水泥土的力学性质进行了研究. 固化剂选用42.5级普通硅酸盐水泥，掺入量按8%、10%控制，并选用80、100、120 mm三种坍落度控制自密实水泥土的流动性. 试样为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方体试块，在标准养护条件下按7 d和28 d养护，测试不同配比的力学性能指标，结果如表2.

表2 无侧限抗压试验结果Tab.2 The results of UCS

在8%水泥掺量下，7 d 龄期无侧限抗压强度可达0.25～0.33 MPa，28 d 强度可达到0.48～0.53 MPa，28 d 模量可达61.2～81.1 MPa；10%水泥掺量的7 d 龄期无侧限抗压强度可达0.31～0.38 MPa，28 d强度可达到0.58～0.63 MPa，28 d变形模量可达到93.4～102.5 MPa. 其中，8%掺量的自密实水泥土平均湿密度为1.70 g/cm3，10%掺量的自密实水泥土平均湿密度为1.77 g/cm3（图3）.

水泥土的重度取为18 kN/m3，黏聚力可取0.2～0.3倍无侧限抗压强度，保守取值为100 kPa，内摩擦角为20°～30°，保守取值为20°［15-16］. 弹性模量保守取为80 MPa，泊松比取0.3［17］.

2.2 结构参数

作为围护结构的地下连续墙和混凝土支撑标号为水下C30，钢筋混凝土结构的主要受力钢筋采用HRB400钢筋；钢结构构件采用Q235B钢. 结构等效参数如表3所示.

2.3 计算工况

计算工况步骤如表4所示.

图3 自密实水泥土湿密度测量Fig.3 Wet density of self-compacting cemented soil

表3 结构等效参数Tab.3 Structure equivalent parameters

表4 基坑回填过程工况Tab.4 Conditions in the process of foundation pit backfilling

3 计算结果及分析

计算结果整理如表5，其中地连墙侧向变形以向基坑内部为正，向基坑外部为负；坑外地表沉降以向下为正.

由表5数据可知，地下连续墙的侧向变形主要发生在在下两道钢支撑拆除后、自密实水泥土回填前，出现在最下两道拆除后的钢支撑处，不超过设计限值（0.18%开挖深度）；基坑周边地表沉降主要发生在基坑开挖完成后、最下一道钢支撑拆除前，最大沉降值约为1.49 cm，未超过设计限值（0.15%开挖深度）. 且伴随着自密实水泥土的回填，坑外土体的垂直沉降逐步稳定.

如图4、图5所示，对于非对称基坑模型A，其浅坑侧坑顶水平位移向坑外偏移，最大位移为0.46 cm，深坑侧水平位移向坑内偏移，最大位移为1.19 cm；对于对称基坑模型B，其坑顶水平位移基本向坑内偏移，最大位移为0.83 cm. 以工况A-1、B-1为例，模型A浅坑侧最大地表沉降发生在距离坑边约20 m处，随着远离基坑顶部，地表由沉降变为隆起，深坑侧地表沉降离坑边越远，沉降越大，最大沉降为1.34 cm，见图6；模型B坑外最大地表沉降发生在距离坑边约35 m处，最大沉降为0.78 cm，见图7.

表5 地下连续墙侧向变形及坑外地表沉降Tab.5 Lateral deformation of underground continuous walls and surface subsidence outside the pit单位：cm

图4 模型A坑顶侧向位移Fig.4 Lateral deformation on the pit top of model A

图5 模型B坑顶侧向位移Fig.5 Lateral deformation on the pit top of model B

图6 工况A-1地表沉降Fig.6 Settlement of case A-1

图7 工况B-1地表沉降Fig.7 Settlement of case B-1

地表恢复交通后，在交通荷载作用下结构沉降和不均匀沉降极小（表6），最大沉降为1.6 cm，发生在模型A上匝道外测地表（图8，图9）.

表6 恢复交通后沉降Tab.6 Subsidence after restoring traffic

图8 模型A恢复交通后沉降Fig.8 Subsidence after restoring traffic of model A

图9 模型B恢复交通后沉降Fig.9 Subsidence after restoring traffic of model B

4 结论

本文结合实际工程，通过PLAXIS分析了基坑换撑与回填过程中周围地表沉降和地下连续墙侧向变形，为保证实际工程安全提供了可靠的理论依据. 本文研究结果表明：

1）自密实水泥土填筑技术在缩短施工工期的同时，通过对城市废弃土的资源化再利用，减少了土石资源消耗和土方外运量，极大地降低了综合造价，为今后类似深基坑提供了新的回填方案；

2）自密实水泥土具有较高的密实度、强度和抗变形能力，其7 d无侧限抗压强度可达0.38 MPa，28 d强度可达到0.63 MPa，28 d变形模量可达102.5 MPa；

3）选用自密实水泥土作为回填材料，可有效控制深基坑变形. 回填过程中，各部位变形及周围地表沉降均在容许范围内，在钢支撑拆除后和自密实水泥土回填前的危险阶段，需加强对坑外地表沉降和支撑轴力的监测；地表恢复交通后，在车辆荷载作用下，结构和地表沉降较小，可保证上部道路结构的正常使用.