港珠澳大橋拱北隧道海域段基坑被動區加固方案優化研究

佘海洋,朱珍德

(1.河海大學 巖土工程科學研究所,江蘇 南京 210098;2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098)

0 引 言

基坑開挖的過程是基坑開挖面上卸荷的過程,是一個由圍護結構、地基土、地下水共同組成的復雜動態系統,僅側重圍護結構的強度控制難以滿足其對周邊地層變形與施工安全控制的要求[1]。沿海富水軟土地區的深基坑工程在開挖過程中常常會出現圍護結構變形過大的現象。目前設計理念已明顯地由強度控制轉化為變形控制[2-4]。工程中由于坑底被動區土體加固和已有工程樁加固能夠改善圍護結構被動區土層的力學性能,進而減小支護結構的內力、側向位移、地面沉降及坑底隆起,所以目前基坑坑底被動區土體加固來提高被動區土抗力是一種經濟有效的技術措施[5-6]。

對被動區加固下基坑變形控制分析方面,沈偉躍等[7]分析了坑底土層局部加固區域范圍深度與支護結構位移的關系、加固區域范圍寬度與支護結構位移的關系、加固區域剛度與支護結構位移的關系。簡浩等[8]對擋墻坑內加固體進行了受力分析,探討了對加固作用產生影響的主要因素,研究了加固體對基坑變形的空間作用,并提出在上海地區,加固體寬度和高度在4 m左右,間距控制在10 m～15 m比較適宜。賈堅[9]分析歸納了土體加固技術在基坑開挖工程中的應用條件、工藝特點及加固設計形式。水偉厚等[10]對抗壓樁在基坑回彈情況下產生的受力影響進行了分析:文獻[11]對深基坑開挖過程中的單樁和群樁受力進行了三維軟件模擬,并對世博地下變電站工程樁進行了數值分析。

目前所得試驗結果無法形成一個體系,如何合理評價被動區加固范圍和形式對基坑變形的控制效果還不太明確,基坑土體加固設計尚無定量的理論設計計算方法,一般按經驗方法確定加固土體的范圍和對加固體的強度要求。鑒于此,本文以港珠澳大橋珠海連接線工程為背景,采用大型通用三維有限元計算軟件ABAQUS對隧道基坑的開挖和支護過程進行數值仿真,在考慮圍護結構及工程樁體與周邊土體相互接觸的前提下,研究坑底抽條加固平面布置的不同工況對基坑和圍護結構變形的影響,并對工程樁樁長和樁徑進行單因素分析,力求在確保結構安全的基礎上,最大限度降低工程造價,對基坑坑內加固合理設計施工具有一定的指導意義。

1 接觸面計算模型

深基坑工程中,對于土體與結構的相互作用,已有很多研究都指出了接觸模擬的必要性[12-13]:在實際工程中,由于結構和土體的剛度差異較大,接觸面上可能發生滑動、錯位、張閉等非連續性行為,從而影響接觸壓力和摩擦力的重新分布[10]。因此在本文的模擬過程中采用接觸對算法來模擬樁土、墻土之間的相互作用,接觸表面間的相互作用包括垂直于接觸面和沿接觸面切向兩個方向的特性。

其法向作用通過建立硬接觸關系來模擬,即:當土體與結構接觸壓力大于0時,兩個接觸表面之間建立約束關系,當土體與連續墻之間的接觸壓力小于或等于0時,兩者之間約束關系解除[14-15]。

結構與土體之間切向相互作用采用修正的Coulomb模型描述,接觸面之間存在著粘結和切向滑動兩種狀態,即:

其中,τi為土體與連續墻之間切向應力分量,τcrit=max(μ p,C),μ為摩擦系數,p兩表面間的接觸壓力,C為土體與連續墻之間剪應力極值。

本文中按照Randolph和Wroth提出的經驗公式μ=sinφ×cosφ/(1+sin2φ)取值,其中 φ為土體的摩擦角[15]。

2 工程概況及地質條件

2.1 工程概況

港珠澳大橋珠海連接線工程是一座雙層整體式長隧道,其中海域段ZK1+940-ZK2+140標段地處富水軟土地層帶,地層軟弱松散、開挖易變形,沿線地理位置特殊,環保景觀要求高,施工控制困難?；娱_挖深度24.0 m,寬度18.5 m,隧道基坑圍護結構采用厚度為1.2 m的地下連續墻,基坑從上到下共設五道支撐,第一道支撐為1 m×1 m混凝土支撐,9米一間隔;第二道至第五道支撐為鋼支并撐,3米一間隔;同時在連續墻頂部設置截面采用1.2 m×1.0 m混凝土冠梁;坑底采用攪拌樁裙邊+抽條加固。地質剖面、主要尺寸及相關構筑物的位置關系如圖1所示。

2.2 地質條件

根據兩階段地質勘查報告,此區域內土層隧址區上部覆蓋層發育,且巖性在縱向上具有海相、海陸交互相、陸相多層結構,巖性條件較為復雜,隧道部分區段底板位于淤泥層或者下臥淤泥層,土質壓縮性大,不適合作為隧道底板的持力層。隧址主要地層及分布敘述如下:③-1層-淤泥及淤泥質土、③-2層-粉質粘土、③-3層-礫砂、④-2層-礫砂、⑤-2-礫質粘性土、⑥-1-全風化花崗巖,其土層力學參數詳見表1。

圖1 支護結構橫斷面設計圖(單位:m)

表1 土體及支護力學參數

3 數值模擬

3.1 計算模型及邊界條件

為了精確反映地表變形趨勢,數值計算模型在基坑外圍向外延伸100 m,深度方向沿坑底向下延伸100 m,模型尺寸為210 m×80 m×150 m。其分層情況如圖2所示。

地下連續墻是由間隔或連續澆注的鋼筋混凝土墻段組成,采用 4節點殼單元 S4單元,并采用conn3d2連接單元來模擬連續墻各分幅之間橫向力的有效傳遞。土體、旋噴加固體、工程樁及隧道主體結構均采用實體單元c3d8單元。冠梁、支撐等采用三維梁單元Beam31梁單元,整個模型共劃分49576個單元,56801個節點。

圖2 計算模型網格

此外,土層采用Mohr-Coulomb彈塑性模型,支護結構、工程樁、地下連續墻及主體結構采用線彈性本構模型。依據相關規范確定的材料物理力學參數見表1。

工程樁身與樁周土之間、連續墻與土體之間設置主從接觸關系,樁底與樁底土之間設置捆綁接觸,以此來模擬樁、連續墻與土體之間的相互作用。

計算過程中,除地表為自由面外,其余面均使用法向約束。

3.2 隧道施工仿真步驟

根據隧道設計施工方案,數值仿真荷載步如下:①“殺死”所有的支護結構單元,地應力平衡;施作旋噴地基加固、連續墻成槽,澆筑;②逐層移除土體單元并激活相應的內支撐單元,模擬開挖;③重復上述步驟,直到開挖至坑底;④逐層移除內支撐單元并激活隧道結構單元,模擬結構澆筑施工;⑤回填土至地表,拆除第一道支撐。

3.3 被動區加固方案

為了探討如何使得坑底以下土體加固能更好地控制圍護結構及土體位移變形,既能保證基坑安全,又能夠最大限度地節省工程造價。以下對裙邊+抽條加固這種加固方式的空間布置形式進行對比分析。

數值模擬中計算和分析的工況主要分兩大類:

數值模擬中研究工況主要分兩大類:

①基本工況:依據抽條加固體平面布置形式(條寬/間距)不同細分出各種加固工況,不同加固方案對比分析中所涉及變量及示意圖如圖3所示(a,b,c,d及L分別為裙邊加固深度、裙邊加固寬度、抽條加固深度、抽條加固寬度及抽條間距)。

②考慮工程樁加固工況:加固體剛度提高分坑底加固區土體剛度和工程樁的剛度(坑底工程樁也可以看作坑底的加固體)。以下依樁長H,樁徑D的不同細分出不同加固工況。

圖3 裙邊抽條加固空間布置示意圖(單位:mm)

4 計算結果分析

4.1 抽條加固平面布置形式對變形影響分析

基坑坑底加固密度是指基坑底部被加固的土體面積與總的基底面積的比值,文獻[2]中指出被動區土體的加固效果與布置形式、加固區的范圍以及置換率等因素有關?？紤]實際工程中的基坑被動區加固的具體施工情況,抽條加固深度小于裙邊加固深度,或者與裙邊加固保持同深度,即a≤c。本加固方案中取a=b=c=4 m,抽條布置形式設計兩大類工況:①抽條置換率變化,該工況中單因素考慮條寬(d)和間距(L)兩個變量,即兩者中只有一個變量保持不變;②抽條置換率保持不變,此工況中在固定的加固區段長度內,通過調整抽條的條寬和間距來實現抽條加固總量不變,二者變化相關聯。

4.1.1 抽條加固寬度對基坑變形的影響

置換率變化工況下抽條寬度對基坑變形的影響規律如圖4～圖5所示。從圖4、圖5中可以看出,不同加固條寬下基坑變形隨抽條寬度 d的變化規律一致,地表最大沉降及地下連續墻最大水平位移均隨d的增加而減小。隨著條寬d的增大,從抽條加固向滿堂加固的逼近的過程中,抽條加固的寬度不存在一個明顯的極限值,抽條加固的合理寬度要視工程施工和造價等具體情況而定。

圖4 不同抽條寬度下地表最大沉降量變化曲線

圖5 不同抽條寬度下連續墻最大側移變化曲線

4.1.2 抽條加固間距對基坑變形的影響

類比圖4、圖5中的抽條條寬d較小時各曲線豎向間隔變化規律可知,抽條這種狹長的條帶狀加固形式有一定影響范圍,當各條帶間距在較小范圍內時,不同條帶加固影響范圍有重合,從整個模型宏觀角度看,可將抽條加固等效為坑底土體的整體加固,表現為坑底復合土體的模量的提高,當各條帶間距較大時,抽條加固對基坑變形的影響僅限于其附近區域,對抽條之間的區間土影響效果甚微,整體作用效果不明顯,這一點值得重視。從圖6、圖7中各曲線斜率變化規律也可得出相同結論。

圖6 不同抽條間距下地表最大沉降量變化曲線

圖7 不同抽條間距下連續墻最大側移變化曲線

4.1.3 抽條加固置換率對基坑變形的影響

加固總量不變的不同工況計算結果見圖4和圖5,從左到右四個數據點表示抽條布置形式由細密向粗疏轉變。由圖4、圖5可知不同布置形式對位移控制影響不大。在置換率一定的情況下,加固效果與抽條的平面布置形式基本無關。從整個模型角度看,抽條加固力學模型可近似看作縱向間隔布置的暗撐,即為一維受壓的梁桿件,在基坑開挖過程中起到“預支撐”的作用。其受力與變形之間的關系主要與橫截面積(即抽條置換率)相關,與平面布置形式關系不大。加固的作用效果主要與抽條加固的置換率有關,置換率越大,加固效果越好。

4.2 工程樁對變形影響分析

前面的分析沒有考慮工程樁的存在,然而本工程隧道部分區段底板下臥淤泥層較厚,土質壓縮性大,需要重點考慮地基處理。為了能有效的控制工后沉降,針對本工程的場地地質特點、隧道結構特點,擬考慮嵌巖樁基處理方案,在隧道結構底部設置縱向間距9 m的樁基,樁基采用鉆孔灌注樁,樁底插入全風化巖。

由于坑底工程樁的存在可以看作坑底土體等效加固,結合本文位移控制研究內容,以下將通過樁加固不同加固工況(樁長H,樁徑D),來比較其對圍護結構變形和坑底土體回彈的影響規律。

4.2.1 工程樁對連續墻水平位移分析

從圖8中可以看出,開挖初期,由于連續墻內外土壓失衡程度較小且集中在墻體上部,兩種工況下連續墻側向位移差別不大,坑底工程樁的作用沒有得到凸顯,而后隨著開挖步的進行,兩者差別越來越明顯,開挖結束后,坑底有工程樁時,連續墻最大位移值為27.5mm,墻底部位移為23.4mm,坑底無樁加固時兩數值分別為33.0mm和30.9mm。

圖8 隧道開挖過程中連續墻水平位移對比

從圖8中還可發現,坑底有樁和無樁兩種工況下連續墻水平位移差別主要體現在坑底下部,并且兩者差別隨開挖步的進行越來越大,此外最大位移所在位置向下轉移的趨勢也由于工程樁的存在得到限制。這是由于在開挖過程中,工程樁對土體向下的摩擦力限制了土體回彈變形,從而約束了基坑坑底以下連續墻墻體的變形,此外工程樁加固可等效為坑底土體加固,樁加固及樁群之間的遮攔作用能在一定程度上提高所在淤泥土層的側向抗力[16],從而對連續墻側向約束作用增強。

4.2.2 工程樁對坑底變形影響分析

基坑開挖過程就是周圍土體應力應變狀態改變的過程,隨著開挖深度的加大,周圍土體將向基坑內部偏移,而坑底土主要表現為豎直方向應力釋放,因而基坑底部會出現向上回彈。

圖9 隧道開挖過程中坑底回彈量對比

由以上兩工況下基坑回彈對比圖9可知:當考慮工程樁影響時的坑底回彈變形曲線為波紋形,隆起曲線的波谷平臺段是工程樁所在的位置;由于樁土相互作用,樁體附近的土體的回彈變形較小,而樁與樁之間的土體回彈較大,而無工程樁時的坑底回彈曲線呈凸形。隨著基坑開挖深度的增加,地基回彈量逐漸增大,工程樁減小回彈的作用越明顯。

在第一步開挖時,兩種情況下底板的位移基本一致,而后隨著開挖步的進行,兩者的差別越來越突出,開挖步結束后,坑底無樁時,最大回彈量144 m,坑底有樁基時,最大回彈量為92.3mm,總體來看,回彈的減小幅度大約為34%～43%,由此可見基坑中的工程樁能顯著減小基坑底面的回彈。

4.2.3 工程樁樁長樁徑對比分析

針對本工程的場地地質特點,樁長變化范圍設置在全風化巖層以下比較合理,在群樁平面布置保持不變前提下,通過數值模擬結果對比可知:樁長,樁徑兩個變量對基坑回彈、連續墻水平位移和地表沉降的影響趨勢基本一致,但影響顯著程度不一。其中不同工況下基坑回彈對比圖如圖10所示,不同樁長前提下,基坑坑底回彈量隨樁長的增大而減小,并且在所比對的樁長變化范圍內曲線的斜率變化不大,表明擬考慮的樁長變化范圍內沒有臨界樁長。同時由圖10中曲線豎向間隔變化規律可知,回彈量隨著樁徑的增長而減小,但各曲線間隔量較小,說明增大截面尺寸效果不夠顯著,不能一味增大樁徑。因此,在同等密度的條件下,加大樁長比增大樁徑對坑底回彈量的控制效果要好得多。樁長樁徑值建議取用比較經濟合理。

圖10 不同樁長下坑底最大回彈變化曲線

此外從連續墻變形和地表沉降的變化規律可知,樁長對地表沉降的影響明顯大于樁徑;樁徑對連續墻水平位移的影響大于樁長。實際工程設計時需綜合考慮而加以選定。限于篇幅,本文不再一一列表詳述。

需要說明的是,坑底工程樁的間距及前面說到的工程樁的剛度主要是滿足上部結構要求而設置的,一般不會專門為減小地面沉降、坑底隆起等而設置,但對認識工程樁空間尺寸變化會引起地面沉降、坑底隆起等變形的影響規律是有幫助的。

5 結 論

(1)通過三維有限元模擬對裙邊加固不同工況下模型進行對比分析,結果表明:抽條加固的作用效果主要與置換率有關,置換率越大,加固效果越好;抽條加固不存在有效寬度問題,合理寬度要視工程施工和造價等具體情況而定,且這種條帶狀加固形式有一定影響范圍,為保證整體加固效果,抽條間距不宜過大,盡量保持在6 m范圍之內。

(2)通過多組算例驗證了坑底工程樁能顯著減小基坑底面回彈和圍護結構最大側移,并且隨著基坑開挖深度的增加,工程樁的約束作用越明顯。在相同基坑條件下,與無工程樁工況相比,總體回彈量的減小幅度大約為34%～43%。

(3)在本工程場地地質特點下,土體和圍護結構位移隨著樁長和樁徑的增長而減小,但增大截面尺寸效果不顯著,樁長加固顯著,但所取變化范圍內沒有臨界值。

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