港珠澳大橋拱北隧道海域段基坑被動(dòng)區(qū)加固方案優(yōu)化研究

佘海洋,朱珍德

(1.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gè)由圍護(hù)結(jié)構(gòu)、地基土、地下水共同組成的復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng),僅側(cè)重圍護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度控制難以滿足其對(duì)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(qū)的深基坑工程在開挖過程中常常會(huì)出現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大的現(xiàn)象。目前設(shè)計(jì)理念已明顯地由強(qiáng)度控制轉(zhuǎn)化為變形控制[2-4]。工程中由于坑底被動(dòng)區(qū)土體加固和已有工程樁加固能夠改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)被動(dòng)區(qū)土層的力學(xué)性能,進(jìn)而減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、側(cè)向位移、地面沉降及坑底隆起,所以目前基坑坑底被動(dòng)區(qū)土體加固來提高被動(dòng)區(qū)土抗力是一種經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)措施[5-6]。

對(duì)被動(dòng)區(qū)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(qū)域范圍深度與支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的關(guān)系、加固區(qū)域范圍寬度與支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的關(guān)系、加固區(qū)域剛度與支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的關(guān)系。簡(jiǎn)浩等[8]對(duì)擋墻坑內(nèi)加固體進(jìn)行了受力分析,探討了對(duì)加固作用產(chǎn)生影響的主要因素,研究了加固體對(duì)基坑變形的空間作用,并提出在上海地區(qū),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(jiān)[9]分析歸納了土體加固技術(shù)在基坑開挖工程中的應(yīng)用條件、工藝特點(diǎn)及加固設(shè)計(jì)形式。水偉厚等[10]對(duì)抗壓樁在基坑回彈情況下產(chǎn)生的受力影響進(jìn)行了分析:文獻(xiàn)[11]對(duì)深基坑開挖過程中的單樁和群樁受力進(jìn)行了三維軟件模擬,并對(duì)世博地下變電站工程樁進(jìn)行了數(shù)值分析。

目前所得試驗(yàn)結(jié)果無法形成一個(gè)體系,如何合理評(píng)價(jià)被動(dòng)區(qū)加固范圍和形式對(duì)基坑變形的控制效果還不太明確,基坑土體加固設(shè)計(jì)尚無定量的理論設(shè)計(jì)計(jì)算方法,一般按經(jīng)驗(yàn)方法確定加固土體的范圍和對(duì)加固體的強(qiáng)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(jì)算軟件ABAQUS對(duì)隧道基坑的開挖和支護(hù)過程進(jìn)行數(shù)值仿真,在考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(duì)基坑和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響,并對(duì)工程樁樁長(zhǎng)和樁徑進(jìn)行單因素分析,力求在確保結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上,最大限度降低工程造價(jià),對(duì)基坑坑內(nèi)加固合理設(shè)計(jì)施工具有一定的指導(dǎo)意義。

1 接觸面計(jì)算模型

深基坑工程中,對(duì)于土體與結(jié)構(gòu)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(shí)際工程中,由于結(jié)構(gòu)和土體的剛度差異較大,接觸面上可能發(fā)生滑動(dòng)、錯(cuò)位、張閉等非連續(xù)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(duì)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(gè)方向的特性。

其法向作用通過建立硬接觸關(guān)系來模擬,即:當(dāng)土體與結(jié)構(gòu)接觸壓力大于0時(shí),兩個(gè)接觸表面之間建立約束關(guān)系,當(dāng)土體與連續(xù)墻之間的接觸壓力小于或等于0時(shí),兩者之間約束關(guān)系解除[14-15]。

結(jié)構(gòu)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(jié)和切向滑動(dòng)兩種狀態(tài),即:

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

本文中按照Randolph和Wroth提出的經(jīng)驗(yàn)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(zhì)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(zhǎng)隧道,其中海域段ZK1+940-ZK2+140標(biāo)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(huán)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(hù)結(jié)構(gòu)采用厚度為1.2 m的地下連續(xù)墻,基坑從上到下共設(shè)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(shí)在連續(xù)墻頂部設(shè)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(zhì)剖面、主要尺寸及相關(guān)構(gòu)筑物的位置關(guān)系如圖1所示。

2.2 地質(zhì)條件

根據(jù)兩階段地質(zhì)勘查報(bào)告,此區(qū)域內(nèi)土層隧址區(qū)上部覆蓋層發(fā)育,且?guī)r性在縱向上具有海相、海陸交互相、陸相多層結(jié)構(gòu),巖性條件較為復(fù)雜,隧道部分區(qū)段底板位于淤泥層或者下臥淤泥層,土質(zhì)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(zhì)土、③-2層-粉質(zhì)粘土、③-3層-礫砂、④-2層-礫砂、⑤-2-礫質(zhì)粘性土、⑥-1-全風(fēng)化花崗巖,其土層力學(xué)參數(shù)詳見表1。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面設(shè)計(jì)圖(單位:m)

表1 土體及支護(hù)力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型及邊界條件

為了精確反映地表變形趨勢(shì),數(shù)值計(jì)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(xù)墻是由間隔或連續(xù)澆注的鋼筋混凝土墻段組成,采用 4節(jié)點(diǎn)殼單元 S4單元,并采用conn3d2連接單元來模擬連續(xù)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(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元c3d8單元。冠梁、支撐等采用三維梁?jiǎn)卧狟eam31梁?jiǎn)卧?整個(gè)模型共劃分49576個(gè)單元,56801個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 計(jì)算模型網(wǎng)格

此外,土層采用Mohr-Coulomb彈塑性模型,支護(hù)結(jié)構(gòu)、工程樁、地下連續(xù)墻及主體結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型。依據(jù)相關(guān)規(guī)范確定的材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

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

計(jì)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(jù)隧道設(shè)計(jì)施工方案,數(shù)值仿真荷載步如下:①“殺死”所有的支護(hù)結(jié)構(gòu)單元,地應(yīng)力平衡;施作旋噴地基加固、連續(xù)墻成槽,澆筑;②逐層移除土體單元并激活相應(yīng)的內(nèi)支撐單元,模擬開挖;③重復(fù)上述步驟,直到開挖至坑底;④逐層移除內(nèi)支撐單元并激活隧道結(jié)構(gòu)單元,模擬結(jié)構(gòu)澆筑施工;⑤回填土至地表,拆除第一道支撐。

3.3 被動(dòng)區(qū)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(hù)結(jié)構(gòu)及土體位移變形,既能保證基坑安全,又能夠最大限度地節(jié)省工程造價(jià)。以下對(duì)裙邊+抽條加固這種加固方式的空間布置形式進(jìn)行對(duì)比分析。

數(shù)值模擬中計(jì)算和分析的工況主要分兩大類:

數(shù)值模擬中研究工況主要分兩大類:

①基本工況:依據(jù)抽條加固體平面布置形式(條寬/間距)不同細(xì)分出各種加固工況,不同加固方案對(duì)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(qū)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(zhǎng)H,樁徑D的不同細(xì)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(jì)算結(jié)果分析

4.1 抽條加固平面布置形式對(duì)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(xiàn)[2]中指出被動(dòng)區(qū)土體的加固效果與布置形式、加固區(qū)的范圍以及置換率等因素有關(guān)?？紤]實(shí)際工程中的基坑被動(dòng)區(qū)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(shè)計(jì)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(gè)變量,即兩者中只有一個(gè)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(qū)段長(zhǎng)度內(nèi),通過調(diào)整抽條的條寬和間距來實(shí)現(xiàn)抽條加固總量不變,二者變化相關(guān)聯(lián)。

4.1.1 抽條加固寬度對(duì)基坑變形的影響

置換率變化工況下抽條寬度對(duì)基坑變形的影響規(guī)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(guī)律一致,地表最大沉降及地下連續(xù)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(gè)明顯的極限值,抽條加固的合理寬度要視工程施工和造價(jià)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(xù)墻最大側(cè)移變化曲線

4.1.2 抽條加固間距對(duì)基坑變形的影響

類比圖4、圖5中的抽條條寬d較小時(shí)各曲線豎向間隔變化規(guī)律可知,抽條這種狹長(zhǎng)的條帶狀加固形式有一定影響范圍,當(dāng)各條帶間距在較小范圍內(nèi)時(shí),不同條帶加固影響范圍有重合,從整個(gè)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(xiàn)為坑底復(fù)合土體的模量的提高,當(dāng)各條帶間距較大時(shí),抽條加固對(duì)基坑變形的影響僅限于其附近區(qū)域,對(duì)抽條之間的區(qū)間土影響效果甚微,整體作用效果不明顯,這一點(diǎn)值得重視。從圖6、圖7中各曲線斜率變化規(guī)律也可得出相同結(jié)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(xù)墻最大側(cè)移變化曲線

4.1.3 抽條加固置換率對(duì)基坑變形的影響

加固總量不變的不同工況計(jì)算結(jié)果見圖4和圖5,從左到右四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)表示抽條布置形式由細(xì)密向粗疏轉(zhuǎn)變。由圖4、圖5可知不同布置形式對(duì)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(guān)。從整個(gè)模型角度看,抽條加固力學(xué)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(yù)支撐”的作用。其受力與變形之間的關(guān)系主要與橫截面積(即抽條置換率)相關(guān),與平面布置形式關(guān)系不大。加固的作用效果主要與抽條加固的置換率有關(guān),置換率越大,加固效果越好。

4.2 工程樁對(duì)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(qū)段底板下臥淤泥層較厚,土質(zhì)壓縮性大,需要重點(diǎn)考慮地基處理。為了能有效的控制工后沉降,針對(duì)本工程的場(chǎng)地地質(zhì)特點(diǎn)、隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn),擬考慮嵌巖樁基處理方案,在隧道結(jié)構(gòu)底部設(shè)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(fēng)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(jié)合本文位移控制研究?jī)?nèi)容,以下將通過樁加固不同加固工況(樁長(zhǎng)H,樁徑D),來比較其對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和坑底土體回彈的影響規(guī)律。

4.2.1 工程樁對(duì)連續(xù)墻水平位移分析

從圖8中可以看出,開挖初期,由于連續(xù)墻內(nèi)外土壓失衡程度較小且集中在墻體上部,兩種工況下連續(xù)墻側(cè)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(jìn)行,兩者差別越來越明顯,開挖結(jié)束后,坑底有工程樁時(shí),連續(xù)墻最大位移值為27.5mm,墻底部位移為23.4mm,坑底無樁加固時(shí)兩數(shù)值分別為33.0mm和30.9mm。

圖8 隧道開挖過程中連續(xù)墻水平位移對(duì)比

從圖8中還可發(fā)現(xiàn),坑底有樁和無樁兩種工況下連續(xù)墻水平位移差別主要體現(xiàn)在坑底下部,并且兩者差別隨開挖步的進(jìn)行越來越大,此外最大位移所在位置向下轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)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(duì)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(xù)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(cè)向抗力[16],從而對(duì)連續(xù)墻側(cè)向約束作用增強(qiáng)。

4.2.2 工程樁對(duì)坑底變形影響分析

基坑開挖過程就是周圍土體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)改變的過程,隨著開挖深度的加大,周圍土體將向基坑內(nèi)部偏移,而坑底土主要表現(xiàn)為豎直方向應(yīng)力釋放,因而基坑底部會(huì)出現(xiàn)向上回彈。

圖9 隧道開挖過程中坑底回彈量對(duì)比

由以上兩工況下基坑回彈對(duì)比圖9可知:當(dāng)考慮工程樁影響時(shí)的坑底回彈變形曲線為波紋形,隆起曲線的波谷平臺(tái)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(shí)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(shí),兩種情況下底板的位移基本一致,而后隨著開挖步的進(jìn)行,兩者的差別越來越突出,開挖步結(jié)束后,坑底無樁時(shí),最大回彈量144 m,坑底有樁基時(shí),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(zhǎng)樁徑對(duì)比分析

針對(duì)本工程的場(chǎng)地地質(zhì)特點(diǎn),樁長(zhǎng)變化范圍設(shè)置在全風(fēng)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(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比可知:樁長(zhǎng),樁徑兩個(gè)變量對(duì)基坑回彈、連續(xù)墻水平位移和地表沉降的影響趨勢(shì)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(duì)比圖如圖10所示,不同樁長(zhǎng)前提下,基坑坑底回彈量隨樁長(zhǎng)的增大而減小,并且在所比對(duì)的樁長(zhǎng)變化范圍內(nèi)曲線的斜率變化不大,表明擬考慮的樁長(zhǎng)變化范圍內(nèi)沒有臨界樁長(zhǎng)。同時(shí)由圖10中曲線豎向間隔變化規(guī)律可知,回彈量隨著樁徑的增長(zhǎng)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(zhǎng)比增大樁徑對(duì)坑底回彈量的控制效果要好得多。樁長(zhǎng)樁徑值建議取用比較經(jīng)濟(jì)合理。

圖10 不同樁長(zhǎng)下坑底最大回彈變化曲線

此外從連續(xù)墻變形和地表沉降的變化規(guī)律可知,樁長(zhǎng)對(duì)地表沉降的影響明顯大于樁徑;樁徑對(duì)連續(xù)墻水平位移的影響大于樁長(zhǎng)。實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)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(jié)構(gòu)要求而設(shè)置的,一般不會(huì)專門為減小地面沉降、坑底隆起等而設(shè)置,但對(duì)認(rèn)識(shí)工程樁空間尺寸變化會(huì)引起地面沉降、坑底隆起等變形的影響規(guī)律是有幫助的。

5 結(jié) 論

(1)通過三維有限元模擬對(duì)裙邊加固不同工況下模型進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明:抽條加固的作用效果主要與置換率有關(guān),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(jià)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(nèi)。

(2)通過多組算例驗(yàn)證了坑底工程樁能顯著減小基坑底面回彈和圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)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(chǎng)地地質(zhì)特點(diǎn)下,土體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移隨著樁長(zhǎng)和樁徑的增長(zhǎng)而減小,但增大截面尺寸效果不顯著,樁長(zhǎng)加固顯著,但所取變化范圍內(nèi)沒有臨界值。

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