粉砂地層基坑注漿加固效果數(shù)值模擬研究

陳 明

(安徽三洲水利建設(shè)有限公司,安徽 宿州 234000)

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展,地下空間的高速發(fā)展與利用已然成為一個(gè)重要的研究內(nèi)容?；庸こ淌谴笮凸I(yè)以及民用建筑等重要的組成部分。但實(shí)際基坑在開挖過程中會(huì)面臨許多問題,如基坑處于富水地帶,巖土體的物理力學(xué)強(qiáng)度較低,開挖基坑極有可能會(huì)導(dǎo)致基坑大變形及失穩(wěn),造成重大的工程事故。因此實(shí)際工程中,通常對基坑底部進(jìn)行加固處理,加固后的基坑,一方面可以提高巖土體的力學(xué)強(qiáng)度,另一方面可以防治地下水滲流。李志鵬等[1]采用數(shù)值模擬手段研究了某車站基坑斷層帶注漿加固效果。結(jié)果表明,注漿加固技術(shù)可以有效的對基坑進(jìn)行加固處理,相比于注漿加固前,其最大水平位移和地表累計(jì)沉降量減小了50%以上,滿足工程要求。此外,注漿后,基坑底部區(qū)域內(nèi)以及基坑外塑性區(qū)范圍明顯減小。潘世強(qiáng)和鄧俊[2]基于某實(shí)際深基坑工程,研究了富水砂卵石層深基坑近接建筑物安全施工控制技術(shù)。結(jié)果表明,采用注漿加固技術(shù)能有效地減小基坑施工對建筑物的影響,基坑開挖結(jié)束時(shí)建筑物最大沉降值僅為8 mm滿足規(guī)范的安全性要求。李享松等[3]基于現(xiàn)場注漿試驗(yàn)和室內(nèi)有限元數(shù)值模擬,研究了富水砂卵石地層注漿參數(shù)優(yōu)化問題。結(jié)果表明,富水地層采用水灰比最優(yōu)取值應(yīng)為0.8～1.0,水玻璃濃度應(yīng)控制在40波美度左右。此外,注漿孔間距宜控制在1.8 m左右。夏夢然等[4]基于有限元模擬,研究了深基坑基底注漿加固效果。結(jié)果表明,軟土地基采用注漿加固技術(shù)科滿足工程需要。此外,加固后可有效減小地連墻的側(cè)向變形和地表沉降。胡奇凡等[5]采用現(xiàn)場試驗(yàn)研究了超高壓旋噴注漿法在卵石地層的應(yīng)用。結(jié)果表明,超高壓旋噴注漿技術(shù)在超深富水卵礫石地層中合理有效的,并且可以作為超深富水卵礫石地層加固加以推廣。本文基于安徽合肥市某深基坑工程,采用數(shù)值模擬研究了注漿加固的效果。本文研究可為相似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

某泵站基坑位于安徽省合肥市,屬于典型的富水基坑,地下水位較淺,土體滲透性較大,基坑開挖過程中多次發(fā)生了涌水問題。

本文以基坑某段為研究對象(圖1)。基坑開挖深度為18 m,地連墻厚度為0.8 m?；觾?nèi)共有3道支撐。為了控制基坑變形,采用注漿加固技術(shù)進(jìn)行加固。選用高壓旋噴注漿聯(lián)合雙液注漿技術(shù)。加固范圍主要為坑底2-7m范圍。

圖1 基坑剖面圖

2 數(shù)值模擬

2.1 模型及計(jì)算參數(shù)

為研究注漿加固效果及基坑變形特征,本文采用FLAC建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算分析(圖2)。模型的具體尺寸見圖2所示。模型的邊界條件為:底部為全約束,側(cè)面為約束側(cè)向位移,頂部為自由邊界。地下水在地表以下3 m位置。

圖2 數(shù)值模型圖

圖3 地連墻位移曲線

圖4 坑外地表變形曲線

參考既有研究,本文做了一些簡化,其中巖土體的本構(gòu)模型為理想的摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)。地連墻簡化為各向同性的線彈性體材料?？紤]施工因素,對混凝土彈性模量進(jìn)行折減,取值為25 Gpa,

地下連續(xù)墻則視為線彈性體,原設(shè)計(jì)地下連續(xù)墻和混凝土內(nèi)支撐均采用C30 號(hào)混凝土,考慮施工因素對混凝土的影響,對其彈性模量進(jìn)行折減,彈性模量取為24 GPa,泊松比取0.2,容重取為25 kN/m3。

數(shù)值模擬中巖土體的物理力學(xué)參數(shù)主要根據(jù)現(xiàn)場鉆孔資料取樣的室內(nèi)土工試驗(yàn)獲取得到。具體的巖土體力學(xué)指標(biāo)以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)分別匯總于表1和表2中。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

2.2 計(jì)算工況

在基坑開挖前,清零初始位移場和速度場。基坑開挖步驟共設(shè)置7個(gè)步驟,分別為:第一步,賦予材料參數(shù)及給定邊界條件;第二步,施加地連墻工程;第三步,坑底注漿加固;第四步,開挖基坑至-1 m,施加第一道支撐;第五步,降低地下水,開挖至-8 m,施加第二道支撐;第六步,基坑開挖至-14 m,施加第三道支撐;第七步,基坑開挖至-18 m。

3 結(jié)果與分析

3.1 地連墻位移特征

圖5為基坑開挖過程中,不同階段地連墻典型監(jiān)測點(diǎn)的水平位移的模擬值和實(shí)測值對比曲線。結(jié)果表明,隨著基坑開挖深度的增大,地連墻水平位移增大,基坑開挖結(jié)束時(shí),水平位移最大值模擬結(jié)果為22 mm,實(shí)測結(jié)果為20.6 mm。此外,施工過程中,地連墻位移主要集中在深度為10 m的位置處,因此實(shí)際工程中應(yīng)對該段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和保護(hù)。模擬值和實(shí)測值結(jié)果表明,地連墻的變形呈現(xiàn)出兩頭小中間大的分布規(guī)律。這也表明,地連墻在嵌固范圍內(nèi)發(fā)揮了良好的加固作用。

圖5 不同加固手段下坑外地表變形曲線

3.2 坑外地表位移

圖6為基坑開挖過程中,不同施工階段,坑外地表沉降變形的實(shí)測值和模擬值,結(jié)果表明,實(shí)測值和模擬值變化規(guī)律基本一致,均呈現(xiàn)出先增大后減小的拋物線規(guī)律,當(dāng)基坑開挖至坑底時(shí),沉降變形最大值為15 mm,沉降位置出現(xiàn)在距坑壁8 m位置處。當(dāng)沉降達(dá)到最大值時(shí),隨著距地連墻距離的增大,沉降值迅速減小?；娱_挖對坑外影響范圍主要集中于1倍開挖深度范圍。

圖6 不同加固手段下地連墻水平位移曲線

綜上所述,通過地連墻側(cè)向位移和坑外沉降變形的模擬值與實(shí)測值對比發(fā)現(xiàn),模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果趨勢完全一致,兩者的相對誤差君主15%之內(nèi)。表明本文數(shù)值模擬的可靠性。

4 注漿加固效果對比

4.1 坑外地表位移

圖7為注漿加固前后坑外地表沉降變形曲線。結(jié)果表明,隨距離的增大,地表沉降表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢。加固后地表沉降明顯小于加固前地表沉降值,且均表現(xiàn)出凹槽狀。3種不同的加固工況,沉降最大值均發(fā)生在距坑壁10 m以內(nèi)范圍。此外,圖7表明,未注漿加固對地表沉降的影響范圍比注漿加固后的范圍更大,這主要是由于未注漿加固導(dǎo)致坑外地下水向坑內(nèi)滲水,導(dǎo)致基坑底部有效應(yīng)力減小;注漿加固后,土體的模量增大,強(qiáng)度明顯增大。

4.2 地連墻水平位移對比

圖8為注漿加固前后地連墻水平位移變化曲線。結(jié)果表明,地連墻的水平位移均呈拋物線形式,最大位移出現(xiàn)在12 m位置,且注漿加固會(huì)大大減小地連墻的水平位移。加固土體彈性模量分別為50 MPa、100 MPa和200 MPa工況下,地連墻最大水平位移為27 mm、24 mm和22 mm,最大水平位移減小了55%～65%。此外,在基坑深度為10～25 m時(shí),加固前后地連墻水平位移相差比較大,這主要是由于該處基坑開挖深度較深,墻兩側(cè)的壓力差較大,而加固后土體的強(qiáng)度增大,能夠較好的抑制坑底隆起變形。而未加固的基坑土體強(qiáng)度較差,不能較好的約束地連墻變形,導(dǎo)致發(fā)生“踢腳破壞”。因此實(shí)際工程中應(yīng)對坑底進(jìn)行注漿加固處理。

5 結(jié)語

(1)基坑開挖過程中,坑內(nèi)地下水位線迅速降低,而坑外保持不變,證明施工過程中所采用的地連墻止水效果良好,可以阻止坑外地下水向坑內(nèi)滲流。

(2)基坑開挖過程中,坑外地表最大沉降點(diǎn)在距坑壁10m左右范圍內(nèi),開挖的影響范圍為1倍開挖深度。此外,采用注漿加固可以顯著的減小坑外地表沉降變形。

(3)地連墻的水平位移表現(xiàn)出中間大,兩端小的拋物線形態(tài),且地連墻位移隨開挖深度增大而增大,最大位移出現(xiàn)在12 m位置。注漿加固后地連墻的水平位移大大減小,當(dāng)加固土體彈性模量分別為50 MPa、100 MPa和200 MPa工況下,地連墻最大水平位移為27 mm、24 mm和22 mm,最大水平位移減小60%左右。