被动区土体加固对深基坑变形影响的研究

康志军, 谭 勇，邓 刚, 卫 彬

(1.同济大学a.地下建筑与工程系；b.岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；2.四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，成都 611130；3.中铁二院工程集团有限责任公司 华东勘察设计有限责任公司，上海 200023)

被动区土体加固对深基坑变形影响的研究

康志军1a,1b, 谭 勇1a,1b，邓 刚2, 卫 彬3

(1.同济大学a.地下建筑与工程系；b.岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；2.四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，成都 611130；3.中铁二院工程集团有限责任公司 华东勘察设计有限责任公司，上海 200023)

被动区土体加固能有效地控制基坑开挖引起的变形、保护基坑周边环境，在实际工程中得到广泛的应用。对上海软土地区某地铁车站深基坑工程进行数值模拟，系统地研究了不同土体加固形式对基坑变形的影响。研究结果表明：该工程采取的坑底加固措施使得基坑变形满足变形控制标准；增大土体加固的深度能显著地减小围护结构侧向位移、地表沉降和坑底隆起；而过度地增大加固土体的割线模量E50ref对控制基坑变形的效果甚微；在同等条件下，满堂加固控制基坑变形的能力明显优于裙边加固。

软土地区；深基坑；被动区土体加固；基坑变形；割线模量； 满堂加固； 裙边加固

1 研究背景

软土地区的地铁车站基坑往往开挖深度和开挖面积都较大，开挖卸载将不可避免地引起周围地层变形，如若对其控制不当，将对周边环境造成严重影响。数值模拟已经成为研究基坑变形的重要手段[1-2]。

实际工程中，通过对被动区土体进行加固，以提高土体承载力和基坑抗变形能力，能达到控制基坑过大变形的目的[3-4]。陈兴年等[5]分析了被动加固和主动加固的变形控制原理和设计思路；贾坚[6]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[7]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[8]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[9]利用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[10]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[11]利用FLAC3D研究了基坑加固的作用，但其采用的土体本构模型不能反映土体卸载模量，且文中缺少数值模拟结果与现场实测数据的拟合对比，数值模型的合理性有待验证。

本文运用有限元软件PLAXIS，针对上海软土地区某地铁深基坑开挖进行精细化的数值模拟，系统地研究了被动区不同土体加固形式对基坑变形的影响，并进一步对比了满堂加固和裙边加固的加固效果，讨论了比较合理的土体加固方案。

2 工程概况及有限元模型

本文的研究背景为上海软土地区某地铁深基坑工程[12]。基坑平面尺寸为290 m×20 m，端头井和中间标准段的最大开挖深度He分别为16 m和18 m，基坑安全等级为二级。本基坑采取“地下连续墙+4道钢支撑”的支护结构形式，支护结构详细设计参数见表1，中间标准段基坑支护结构剖面如图1所示。本基坑采用明挖顺作法施工，施工周期较长，开挖范围内有深厚的淤泥质黏土层，为控制基坑开挖引起的变形，在坑底以下3 m范围内采取压密注浆加固措施，要求加固土体28 d后的无侧限抗压强度qu≥1.2 MPa。本文基于中间标准段横断面建立二维有限元数值模型，如图2所示。

图1 中间标准段基坑支护结构剖面图Fig.1 Profile of braced excavation at centralstandard segment

图2 有限元模型网格Fig.2 Meshes of the finite element model

土层名称层底标高/mγ/(kN·m-3)c′/kPaφ′/(°)ψ/(°)K0E50ref/MPaEoedref/MPaEurref/MPamRinter素填土-219．5102100．641012400．80．3粉质黏土-518．4152500．6067300．80．4淤泥质黏土-1619．2122000．6645240．80．4粉质黏土-2818．7162700．5556280．80．4粉细砂1-3819．243520．431620800．50．4粉细砂2-7019．534030．3620301000．50．4加固土体—20．0504000．4040401600．50．4

注：γ为土体重度；c′为有效黏聚力;φ′为有效内摩擦角;ψ为剪胀角;K0为静止侧压力系数;E50ref为割线模量;Eoedref为切线模量;Eurref为卸载再加载模量;m为幂指数;Rinter为刚度折减系数。后续章节中的加固土体参数有：E50ref=Eoedref，Eurref=4E50ref

模型边界尺寸为120 m×80 m，地下连续墙与模型左右边界的距离取50 m，>3倍开挖深度，坑底以下的土层厚度取64 m，为4倍开挖深度。土体采用能考虑开挖条件下土体卸载模量的硬化土模型(Hardening-Soil)，主要土体性质参数参考文献[12]中的地质勘探报告，部分性质参数参考文献[13]，加固土体的性质参数参考文献[14]，如表2所示。地下连续墙采用板单元模拟，并设置接触面单元(Goodman单元)模拟土体与结构的相互作用，内支撑采用锚杆单元模拟，各结构单元的EA和EI根据表1中的尺寸计算得到，其中，混凝土结构的弹性模量E取3×104MPa、钢结构的E取2×105MPa。

3 有限元计算值与实测值对比

图3、图4分别为围护结构侧向位移和地表沉降的有限元计算值与实测值对比，基坑变形实测数据来自文献[12]，其中测点1，2位于中间标准段跨中位置，地连墙变形特点符合平面应变原理。

图3 两种开挖深度的围护结构侧向位移Fig.3 Lateral wall deflections at two excavation depths

图4 开挖至坑底时的地表沉降Fig.4 Ground settlement at final excavation depth

可以看到：①当开挖深度H分别为12 m和16 m时，围护结构侧向位移的有限元计算结果与测点1和测点2的实测数据的吻合程度较好；②地表沉降的实测值差别较大，这是由于实测值选取自多个沉降监测断面、实测数据有一定的离散性，但有限元计算值均落在实测值的统计范围之内，且接近实测值的平均值。这表明有限元模型的参数选取合理，可基于有限元验证模型进一步研究坑底土体加固对基坑变形的影响。

4 对比工况分析

在验证模型的基础上，选取坑底加固土体的割线模量E50ref分别为20，30，40，50，60 MPa，坑底加固深度分别为1，2，3，4 m，坑底无加固措施，共建立21个基坑模型，系统地研究坑底不同土体加固形式对基坑变形的影响。

4.1 对围护结构侧向位移的影响

图5为坑底不同土体加固形式对应的开挖至坑底时围护结构侧向位移曲线。从图5(a)可知，土体加固能有效地控制围护结构侧向位移，并迫使最大侧向位移所在深度上移至开挖面以上，当加固土体的E50ref达到一定强度时，增大E50ref对围护结构侧向变形的影响甚微：E50ref取20，30，40，50，60 MPa时，开挖至坑底时围护结构最大侧向位移分别为28.2，25.5，23.6，22.2，21.2 mm。从图5(b)可知，随土体加固深度的增大，围护结构最大侧移逐渐上移至开挖面以上，围护结构最大侧向位移也明显减小：加固深度取0，1，2，3，4 m时，对应的围护结构最大侧向位移分别为46.5，35.8，28.2，23.6，21.7 mm。

图5 土体不同加固形式对应的围护结构侧向位移Fig.5 Lateral deflections of supporting structure indifferent reinforcement cases

图6为不同土体加固形式开挖至坑底时围护结构的最大侧向位移。当坑底未采取加固措施时，围护结构最大侧向位移接近二级基坑的变形控制标准48mm(δhm≤0.30He)；随着加固土体的E50ref和土体加固深度的增加，围护结构最大侧向位移能达到一级基坑的变形控制标准22.5mm(δhm≤0.14He)。

图6 土体不同加固形式的围护结构最大侧向位移Fig.6 Maximum lateral deflections of supportingstructure in different reinforcement cases

4.2 对地表沉降的影响

图7为不同土体加固形式对应的开挖至坑底时地表沉降曲线。可知，坑底土体加固能有效地限制墙后地表沉降的发展，当加固土体的E50ref达到一定强度时，增大E50ref对地表沉降的影响甚微：E50ref取20，30，40，50，60 MPa时，最大地表沉降分别为30.1，29.2，28.3，27.8，27.1 mm。随土体加固深度的增大，主要沉降影响范围也相应减小，且最大地表沉降明显减小：加固深度取0，1，2，3，4 m时，对应的最大地表沉降分别为35.9，30.1，25.0，21.3，18.7 mm。当坑底未采取加固措施时，最大地表沉降不满足二级基坑的变形控制标准32 mm(δvm≤0.20He)。

图7 土体不同加固形式对应的地表沉降Fig.7 Ground settlements in differentreinforcement cases

4.3 对坑底隆起的影响

图8为不同土体加固形式对应的开挖至坑底时坑底隆起曲线。可以看到，坑底土体加固能有效地限制坑底土体回弹，且坑底隆起由马鞍形的塑性回弹变形过渡为拱形的弹性回弹变形，增大加固土体的E50ref对限制坑底隆起的作用不明显。随土体加固深度的增加，坑底最大隆起量明显减小：加固深度取0，1，2，3，4 m时，对应的基坑中部最大隆起量分别为10.3，9.1，8.2，6.9，5.8 cm。

图8 土体不同加固深度对应的坑底隆起Fig.8 Bottom upheavals in different reinforcement cases

5 满堂加固与裙边加固对比

为比较满堂加固和裙边加固对控制基坑变形的效果，建立有限元模型对照组进行数值模拟，设置有限元模型沿长度方向的加固土体的体积相同，具体参数见表3。

表3 满堂加固与裙边加固有限元模型信息对比

满堂加固和裙边加固对应的围护结构侧向位移、地表沉降、坑底隆起如图9所示。可以看到：在加固土体E50ref=40 MPa条件下，满堂加固A，B对应的基坑变形小于裙边加固A，B的变形值。满堂加固A，B的围护结构最大侧向位移分别为28.2，23.6 mm，分别小于裙边加固A，B对应的35.0，30.2 mm；满堂加固A，B的最大地表沉降分别为22.6，18.3 mm，分别小于裙边加固A，B对应的26.3，22.6 mm。裙边加固能较好地限制邻近围护结构的土体回弹，但对于基坑中部的坑底隆起的控制能力较差：满堂加固A，B的坑底最大隆起为7.7和6.3 cm，明显小于裙边加固A，B对应的10.7和9.7 cm。

图9 4种加固方案对应的围护结构侧向位移、地表沉降及坑底隆起Fig.9 Lateral deflections, ground settlements andbottom upheavals in four different reinforcement cases

根据以上分析可得出如下结论：在加固成本相同的情况下(加固土体的体积相同)，满堂加固控制基坑变形的能力明显强于裙边加固。

6 结 论

本文针对上海某地铁深基坑进行精细化的有限元数值模拟，系统地研究了坑底被动区土体加固对基坑变形的影响，得出以下结论。

(1) 工程采取的坑底3 m范围内压密注浆土体加固措施有效地控制了基坑变形：围护结构最大侧移、最大地表沉降均满足二级基坑的变形控制标准；未采取加固措施的有限元计算结果不满足变形控制标准。

(2) 随土体加固深度的增大，围护结构侧向变形显著减小，且最大侧向位移点逐渐上移至开挖面以上，地表沉降的主要影响范围也逐渐减小，坑底隆起由马鞍形的塑性回弹变形逐渐过渡为拱形的弹性回弹变形。

(3) 当加固土体的割线模量E50ref达到一定强度时，增大加固土体的E50ref对控制基坑变形的影响甚微。在实际工程中，盲目地加大水泥掺入比将造成严重的浪费。

(4) 在土体加固范围相同的条件下，满堂加固控制基坑变形的能力明显强于裙边加固。在实际工程中，宜优先考虑坑底满堂加固措施。

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(编辑：陈 敏)

Impact of Soil Reinforcement in Passive Zone onthe Deformation Behaviors of Deep Excavation

KANG Zhi-jun1,2, TAN Yong1,2, DENG Gang3, WEI Bin4

(1.Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China; 3.Highway Planning, Survey, Design and Research Institute, Department of Transport of Sichuan Province, Chengdu 611130, China; 4.East China Survey and Design Company Limited, China Railway Eryuan Engineering Group, Shanghai 200023, China)

The deformation behaviors of deep excavation and its adverse impact on surrounding environment could be effectively controlled by reinforcement in the passive zone which is widely applied in actual projects. With a deep excavation for the metro station in Shanghai soft soil area as research background, the impact of reinforcement in passive zone on excavation-induced deformation was investigated by numerical simulations. Results showed that by reinforcement in passive zone, the magnitude of deformations could meet control requirements. With the increase of reinforced depth, deformations such as lateral wall deflection, ground settlement and bottom upheaval could be effectively controlled; but excessive improvement on the magnitude ofE50reffor reinforced soil had little impact. The effect of controlling excavation deformation by reinforcement of entire basal soil is obviously superior to that by reinforcement along the diaphragm wall under equal condition.

soft soil; deep excavation; soil reinforcement in passive zone; excavation deformation; secant modulus; reinforcement of entire basal soil； reinforcement along diaphragm wall

2016-03-08；

2016-04-21

国家“973”重点基础研究发展计划资助项目(2015CB057800)

康志军(1991-)，男，四川凉山人，硕士研究生，主要从事基坑工程与隧道工程的设计和研究,(电话)18801790817(电子信箱)demfemgeo@163.com。

10.11988/ckyyb.20160195

2017,34(6):119-123

TU447

A

1001-5485(2017)06-0119-05