深厚淤泥层泵站基坑被动区加固深度及宽度研究.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER372第 39 卷第 8 期0 引言在排涝泵站深基坑支护设计中，由于场地多位于河湖交汇软土淤积地带，地下水位高，且分布有深厚的淤泥质软土地层，地质条件极为特殊，为满足工程建设基坑的安全稳定和变形控制标准，常采用基坑被动区搅拌桩或高压旋喷桩加固的方式，改善该地区软土的物理力学性质，提升被动区抗力和减小围护桩变形1。目前关于被动区加固的研究主要集中在加固区对围护桩周边岩土变形影响2-3、加固土力学参数优化4-5、加固体有效宽度及深度范围6-8、加固体布置形式9和加固土土压力计算10等方面。金河口泵站 1971 年基本建成投入运行，距今已有 51a。泵站机组运行能耗高，运行效率低，工程效益得不到充分发挥。主体结构破损老化，设施变形锈蚀，止水渗漏，存在安全隐患。同时排深厚淤泥层泵站基坑被动区加固深度及宽度研究梁永涛（深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518000）摘要：排涝泵站深基坑支护设计中，由于场地多位于河湖交汇软土淤积地带，常分布有深厚的淤泥质软土，地质条件极为特殊。为满足工程基坑的安全稳定和变形控制标准，常采用基坑被动区加固的方式提升被动区抗力和减小围护桩变形。重建泵站工程基础位于深厚淤泥质粉质黏土层中，针对深厚软土地层的物理力学性质差、变形难以控制等问题，采用双排悬臂桩+被动区加固的支护组合，并通过 PLAXIS 有限元分析软件建立桩土数值模型，对被动区加固的深度和宽度范围进行探究。关键词：泵站深基坑；被动区加固；PLAXIS 有限元；变形控制中图分类号：TU992.25文献标识码：A文章编号：1006-3951(2023)08-0372-06DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2023.08.088Research on Reinforcement Depth and Width of the Passive Zone in Deep Mud Layer Pump Station Foundation PitLIANG Yong-tao(Shenzhen Water Planning and Design Institute Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,China)Abstract:The deep foundation pit support of the drainage pump station is often located in the soft soil siltation zone at the confluence of rivers and lakes,and there is often thick muddy soft soil distributed,resulting in extremely special geological conditions.To meet the safety,stability,and deformation control standards of engineering foundation pits,reinforcement of the passive zone of the foundation pit is often used to enhance the resistance of the passive zone and reduce the deformation of the retaining piles.The foundation of the reconstruction pump station project is located in a deep silty clay layer.In response to the problems of poor physical and mechanical properties and difficult deformation control of deep soft soil layers,this paper adopts a support combination of double row cantilever piles and passive zone reinforcement.And a pile soil numerical model is established using PLAXIS finite element analysis software to explore the depth and width range of passive zone reinforcement.Key words:pump station deep foundation pit;passive area reinforcement;plaxis finite element;deformation control收稿日期：2023-03-24作者简介：梁永涛（1988-），男，山西运城人，工程师，主要从事水利水电岩土工程设计等工作。*梁永涛 深厚淤泥层泵站基坑被动区加固深度及宽度研究373灌站的运用指标无法达到设计标准，工程存在严重安全问题，需降低标准应用或报废重建。泵站重建工程基础底位于淤泥质粉质黏土 2-1 层中。淤泥质粉质黏土层呈软塑-流塑状态，呈高压缩性，承载力低，易产生较大沉降和不均匀沉降，亟需采用被动区加固措施提升基坑安全稳定性。以泵站重建工程基坑支护为研究背景，针对深厚软土地层的变形不稳定控制，应用水泥土搅拌桩进行有效加固，并采用 PLAXIS 有限元建立桩土数值模型，对被动区加固的有效深度宽度进行探究，以期提出适用于该工程的被动区加固有效深度、宽度。1 拟建场地工程地质条件1.1 地形地貌拟建场地地貌单元属长江冲积平原。场地地形起伏较小，堤顶道路一般高程为 11.90 m。排灌前池，最低高程 2.23 m。场地整体地势四周较高，为大堤堤身，中部低，为排灌前池，最大高差9.67 m。1.2 区域地质构造为区域新构造运动，具有鲜明节奏性与振荡性，以断块运动为主，升降运动也有所反映；运动的强度和幅度存在着明显的差异性；对早期的构造具有明显的继承性。新构造运动可分为西北部含山中等隆起区和东部沿江微弱沉降区。区域地震活动的强度、频度相对比较低，属中弱发震区，和县地震动峰值加速度分区为 0.05 g，地震基本烈度属度区，属于低烈度区。地震活动不频繁，也不强烈。1.3 地层岩性参数工程区场地的表层分布人工填土，以下依次为第四系全新统冲积形成的粉质黏土、淤泥质粉质黏土、砂砾石层及白垩系砂岩组成。拟建工程上部分布有厚度不一的填土、淤泥质土，其中（0-1）层压实填土，稍密状；（0-2a）层素填土，主要由可塑状一般黏性土组成，结构松散，力学性质呈各向异性，分布不均匀；（2-1）层软流塑状淤泥质土均属软土范畴，强度低、自稳性能差，当构筑物位于其上时，应当对其进行加固。据本工程勘察钻探、原位测试、室内岩土试验结合本地区基坑设计施工经验，基坑支护设计及有限元数值模拟参数见表 1。表 1 岩土体计算参数表层号 土层名称天然重度/（kN/m3）渗透系数/（cm/s）抗剪强度指标KvKhCk/kPak/0-1压实填土20.02.1910-62.3510-640110-2a素填土18.92.8010-63.2910-615100-2b杂填土20.09.110-29.110-28301-1粉质黏土18.61.8510-62.1310-630102-1淤泥质粉质黏土18.11.9810-62.3310-61283-1粉土19.81.30710-51.62910-512201.4 水文地质条件该工程对基坑构成危害的地下水主要是孔隙潜水和孔隙承压水。孔隙潜水存在于杂填土（0-2b）、素填土（0-2a）、淤泥质粉质黏土（2-1）。由于处于水面以下，排干池水后，孔隙潜水量较大，存在基坑涌水问题。同时，该层水从基坑侧壁渗出时易产生渗透变形、软化坑内土体，使坑壁失稳。孔隙承压水位于粉细砂（4-1）层，该层水主要受长江补给，水位基本与长江水位相同，区域承压水受季节性枯水、丰水期的影响，有较大的变化幅度，场地水文地质条件较复杂。2 基坑工程支护概况2.1 工程概况及基坑周边环境金河口泵站位于和城东 3.5 km 和县二级江堤之上，为得胜河流域骨干控制工程，主要由节制闸和电力排灌站组成。受益面积 45104亩，跨和县、含山两县 10 个乡镇，圩区 16.6104亩，丘陵区 28.4104亩，实际受益面积有太阳河流域，姥下河流域和牛屯河流域。该工程始建于 1968 年10 月，1971 年基本建成并投入运行。金河口电力排灌站为堤前式排灌结合站，现状安装立式轴流泵 12 台套，装机总容量 2 160 kW，灌溉、排涝设计流量 30 m3/s。工程建设内容包括：前池堤防加固工程、进水池及泵站主体工程、抗排涵闸工程 3座等，金河口泵站建设范围约 25 000 m2，预估设计排涝流量 48 m3/s，规模为中型，泵站等级为等，对应的主要建筑物级别为 3 级，次要建筑物374云南水力发电2023 年第 8 期级别为 4 级。金河口泵站位于和县东侧，距和县5 km，得胜河与长江交叉口处。同前金河口泵站拆除重建规模增加，考虑到施工期较长，需要原泵站在新泵站建设期间保证得胜河流域能应对汛期的排涝需求和旱季灌溉需求。泵站建筑物布置最终采用堤后式布置。根据拟建场区地形图和实地勘察，场地地形起伏较小，堤顶道路一般高程为 11.90 m，现状前池最低高程 2.23 m。场地整体地势四周较高，最大高差约9.67 m。2.2 基坑安全等级判定泵站的结构与基坑支护单独设计。泵站区域位于现状泵房前池中部，现状池底高程约 2 5m，施工前将场地填筑至5 m高程，作为机械施工平台。以新建泵站灌溉前池基坑为例，支护结构兼做永久岸墙，墙顶设计高程为 6.40 m，挡墙与堤顶路采用 1 4.7 岸坡衔接，堤顶高程为 11.80 m，基坑底部标高为-2.60 m，基坑开挖深度约 14.40 m，开挖影响范围内土层从上至下分别为粉质黏土、淤泥质粉质黏土（厚 11.80 m）、粉土、粉细砂，依据 JGJ120-2012建筑基坑支护技术规程，该工程泵房基坑支护安全等级定为一级。2.3 基坑工程支护方案拟建泵站现状地面标高约 2 5 m。基坑长约70.24 m，宽约 49 m，基坑形状为矩形，基坑开挖面积约为 3 441.76 m2，基坑底部标高为-2.60 m，基坑开挖深度约 14.40 m。开挖影响范围内土层从上至下分别为粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉土、粉细砂。泵站灌溉前池翼墙基坑采用桩墙支护方案。其中钢筋混凝土悬臂式挡墙高 3.4 m，底板宽约5.95 m；挡墙下部采用双排桩支护方案11，前后排均采用1 000 mm1 400 mm 灌注桩，灌注桩长 19 m，前后排桩间连梁、灌注桩冠梁与钢筋混凝土挡墙底板浇筑为厚 0.8 m 整体结构底板。桩面设置 200 mm 厚 C30 钢筋混凝土挂板，挂板与桩面植筋连接。同时前排桩间采用700 mm550 mm搅拌桩止水。考虑到基坑底部有较厚的淤泥质粉质黏土层和粉土层，故采用600 mm450 mm 水泥搅拌桩格栅对基坑底 7 m 范围内的土体进行被动区加固。3 基坑变形稳定性计算及评价现结合场地工程地质特性和基坑支护选型应用，对新建泵站基坑支护体系变形进行计算分析。3.1 桩基分析与评价拟建泵站翼墙建基面高程-2.40 m，根据工程地质剖面前池基底位于淤泥质粉质黏土（2-1）层中。淤泥质粉质黏土（2-1）层呈软塑-流塑状态，呈高压缩性，承载力低，易产生较大沉降和不均匀沉降。本次对淤泥质粉质黏土（2-1）层进行加固处理，采用复合地基处理方案，采用水泥土搅拌桩处理方案，加固深度暂按穿透淤泥层 1.5 m 控制，根据本次勘察结果，设计所需各地层的桩周土侧阻力标准值 qsik及桩端阻力标准值 qpk，按表 2数值使用。表 2 桩基础设计参数取值表岩土地层水泥土搅拌桩钻孔灌注桩桩侧土摩阻力特征值qsia/kPa桩端土端阻力特征值qpa/kPa桩侧土摩阻力特征值qsik/kPa桩端土端阻力特征值qpk/kPa（0-1）压实填土17-61（0-2a）素填土12-48（0-2b）杂填土14-67（1-1）粉质黏土15-58（2-1）淤泥质粉质黏土97038（3-1）粉土2017049500（10 h 15）650（15 h 30）（4-1）粉细砂23200551050（15 h 30）梁永涛 深厚淤泥层泵站基坑被动区加固深度及宽度研究3753.2 基坑变形稳定计算与评价基坑稳定计算断面选取最不利地质钻孔及基坑深度进行验算，计算软件采用理正深基坑 7.5 版本，对新建泵站基坑进行计算结果。由计算结果可知，在现支护方案下，基坑支护桩水平变形主要呈现倾倒式变形特征，基坑开挖至基底时支护桩水平位移最大值为 85.26 mm，基坑支护桩水平弯矩的最大正弯矩和最大负弯矩分 别 为 2 111.30 kNm1 351.34 kNm，弯 矩呈现出上拉下压的分布特征；支护桩水平剪力的最大正剪力和最大负剪力分别为 469.56 kN、-844.90 kN。整体上随着基坑开挖深度的增加，支护桩水平位移、剪力和弯矩绝对值均呈现出随深度增加的特性，变形和内力最大值主要出现在基坑开挖面附近。基坑地表沉降形态主要呈现三角形或漏斗形，地表沉降最大变形主要在 43 87 mm范围。同时，经验算本基坑整体稳定安全系数为1.741.35；抗倾覆安全系数为 1.511.25，可知基坑抗倾覆、整体稳定、变形均满足规范要求，基坑设计方案有效可行。4 基坑被动区加固深度数值模拟在基坑变形稳定分析评价的基础上，根据实际工程背景建立基坑支护有限元数值模型，拟对基坑变形及受力情况和被动区加固有效深度宽度进行模拟研究。4.1 有限元模型建立如图 1 所示，为本案例有限元计算模型，模型边界约束采用软件默认边界条件，基底边界 ux=uy=0，两侧边界 ux=0。模型计算范围考虑基坑深度的 3 4 倍，计算模型尺寸大小为200 m60 m。所有土体均采用 HS 硬化土模型，支护桩采用板单元等效代替，支护桩和土层的接触效应采用界面单元模拟，界面强度折减因子均取为 0.7。4.2 基坑模拟结果分析如图 2 和图 3 所示，为基坑开挖至基底时基坑水平位移云图和竖直位移云图，可以看出基坑水平位移主要分布在基坑临空区域，这是因为基坑支护采用悬臂双排桩，开挖侧无内支撑，导致出现一定的变形，由模拟结果可知基坑水平位移最大值为 93.86 mm，支护桩最大水平位移为 73.87 mm，基坑支护桩水平弯矩的最大正弯矩和最大负弯矩图 1 有限元数值模型网格划分图?图 2 基坑水平位移云图?图 3 基坑竖直位移云图 分 别 为 1 668.6 kNm 1 005.34 kNm，与 理正深基坑软件计算结果接近，前后排双排桩均呈倾倒式变形特性（见图 4），随着基坑开挖越深变形越大。在基坑开挖至基底时，由于巨大的卸荷效应和土体内外压差导致基坑周边出现一定的沉降，沉降在地表主要呈漏斗形态，沉降值约为49.52 mm，同时基坑底部出现一定的隆起变形。4.3 基坑被动区加固体有效深度及宽度本案例基坑采用 9 m7 m 的矩形被动区裙边加固形式，经过以上计算可知基坑采用目前的支护方案后变形都在规范允许范围内，因此很有必376云南水力发电2023 年第 8 期要分析被动区加固体是否存在优化的空间，在满足基坑变形控制的同时，保证造价经济合理。为此，采用两种方案优化加固范围，方案一：固定加固宽度 9 m，加固体深度依次取 0 m、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m；方 案 二：以方案一最优加固深度为固定加固深度，加固体宽 度 依 次 取 0 m、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m；最终以每个模型支护桩水平位移最大值和基坑周边沉降最大值表征加固效果有效性，计算结果如图 5、图 6 所示。?图 4 基坑支护桩水平、弯矩位移图?图 5 不同加固深度下基坑变形最大值图显著，当加固体深度在 5 9 m 范围时，变形减小幅度不再明显，已经趋于一定界限值，说明此时再增加固体深度已经对基坑变形的控制作用不够明显，因此对于该工程而言在考虑基坑变形控制且经济合理的同时，较为适宜的加固体深度应取 5 m，此时基坑变形能够满足规范标准，且造价相对较低。同理对于加固体宽度而言，当加固体宽度在 0 6 m 范围时，变形减小幅度显著，当加固体宽度在 6 9 m 范围时，变形减小幅度不再明显，较为适宜的加固体宽度应取 6 m。5 结束语以泵站重建工程基坑支护为研究背景，针对?图 6 不同加固宽度下基坑变形最大值图可以看出随着加固体深度和宽度的增加，支护桩水平位移和地表沉降均呈现线性递减趋势，当加固体深度在 0 5 m 范围时，变形减小幅度梁永涛 深厚淤泥层泵站基坑被动区加固深度及宽度研究377深厚淤泥质软土地层采用悬臂双排桩+被动区加固的组合支护，基坑变形控制合理，得到主要结论如下。1）在现行支护方案下，随着基坑开挖深度的增加支护桩水平位移、剪力和弯矩绝对值均呈现出增加特性，变形和内力最大值主要出现在基坑开挖面附近。基坑整体稳定安全系数为 1.741.35；抗倾覆安全系数为 1.511.25，可知基坑抗倾覆、整体稳定、变形均满足规范要求，基坑设计方案有效可行。2）被动区加固体存在优化空间，随着加固体深度的增加支护桩水平位移和地表沉降均呈现线性递减趋势，对于该工程而言在考虑基坑变形控制的同时且经济合理，较为适宜的加固体深度应取 5 m，此时基坑变形能够满足规范标准，且造价相对较低。3）在固定最优加固深度 5 m 条件下，较为适宜的加固体宽度应取 6 m。4）建议后期结合基坑监测试验和原位试验对于加固体的变形控制范围进行反分析研究，对结论的科学性进行有效验证。参考文献：1程博，严平，龚新辉，等.被动区加固对软土基坑支护影响的探讨J.低温建筑技术，2016，38（1）:100-101.2王永锋，杜军，王利民，等.基坑被动区加固对基坑支护体系变形和桩后土体沉降的影响J.华南地震，2021，41（4）:121-127.3邵晨晨.软土地区基坑被动区加固成桩质量对围护变形控制的影响分析J.中国建材科技，2021，30（4）:102-104.4胡科，崔泽恒，邓涛，等.武汉软土深基坑被动区加固参数优化分析J.安全与环境工程，2022，29（6）:42-53.5刘续，于沉香，凌飞，等.基坑被动区拱形加固布置的拓扑优化及数值分析J.人民长江，2015，46（21）:88-92.6郑俊杰，章荣军，丁烈云，等.基坑被动区加固的位移控制效果及参数分析J.岩石力学与工程学报，2010，29（5）:1042-1051.7魏祥，杜金龙，杨敏.被动区加固对基坑外桩基础的变形影响分析J.岩土工程学报，2008，30（S1）:37-40.8金晓波.软土基坑被动区加固处理的研究D.昆明：昆明理工大学，2008.9昌郑，林婵，林剑锋，等.基坑被动区阶梯式加固对基坑变形的影响J.广东土木与建筑，2022，29（2）:36-41.10檀昆.坑中坑加固条件下的被动土压力计算及基坑变形性状研究D.合肥：合肥工业大学，2021.11袁晓刚，王平峰，颜凡新.高水位深基坑渗漏及立柱桩沉降原因分析与处理J.云南水力发电，2021，37（10）:92-95.