淺談不同的坑底加固方式對(duì)深基坑變形影響

趙亞鵬

（山西省第三建筑工程公司山西長治　046500）

淺談不同的坑底加固方式對(duì)深基坑變形影響

趙亞鵬

（山西省第三建筑工程公司山西長治046500）

本文通過相關(guān)理論來計(jì)算模型，進(jìn)而分析出坑底加固對(duì)坑底隆起、對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的影響以及變形比較。

坑底加固；內(nèi)撐式深基坑；基坑變形；劍橋模型

1　引言

現(xiàn)今，基坑規(guī)模在城市建設(shè)中不斷增大，土方的開挖愈加的深，加大了對(duì)周圍環(huán)境安全以及基坑穩(wěn)定的影響，特別是軟土地區(qū)的基坑工程中，因?yàn)檐浲猎谝恍┑闹笜?biāo)很低，如：其內(nèi)摩擦角和粘聚力等力學(xué)，其狀態(tài)多為多呈半流塑或軟塑，要是無很適合的設(shè)計(jì)，就會(huì)使得周圍地面沉降及坑底隆起和圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移過大，對(duì)基坑的穩(wěn)定及其鄰近設(shè)施的正常使用以及安全造成影響。在軟土地區(qū)地下工程較為復(fù)雜時(shí)，開挖時(shí)的穩(wěn)定和變形控制是無法單靠圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐的措施的，所以基坑被動(dòng)區(qū)土體加固技術(shù)愈加的重要。實(shí)踐證明，加固坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體可以將基坑坑底土體的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行很好的改善，將地面沉降及坑底隆起、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移給減少的作用，將基坑穩(wěn)定性給提高。

2　相關(guān)理論

2.1修正劍橋模型

這篇文章土體采用修正劍橋模型，該模型采用了橢圓屈服面以及相適應(yīng)的流動(dòng)準(zhǔn)則，硬化參數(shù)為塑性體應(yīng)變。相適應(yīng)流動(dòng)規(guī)則：

修正劍橋模型的屈服軌跡方程：

2.2加坑加固原理

目前，基坑工程設(shè)計(jì)已由強(qiáng)度控制轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃慰刂?，若將坑底隆起和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形視為影響源、周邊土體位移視為影響傳播途徑，則控制基坑變形可從控制影響源和最大限度切斷位移的傳播途徑兩方面人手。實(shí)踐表明，采用被動(dòng)區(qū)加固可從源頭上有效控制基坑變形。

3　計(jì)算模型

3.1幾何模型

某基坑長30m，寬30m，開挖深度為15m；圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用0.8m厚地下連續(xù)墻，插人深度為12m；支撐截面尺寸為0.6m× 0.6m，支撐水平間距為6m，豎向間距為4m，共設(shè)3道水平支撐，支撐位置分別位于-2m，-6m和-10m;加固坑底土體采用旋噴樁。因?yàn)榛娱_挖影響寬度大概為開挖深度的3～4倍，影響深度約為開挖深度的2～4倍，故這篇文章所研究的基坑影響寬度和深度均取3倍的開挖深度，根據(jù)對(duì)稱性，取基坑1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，故模型計(jì)算范圍取為60m×60.8m×60m。

3.2物理參數(shù)

土體采用修正劍橋模型，各土層參數(shù)指標(biāo)見表1～2。圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐按線彈性材料考慮，密度ρ=2500kg/m3，彈性模量E= 25000MPa，泊松比μ=0.17。土體、加固體和地下連續(xù)墻采用三維實(shí)體單元C3D8：八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元；支撐采用三維梁單元B32：三結(jié)點(diǎn)二次空間梁單元。

表1　土層的物理力學(xué)參數(shù)

表2　土層的修正劍橋模型計(jì)算參數(shù)

3.3基本假定

（1）不考慮開挖前施工地下連續(xù)墻引起的土體原位應(yīng)力性狀的改變，假定土體的初始應(yīng)力為靜止土壓力。

（2）土的流變以及土體開挖的過程不進(jìn)行考慮。

（3）各土層以及地表為勻質(zhì)且均呈水平層狀的彈塑性材料。

3.4施工過程模擬

模擬基坑開挖流程：①分析計(jì)算范圍的內(nèi)土體進(jìn)行初始應(yīng)力；②地下連續(xù)墻施工，加固基坑坑底；③第1步開挖，深度為2m，對(duì)第1道支撐進(jìn)行設(shè)置；④第2步開挖，深度為4m，對(duì)第2道支撐進(jìn)行設(shè)置；⑤第3步開挖，深度為4m，對(duì)第3道支撐進(jìn)行設(shè)置；⑥第4步開挖，深度為5m，挖到坑底。

4　計(jì)算結(jié)果分析

土體加固的平面設(shè)計(jì)形狀可分為滿堂式、中空式、格柵式、抽條式、裙邊式和墩式。這篇文章分別對(duì)滿堂、裙邊、抽條、格柵等四種加固方式取不同加固深度為（15m+0m）（15m+2m），（15m+ 4m），（15m+6m），（15m+8m）的情況下對(duì)坑底隆起和圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的影響進(jìn)行分析，其平面形狀如圖1所示，其中裙邊加固寬度為4.5m；抽條和格柵加固寬度為2.5m，凈間距為3.0m。

4.1坑底加固對(duì)坑底隆起的影響

由圖2可知，對(duì)抑制坑底隆起的作用而言,坑底加固比較的顯著，坑底隆起與加固深度成反比。圖2（a）為滿堂加固對(duì)坑底隆起的影響，當(dāng)沒加固時(shí),12.24cm為坑底最大的隆起值，而加固深度為（15m+6m）的情況下，最大值為6.87cm，減小了43.9%，說明坑底滿堂加固可將坑底隆起值減少。圖2（b）為裙邊加固對(duì)坑底隆起的影響，裙邊加固可將加固寬度范圍內(nèi)的土體隆起值減少，而對(duì)加固范圍之外抑制坑底隆起的作用不是很大。圖2（c）為垂直于抽條加固方向的變形曲線，隆起形狀呈波浪形，加固體所在處為坑底土體隆起曲線的波谷，波峰在各加固體間。圖2（d）為平行于抽條加固方向的變形曲線，隆起曲線為凸形，坑底隆起在基坑中心最大。圖2（e）為格柵加固對(duì)坑底隆起的影響，大幅度的降低了基坑坑底的隆起度，隆起形狀呈波浪形，這是因加固體與坑底土體間有摩擦，會(huì)對(duì)坑內(nèi)土體的豎向位移變形造成變形；同時(shí)，加固體的存在將坑底土體的彈性模量加大了，從而降低了其整體坑底隆起度。

圖1　幾種加固體平面（單位：m）

圖2　不同加固深度的坑底隆起曲線

4.2坑底加固對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的影響

由圖3可知，開挖基坑到坑底后，沒有加固時(shí),最后一道支撐與坑底開挖面之間是最大側(cè)向位移位，32.68mm為圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移；在裙邊、抽條、滿堂及格柵加固深度為（15m+6m）的情況下，22.18～23.93mm為最大側(cè)向位移，減小了最大側(cè)向位移在26.8～32.1%，表明對(duì)抑制側(cè)向位移的作用而言，坑底加固比較的明顯，能將入土段連續(xù)墻的側(cè)向位移減少，對(duì)基坑最后一道支撐以上連續(xù)墻的側(cè)向位移沒多大影響。在一定加固深度范圍內(nèi)，側(cè)向位移與加固深度成反比，但超過一定范圍后，將加固深度繼續(xù)加大對(duì)最大側(cè)向位移的減少效果不大，而對(duì)坑底以下圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移有較大的影響。

4.3變形比較分析

比較基坑坑底加固深度為（15m+6m）的情況下，分析對(duì)不同加固方式對(duì)坑底隆起和圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)的位移的影響。

4.3.1四種不同加固方式對(duì)坑底隆起影響的比較

圖3　不同加固深度的側(cè)向位移曲線

在坑底加固體置換率為50%的情況下，最大坑底隆起值在裙邊、抽條加固分別為11.95cm及9.58cm，就最大坑底隆起值而言，抽條加固比裙邊加固減少了19.8%。表明加固體置換在相同的情況下，上抽條加固在抑制坑底最大隆起的效果比裙邊加固要更加的好。滿堂、裙邊、抽條、格柵等四種不同加固方式對(duì)能有效減小坑底最大隆起值分別為43.9%、2.0%、21.7%以及28.9%，表明由大到小來排列抑制坑底隆起作用，依次是滿堂、格柵、抽條、裙邊加固，裙邊加固能夠?qū)庸虒挾确秶畠?nèi)的土體隆起值進(jìn)行有效的減少。

4.3.2四種不同加固方式對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移影響的比較

基坑坑底滿堂、裙邊、抽條、格柵等四種加固方式能有效的分別能減小最大側(cè)向位移為32.1%，26.8%，29.4%，31.1%，表明四種不同加固方式低最大側(cè)向位移的抑制效果都差不多。所以，以控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移為主要目的被動(dòng)區(qū)土體加固對(duì)選裙邊加固進(jìn)行優(yōu)選，該法能夠?qū)p小環(huán)境影響以及基坑安全要求有保障的基礎(chǔ)上，將造價(jià)給降低。

5　結(jié)束語

采用坑底加固在軟土地區(qū)內(nèi)撐式深基坑內(nèi)能有將基坑變形給有效的減小，這個(gè)篇文章使用了ABAQUS來建立三維有限元模型，分別從基坑坑底滿堂、裙邊、抽條、格柵等四種不同加固方式分析了坑底隆起和圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的影響，進(jìn)而得知，對(duì)上述四種不同加固方式進(jìn)行依次排列為滿堂、格柵、抽條以及裙邊加固；而在抑制圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的效果方面，四者間差不多。以控制最大側(cè)向位移為主要目的能對(duì)裙邊加固進(jìn)行優(yōu)選，以控制基坑變形為主要目的者應(yīng)選抽條加固，選擇格柵或滿堂加固能夠達(dá)到更好的結(jié)果。所以，根據(jù)基坑變形控制要求以及不同地質(zhì)條件，對(duì)加固方式進(jìn)行合理的選擇，不但能夠使得基坑安全并與環(huán)境相符合的要求，還可將造價(jià)降低。

[1]賈堅(jiān).土體加固技術(shù)在基坑開挖工程中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007，3（1）：132～137.

[2]秦愛芳，胡中雄，彭世娟.上海軟土地區(qū)受卸荷影響的基坑工程被動(dòng)區(qū)土體加固深度研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30（6）：935～940.

[3]蔣建平.深基坑坑底加固體的剛度效應(yīng)研究[J].工程力學(xué)，2011，28（6）：130～140.

TU753

A

1673-0038（2015）48-0005-02

2015-11-14

趙亞鵬（1977-），男，工程師，二級(jí)建造師，畢業(yè)于呂梁高等專科學(xué)校，城鎮(zhèn)建設(shè)專業(yè)，主要從事建筑工程技術(shù)管理工作。