坑中坑土體加固對(duì)懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響分析

江 杰，胡 何，馮 野，馬少坤，劉 瑩,1b

(1.廣西大學(xué) a.土木建筑工程學(xué)院；b.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004；2.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

坑中坑土體加固對(duì)懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響分析

江 杰1a,1b,2，胡 何1a，馮 野1a，馬少坤1a,1b,2，劉 瑩1a,1b

(1.廣西大學(xué) a.土木建筑工程學(xué)院；b.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004；2.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

基坑工程中常采用土體加固措施來(lái)減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移。為了探討坑中坑土體加固對(duì)懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，利用ABAQUS有限元軟件，建立坑中坑土體加固的彈塑性計(jì)算模型，討論加固深寬、寬度、加固剛度、加固體位置、加固體尺寸對(duì)內(nèi)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。計(jì)算結(jié)果表明：被動(dòng)區(qū)加固寬度、深度、剛度都存在一個(gè)最優(yōu)范圍，超過(guò)該范圍之后，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)加固效果不再明顯；在坑中坑類型的基坑中，外坑被動(dòng)區(qū)階梯型加固能達(dá)到全尺寸加固的效果，因此經(jīng)濟(jì)上更加合理；當(dāng)各階梯加固的深度和寬度相等時(shí)，加固效果較好。研究結(jié)果可為坑中坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)際工程的應(yīng)用提供參考。

坑中坑；懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)；被動(dòng)區(qū)加固；ABAQUS有限元軟件；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；階梯加固

1 研究背景

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，越來(lái)越多的深基坑工程開始涌現(xiàn)?？紤]到建筑電梯井、盾構(gòu)始發(fā)井、船塢水泵房及地鐵車站等構(gòu)筑物的需求，基坑內(nèi)部經(jīng)常需要進(jìn)行二次甚至多次開挖，坑中坑的開挖必然改變外坑施工形成的二次應(yīng)力場(chǎng)，使應(yīng)力重新分布，影響基坑的穩(wěn)定性，對(duì)基坑安全造成不利影響。而現(xiàn)有的基坑工程規(guī)范及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中都沒有提到坑中坑問(wèn)題，忽略坑中坑問(wèn)題也導(dǎo)致了一些基坑工程事故[1-2]。

申明亮等[3]對(duì)坑中坑式基坑應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了參數(shù)分析，定義了坑趾系數(shù)、深度比、面積比、插入比，并研究了以上4種參數(shù)對(duì)坑中坑應(yīng)力場(chǎng)的影響。豐土根等[4]研究了坑中坑開挖對(duì)懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響?；糗妿浀萚5]通過(guò)離心試驗(yàn)，分析了內(nèi)、外坑開挖的相互影響，并進(jìn)行了平面尺寸效應(yīng)的數(shù)值計(jì)算分析。熊忠華[6]、鄭俊星等[7]則對(duì)坑中坑抗隆起穩(wěn)定性做了研究，得出了一些有意義的結(jié)論。現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)坑中坑的研究大多集中在內(nèi)、外坑之間的相互影響上，少有對(duì)坑中坑土體加固展開研究。實(shí)際上，在許多軟土基坑中，對(duì)坑底土體加固能很好地改善和提高坑底土體的物理力學(xué)性質(zhì)，從而達(dá)到控制基坑變形和減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移的作用。對(duì)于沒有內(nèi)坑的基坑加固問(wèn)題，屈若楓等[8]、鄭俊杰等[9]，侯新宇等[10]都做了一些研究工作。但是對(duì)于坑中坑類型的基坑，對(duì)外坑被動(dòng)區(qū)加固相當(dāng)于對(duì)內(nèi)坑主動(dòng)區(qū)加固，杜金龍等[11]指出，對(duì)主動(dòng)區(qū)加固不當(dāng)，加固體會(huì)對(duì)鄰近樁基產(chǎn)生不利影響。

本文將在前人研究的基礎(chǔ)上，采用平面彈塑性有限元模型對(duì)坑中坑工程進(jìn)行整體建模分析，模擬基坑、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和加固體三者間的相互作用，探討土體加固深度、寬度、加固強(qiáng)度等對(duì)坑中坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，從而為實(shí)際工程提供指導(dǎo)。

2 工程概況及模型建立

該工程位于廣西南寧市青秀區(qū)河堤路91號(hào)，工程擬在青秀山西面興建13棟住宅樓。其中一棟住宅樓基坑總體呈長(zhǎng)方形分布，東西向長(zhǎng)約72 m，南北向?qū)捈s30 m，基坑內(nèi)開挖電梯井，寬度為6 m，落深為4 m。基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，對(duì)基坑變形控制要求較高，設(shè)計(jì)單位要求基坑開挖完畢后，外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移值要<40 mm，計(jì)算模型如圖1。

計(jì)算采用ABAQUS有限元軟件，該軟件對(duì)巖土工程類問(wèn)題有很強(qiáng)的適用性。運(yùn)用常用的Mohr-Coulomb模型進(jìn)行彈塑性分析。各土層力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表1。

圖2 外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)(鉆孔灌注樁)側(cè)向位移曲線Fig.2 Lateral displacement of retaining structure of outer pit(bored concrete pile)

基坑開挖分6個(gè)步驟： ①開挖外坑至-2m；②開挖至-4m；③開挖至-6m；④開挖至-8m；⑤開挖內(nèi)坑至-10m；⑥開挖至-12m。

當(dāng)基坑不作加固處理，不同開挖步完成后，外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著開挖深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移也相應(yīng)增大。外坑開挖完畢時(shí)，外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移為40.7mm，內(nèi)坑開挖完畢時(shí)，外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移為48.3mm，超出設(shè)計(jì)單位提出的控制要求，需要采取加固措施減小其側(cè)向位移。

圖3 攪拌樁地基加固示意圖Fig.3 Sketch of foundation reinforced by mixing pile

3 計(jì)算結(jié)果分析

目前基坑設(shè)計(jì)中，一般采用水泥土攪拌樁對(duì)基坑被動(dòng)區(qū)進(jìn)行加固，試驗(yàn)結(jié)果表明[13]，攪拌法形成的水泥土加固體的黏聚力比天然土大10～20倍，內(nèi)摩擦角增大1倍左右。攪拌樁地基加固如圖3所示。本文水泥土加固體彈性模量取100 MPa，黏聚力和內(nèi)摩擦角取相應(yīng)土體的10倍和2倍。對(duì)坑中坑加固計(jì)算分析包含加固深度、加固寬度、加固強(qiáng)度、加固位置以及加固形狀對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

3.1 加固尺寸的影響

圖4為不同加固尺寸的內(nèi)、外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移曲線。

圖4 不同加固尺寸對(duì)外坑和內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu) 側(cè)向位移的影響Fig.4 Curves of soil reinforcement size vs. lateral displacement of retaining structures of outer and inner pits

從圖4(a)可以看出，加固寬度為1，2 m時(shí)，拐點(diǎn)在2 m位置，加固寬度增大,拐點(diǎn)也相應(yīng)增大;但是加固寬度為7，8 m時(shí)，曲線接近，說(shuō)明此時(shí)，加固寬度的增加，對(duì)減小外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形效果已不明顯。對(duì)減小外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移而言，本算例最優(yōu)的加固寬度為7 m，加固深度為6 m。

在坑中坑工程中，對(duì)外坑被動(dòng)區(qū)加固相當(dāng)于對(duì)內(nèi)坑主動(dòng)區(qū)加固。圖4(b)繪出了不同加固寬度和深度條件下，內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移曲線。從圖4(b)中可知，無(wú)論加固寬度是多大，加固深度<4 m時(shí)，內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移非但沒有減小，反而增大了，而當(dāng)加固深度>4 m后，內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移逐漸減小，加固深度7 m時(shí)，內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移值最小。這一結(jié)果表明，內(nèi)坑主動(dòng)區(qū)加固存在一個(gè)界限深度，當(dāng)加固深度小于該界限深度時(shí)，加固體會(huì)對(duì)內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，只有當(dāng)加固體大于界限深度時(shí)才會(huì)對(duì)內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)起有利作用。同時(shí)，加固寬度分別為7 m和8 m時(shí)，曲線很接近，說(shuō)明對(duì)本算例的內(nèi)坑而言，最優(yōu)加固寬度也為7 m。

界限加固深度可能是因：當(dāng)加固體深度較小時(shí)，加固體類似于一個(gè)剛性的懸浮體，其嵌入土體深度不足，它并不足以抵擋外坑開挖后，外坑土體相對(duì)內(nèi)坑的移動(dòng)，反而加固體產(chǎn)生較大的剛性擠壓力，加大對(duì)內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，導(dǎo)致內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形增大。

3.2 加固體位置的影響

圖5為不同加固體位置的內(nèi)、外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移曲線。

圖5 加固體位置對(duì)外坑和內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的影響Fig.5 Influence of soil reinforcement position on lateral displacement of retaining structures of outer and inner pits

前面分析了加固寬度、深度對(duì)坑中坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。但要充分發(fā)揮單位體積加固體的作用，還必須研究基坑不同位置的加固可能會(huì)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的影響。前面分析中可知，當(dāng)加固體寬度、深度均≥4 m時(shí)，對(duì)外坑、內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的減小都是有利的。因此，取加固體寬度和深度為4 m，而加固體與外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離d分別為0，1，2，3，4，8 m進(jìn)行比較分析。

從圖5(a)可以看出，當(dāng)加固體靠近樁基時(shí)，加固體最能發(fā)揮作用，此時(shí)，外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移最小，當(dāng)加固體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離增大時(shí)，加固體作用開始減小，當(dāng)加固體與外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相距4 m(約1/3內(nèi)、外坑間距)時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況幾乎與未加固時(shí)一樣，當(dāng)加固體與外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相距8 m時(shí)，外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移比未加固時(shí)的側(cè)向位移還要有輕微增大，這是因?yàn)榧庸腆w離內(nèi)坑較近時(shí)，會(huì)對(duì)內(nèi)坑產(chǎn)生不利影響，使內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)傾斜，外坑被動(dòng)區(qū)土體也向內(nèi)坑移動(dòng)，因而導(dǎo)致外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移增大。

從圖5(b)可以看出，加固體位置靠近內(nèi)坑時(shí)，內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移會(huì)增大；當(dāng)加固體與內(nèi)坑距離較遠(yuǎn)時(shí)，加固體位置對(duì)內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響不大。說(shuō)明在實(shí)際工程中，一定要盡量將加固位置靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)處，此時(shí)能最大限度地發(fā)揮加固體的作用。

3.3 加固體剛度的影響

圖6為不同加固體彈性模量下內(nèi)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移曲線。

圖6 加固體彈性模量對(duì)外坑和內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu) 側(cè)向位移的影響Fig.6 Influence of elastic modulus of soil reinforcement body on lateral displacement of outer and inner pits

加固剛度是指加固體本身抵抗變形的能力。對(duì)于水泥土加固體，加固剛度是一個(gè)重要指標(biāo)。數(shù)值分析中，通過(guò)設(shè)置不同的彈性模量來(lái)體現(xiàn)加固剛度的大小。

當(dāng)外坑被動(dòng)區(qū)加固寬度為5 m，深度為6 m時(shí)，圖6(a)和圖6(b)分別表示加固體彈性模量對(duì)外坑和內(nèi)坑支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的影響曲線。從圖6(a)可以看出，外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移隨著加固體彈性模量的增加而減小。但是，當(dāng)加固體剛度增加到一定程度后，外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移值已經(jīng)不再有明顯的減小。從圖6(b)可以看出，不同加固強(qiáng)度下，內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移幾乎沒有變化，說(shuō)明彈性模量的改變對(duì)內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移影響非常小，可以忽略。

從圖7可知，當(dāng)加固體彈性模量為200 MPa后，外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移趨于穩(wěn)定，這表明在采用水泥土加固基坑時(shí)，也存在一個(gè)最優(yōu)加固體剛度的問(wèn)題。當(dāng)加固體達(dá)到最優(yōu)剛度后，再提高水泥土剛度對(duì)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移影響不大。在工程中，應(yīng)該根據(jù)工程實(shí)際情況，確定加固體的最優(yōu)加固剛度，從而在最經(jīng)濟(jì)的條件下，充分發(fā)揮加固體對(duì)控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用。

圖7 加固程度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的影響

3.4 加固體形狀的影響分析

基坑土體加固豎向形狀主要包括坑底板式、多層式、滿坑式、階梯式等多種形式。對(duì)加固體形狀的研究，是為了保證加固體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)充分咬合，充分發(fā)揮單位加固體的加固性能，保證經(jīng)濟(jì)效益最大化。因此，本節(jié)將分析階梯式加固技術(shù)在坑中坑類型的基坑當(dāng)中的加固效果。階梯式加固如圖8。

圖8 階梯式加固示意圖Fig.8 Sketch of stepped reinforcement

在前面對(duì)加固深度、寬度的研究中，加固體深度7 m，寬度7 m時(shí)，對(duì)減少內(nèi)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移均比較有利。因此,在建模時(shí)，長(zhǎng)方形加固體尺寸選擇B為7 m7 m；階梯型加固體尺寸分別選擇如下。C：H1=4 m，B1=7 m，H2=3 m，B2=4 m；D：H1=3 m，B1=7 m，H2=4 m，B2=4 m；E：H1=4 m，B1=7 m，H2=3 m，B2=5 m；F：H1=2 m，B1=7 m，H2=5 m，B2=3 m；A表示未進(jìn)行坑內(nèi)加固。在建模時(shí)考慮6種不同加固工況，各種工況下的加固尺寸具體見表2。內(nèi)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移及彎矩曲線圖見圖9。

表2 不同加固情況Table 2 Different working conditions of reinforcement

圖9 階梯式加固尺寸對(duì)外坑和內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移 及彎矩的影響Fig.9 Influence of stepped reinforcement size on lateral displacement and bending moment of retaining structures of inner and outer pits

從圖9中可以看出：B，C，D，E，F(xiàn)的5種加固情況下，內(nèi)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移及彎矩均有所減小。值得注意的是，B是全尺寸加固，從圖9(b)看出，全尺寸加固時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)中部(深度12～16 m)彎矩有一定減小，但是樁身最大彎矩值，B，C，D，E的4種情況仍近似。說(shuō)明這幾種情況下，產(chǎn)生的加固效果是比較一致的，同時(shí)也說(shuō)明階梯型加固能在節(jié)省材料的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮加固體效果，更加經(jīng)濟(jì)。F情況，即加固尺寸H1=2 m，B1=7 m，H2=5 m，B2=3 m，其曲線相對(duì)于B，C，D，E的4種情況，均較大。說(shuō)明其加固尺寸較小，對(duì)土體位移抵抗能力不夠。對(duì)比以上幾種情況，對(duì)于階梯型加固，從節(jié)約材料方面考慮，被動(dòng)區(qū)尺寸為H1=H2，B1=2B2時(shí)，是比較合適的。

4 結(jié) 論

本文采用有限元模型對(duì)坑中坑加固進(jìn)行了研究，通過(guò)計(jì)算程序分析了不同加固深度、加固寬度、加固剛度、加固位置和加固形狀對(duì)坑中坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移及彎矩的影響，得出了以下結(jié)論：

(1) 坑中坑類型的基坑，加固深度和寬度均存在最佳范圍，當(dāng)加固深度、寬度超過(guò)該范圍后，提高加固深度和寬度對(duì)減小內(nèi)、外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移不再明顯。對(duì)于本工程以及類似的其他工程而言，最佳加固深度為6 m，寬度為7 m。

(2) 對(duì)外坑被動(dòng)區(qū)加固，加固體位置越靠近外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)提高支護(hù)效果越明顯。當(dāng)遠(yuǎn)離外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)一定距離后，不再起到加固效果。加固體位置離內(nèi)坑較遠(yuǎn)時(shí)，對(duì)內(nèi)坑影響很小，距離較近時(shí)，會(huì)使內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移增大，同時(shí)也會(huì)增大外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移。對(duì)于本工程以及類似的其他工程而言，加固體處于約1/3內(nèi)外坑間距以內(nèi)時(shí)，對(duì)減小外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移都是有積極影響的。

(3) 加固體剛度存在最優(yōu)值，當(dāng)加固體剛度達(dá)到最優(yōu)值后，再提高加固體剛度，對(duì)控制外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形無(wú)顯著效果。加固體剛度對(duì)內(nèi)坑的影響很小，可以忽略。

(4) 相比于長(zhǎng)方形加固，階梯型加固既能節(jié)約成本，也能充分發(fā)揮加固體效果，對(duì)坑中坑類型的基坑有較強(qiáng)適用性。

(5) 坑中坑類型的基坑，對(duì)外坑被動(dòng)區(qū)采用階梯型加固，尺寸為H1=H2，B1=2B2時(shí)，加固體作用效果能充分發(fā)揮，對(duì)內(nèi)、外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)均比較有利。

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(編輯：姜小蘭)

Influence of Pit-in-pit Soil Reinforcement onCantilever Retaining Structure

JIANG Jie1,2,3，HU He1， FENG Ye1，MA Shao-kun1,2, 3，LIU Yin1,2

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China;2.Key Laboratory of Disaster Prevention and Structural Safety, Guangxi University, Nanning 530004, China;3.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China)

Soil reinforcement is often used to reduce the lateral deformation of retaining structure in foundation pitprojects. In order to study the influence of pit-in-pit soil reinforcement on cantilever retaining structure， we established an elasticity-plasticity calculation model for soil reinforcement of pit-in-pit by using ABAQUS and discussed the effects of depth, width, stiffness, location and size of reinforcement body on retaining structures of inner pit and outer pit. Calculated results show that 1) there is an optimum interval for the values of depth, width, and stiffness of passive reinforcement zone respectively, beyond which the reinforcement effect on retaining structure of pit will be not obvious;2)for pit-in-pit, the effect of stepped reinforcement in the passive zone of outer pit could reach that of full-size soil reinforcement, hence is more economic;3)when reinforcement width and reinforcement depth of each step are approximately equal, the reinforcement effect is good. Finally, the research results can be taken as reference for pit-in-pit retaining structure in actual projects.

pit-in-pit; cantilever retaining structure; reinforcement at passive zone; ABAQUS; retaining structure; stepped reinforcement

2015-12-29；

2016-02-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (51568006，41362016)；廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)性研究項(xiàng)目資助(2016ZDX11)；廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助課題(14KF03，13KF02)；廣西科技廳巖土與地下工程創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2016GXNSFGA380008)

江 杰(1979-)，男，湖北麻城人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事巖土地下工程的教學(xué)與科學(xué)研究，(電話)18878884176(電子信箱)jie_jiang001@126.com。

10.11988/ckyyb.20151123

2017,34(3):58-62，66

TU43

A

1001-5485(2017)03-0058-05