基坑底部土體裙邊加固模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究

熊偉， 鄧建林， 鐘慶華，徐立明，徐長(zhǎng)節(jié)，3

(1.華東交通大學(xué) 江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；江西省地下空間技術(shù)開(kāi)發(fā)工程研究中心，南昌 330013；2.浙江杭海城際鐵路有限公司，浙江 嘉興 314000；3.浙江大學(xué) 濱海和城市巖土工程研究中心；浙江省城市地下空間開(kāi)發(fā)工程技術(shù)研究中心，杭州 310058)

隨著基坑規(guī)模的擴(kuò)大，施工環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，為減小基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)h(huán)境的影響[1]，因此，對(duì)基坑變形的要求也越來(lái)越高?；庸こ痰淖冃沃笜?biāo)主要有圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移、周?chē)乇沓两岛涂拥茁∑鸬萚2-4]。如何控制基坑變形，徐長(zhǎng)節(jié)等[5]、Yao[6]、姚燕明等[7]、Xu等[8]、康志軍等[9]提出了諸多措施，如調(diào)整基坑土體開(kāi)挖順序、合理選擇施工工藝、坑底加固、增加支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度等。其中，基坑底部土體加固，在軟土地區(qū)的基坑工程中十分常見(jiàn)[10-12]。裙邊加固相對(duì)于滿(mǎn)堂加固、暗墩加固等其他加固形式，“性?xún)r(jià)比”更高[13-14]，因此，常被用于一些安全等級(jí)不高的基坑工程。目前， Broms[15]、康志軍等[16]、梁鵬宇等[17]多采用數(shù)值計(jì)算方法研究基坑變形的影響因素，但方法比較單一。鄭俊杰等[18]、馬鄖等[19]認(rèn)為，當(dāng)加固深度與寬度相當(dāng)時(shí)，基坑的加固效果最優(yōu)，但并未給出具體的取值范圍。加固寬度與深度這兩個(gè)因素對(duì)基坑變形影響的強(qiáng)弱，也鮮有學(xué)者研究。在進(jìn)行基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),僅把土體加固當(dāng)作一種安全儲(chǔ)備手段，不僅沒(méi)有充分發(fā)揮加固土體的力學(xué)性能，而且造成了經(jīng)濟(jì)上的極大浪費(fèi)。

本文采用模型試驗(yàn)的方法，研究了坑底土體裙邊加固對(duì)基坑變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及樁后土壓力的影響。采用有限元軟件Abaqus對(duì)模型試驗(yàn)進(jìn)行拓展，研究裙邊加固情況下土體的加固尺寸(加固深度與加固寬度)對(duì)基坑變形的影響,并確定裙邊加固的合理取值范圍，為今后的基坑工程提供借鑒。

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)部件的參數(shù)設(shè)計(jì)

模型試驗(yàn)?zāi)M了一個(gè)開(kāi)挖深度為8 m的矩形基坑，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑為0.8 m、樁長(zhǎng)16 m的密排鉆孔灌注樁，并在冠梁處用1道鋼筋混凝土支撐，其截面為600 mm×600 mm。試驗(yàn)的幾何相似常數(shù)sl=1/20。根據(jù)對(duì)稱(chēng)原理，取基坑的一半進(jìn)行試驗(yàn)。在實(shí)際工況中，要滿(mǎn)足所有的相似條件十分困難，故在模型試驗(yàn)中，將EI、EA、EW作為復(fù)合物理量進(jìn)行參考[20]。試驗(yàn)中，水平支撐采用順紋木板，其彈性模量為11 GPa，可得SE≈1/3?？紤]到支撐主要作用為抗壓，所以需滿(mǎn)足EA相似。計(jì)算可得截面尺寸為13 mm×13 mm，長(zhǎng)度為60 cm。支護(hù)樁采用PV聚乙烯孰料材質(zhì)，其彈性模量通常為2.1 GPa，可得SE≈1/15。支護(hù)樁主要作用為抗彎，所以需滿(mǎn)足EI相似，計(jì)算可得其直徑為37 mm，內(nèi)徑為35 mm，長(zhǎng)度為80 cm。試驗(yàn)部件參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)部件參數(shù)Table 1 Test Component Parameters

1.2 試驗(yàn)土體及加固土體的制備

基坑底部土體加固的措施常見(jiàn)于含水率較大的粘土或者軟土地區(qū)，故試驗(yàn)采用南昌某工地的粘性土。由于土質(zhì)較雜，故對(duì)土樣先進(jìn)行晾曬，然后進(jìn)行篩分。在進(jìn)行晾曬前，對(duì)土體含水率進(jìn)行測(cè)量，為21%。

土體加固試驗(yàn)中采用化學(xué)物質(zhì)摻入試驗(yàn)土樣，或者降低土體含水率，從而提高土體的力學(xué)性質(zhì)，達(dá)到土體加固的目的。常見(jiàn)化學(xué)物質(zhì)包括：水玻璃溶液、氯化鈣溶液、超細(xì)水泥、硅粉與鋁粉的混合物或者微生物材料等[21-22]。試驗(yàn)采用水灰比為1∶1的超細(xì)硅酸鹽水泥漿液與試驗(yàn)土體進(jìn)行混合，超細(xì)硅酸鹽水泥漿液用量為制備加固土體的試驗(yàn)土樣質(zhì)量的8%，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)土樣

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在尺寸為150 cm×120 cm×150 cm(長(zhǎng)×寬×高)的模型箱內(nèi)進(jìn)行，如圖2所示，為了消除邊界效應(yīng)，在模型箱四周涂抹潤(rùn)滑油。首先，將支護(hù)結(jié)構(gòu)架設(shè)到指定位置，然后，對(duì)模型箱進(jìn)行分層填土并灑水浸潤(rùn)。每次填土高度15 cm，然后采用平板夯實(shí)裝置，對(duì)填土進(jìn)行夯實(shí)，如圖3所示。為實(shí)現(xiàn)坑底加固，采用預(yù)先填筑加固土體的方法，填土到一定高度，用隔板隔出加固區(qū)域，將制備好的加固土體填入?yún)^(qū)域并壓實(shí)，形成加固區(qū)，然后繼續(xù)填土至坑頂。裙邊加固范圍為25 cm×20 cm(寬×深)。靜置一段時(shí)間后對(duì)土體進(jìn)行開(kāi)挖，土體分3層開(kāi)挖，第1層與第2層開(kāi)挖15 cm，第3層開(kāi)挖10 cm。為減小開(kāi)挖過(guò)程中擾動(dòng)的影響，在模型箱一側(cè)設(shè)置了出土口，填土過(guò)程中，用3塊木板將出土口擋住，每挖一層土前抽離相應(yīng)位置的木板，使之從出土口排出。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?/p>

圖3 試驗(yàn)土樣填筑Fig.3 The reinforced soil

1.4 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

1.4.1 位移監(jiān)測(cè) 采用數(shù)顯百分表對(duì)基坑中間無(wú)支撐處的坑頂?shù)乇沓两?、有支撐處與無(wú)支撐處的冠梁側(cè)向位移、支撐下方的樁身彎矩和中間無(wú)支撐處的樁后土壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，百分表的精度為0.01 mm，如圖4所示。

1.4.2 彎矩監(jiān)測(cè) 應(yīng)變片沿著支護(hù)樁進(jìn)行粘貼，在坑底以上，每隔100 mm布置一個(gè)；坑底以下，每隔50 mm布置一個(gè)。由于試驗(yàn)土樣含水率較高，所以，在應(yīng)變片表面涂抹了環(huán)氧樹(shù)脂及玻璃膠進(jìn)行防水處理。將應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變根據(jù)材料力學(xué)中彎矩計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，得到支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩。

1.4.3 土壓力監(jiān)測(cè) 微型土壓力盒采用云石膠粘貼在支護(hù)樁迎土測(cè)，沿著支護(hù)樁每隔100 mm布置一個(gè)，共布置7個(gè)，如圖4所示。微型土壓力盒的量程為50 kPa，精度為0.1%，直徑為1 cm，厚度為4.2 mm。該土壓力盒無(wú)需進(jìn)行防水處理。

圖4 監(jiān)測(cè)裝置布置圖Fig.4 The plan of monitoring

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 坑頂?shù)乇沓两?/h3>

監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示，地表沉降隨著土層的開(kāi)挖而逐漸增大，隨著與冠梁距離的增加，地表沉降先增大后減小。與未進(jìn)行坑底加固的情況對(duì)比，趨勢(shì)基本一致，最大地表沉降位置相同，相差0.10 mm，最大沉降減小了約6.9%。

圖5 地表沉降監(jiān)測(cè)值Fig.5 The monitoring value of the surface

2.2 冠梁側(cè)向位移

冠梁側(cè)向位移如圖6所示，冠梁側(cè)向位移隨著土層的開(kāi)挖而增大，但不呈線(xiàn)性關(guān)系。有支撐處冠梁與無(wú)支撐處冠梁最終側(cè)向位移分別為0.68 mm和0.92 mm。有支撐處冠梁位移增加趨勢(shì)較無(wú)支撐處冠梁更為緩慢。與未進(jìn)行土體加固的情況進(jìn)行對(duì)比，有支撐處冠梁與無(wú)支撐處冠梁側(cè)向位移分別減小了0.32 mm和0.38 mm，側(cè)向位移平均降低了約30%。

圖6 冠梁側(cè)向位移試驗(yàn)值Fig.6 The lateral deformation of top

2.3 樁身彎矩

裙邊加固模型試驗(yàn)同樣選取了兩根位置對(duì)稱(chēng)的支護(hù)樁進(jìn)行彎矩監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。隨著土體的開(kāi)挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩的絕對(duì)值增加，最大正彎矩的位置逐漸下移。第1層土體開(kāi)挖完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大正彎矩為0.12 N·m，位于距離樁頂10 cm處；第2層土體開(kāi)挖完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大正彎矩為0.59 N·m，位于距離樁頂20 cm處；第3層土體開(kāi)挖完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大正彎矩為0.99 N·m，位于距離樁頂30 cm處。與未進(jìn)行土體加固的情況對(duì)比，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大正彎矩減小了6.6%。

圖7 彎矩監(jiān)測(cè)值Fig.7 The monitoring value of bending

2.4 樁后土壓力

試驗(yàn)過(guò)程中，距離樁頂10、50、60 cm處的土壓力盒的度數(shù)明顯超過(guò)量程，所以剔除這3個(gè)土壓力盒測(cè)得的數(shù)據(jù)。由圖8可知，未開(kāi)挖前土壓力的實(shí)測(cè)值與靜止土壓力計(jì)算值，在趨勢(shì)上一致，隨著土體的深度增加，土壓力逐漸增大。支護(hù)結(jié)構(gòu)上半部分的土壓力隨著土體開(kāi)挖而減小，原因是土體的開(kāi)挖造成支護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)發(fā)生側(cè)向位移，支護(hù)樁上半部分受到的土壓力從靜止土壓力向主動(dòng)土壓力轉(zhuǎn)變；但是，支護(hù)樁底端的土壓力卻相反，隨著土體的開(kāi)挖而增大，原因是樁底的土壓力從靜止土壓力向被動(dòng)土壓力轉(zhuǎn)化。

圖8 樁后土壓力監(jiān)測(cè)值Fig.8 The comparison of bending

3 數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型的建立

模型所有部件尺寸與試驗(yàn)尺寸一致。數(shù)值模擬中，對(duì)土體四周進(jìn)行相應(yīng)方向的約束，來(lái)代替模型箱的作用。

試驗(yàn)完成后，對(duì)試驗(yàn)土樣以及加固土體進(jìn)行取樣，進(jìn)行簡(jiǎn)單的土工試驗(yàn)，測(cè)得的主要參數(shù)見(jiàn)表2。土體本構(gòu)采用劍橋模型，加固土體、冠梁、內(nèi)支撐以及支護(hù)樁簡(jiǎn)化成彈性體，采用彈性模型。劍橋模型中，3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)M、λ、κ需要進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)與三軸壓縮試驗(yàn)才能確定，由于條件限制，并未進(jìn)行試驗(yàn)。參照文獻(xiàn)[23]，選取含水率較接近的武漢地區(qū)軟土。為保證模型的收斂性，將冠梁與內(nèi)支撐模型合并成一個(gè)部件。樁-土之間的接觸采用面-面捆綁接觸，并將支護(hù)結(jié)構(gòu)面作為主面，模型圖如圖9所示。

表2 材料參數(shù)Table 2 The material parameters

圖9 裙邊加固模型Fig.9 The model of the skirt border

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

選取冠梁側(cè)向位移與坑頂?shù)乇砺∑鸬挠?jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。冠梁的側(cè)向位移計(jì)算值與試驗(yàn)值趨勢(shì)基本一致；有支撐處與無(wú)支撐處冠梁最終結(jié)果分別相差了0.096 mm和0.062 mm。地表沉降呈勾字形，在距離冠梁0～25 cm內(nèi)，地表沉降逐漸增加，最大值為1.185 mm；距離冠梁超過(guò)25 cm后，地表沉降逐漸減小，在85 cm處，地表沉降為1.02 mm。數(shù)值上有所差別，主要原因是試驗(yàn)中土體不均勻且土體開(kāi)挖過(guò)程中仍有一定擾動(dòng)，但反映規(guī)律基本一致，可以認(rèn)為數(shù)值計(jì)算對(duì)試驗(yàn)的模擬合理。

圖10 計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比Fig.10 The comparisons between calculated and

3.3 土體加固尺寸中影響基坑變形的主、次要因素

裙邊加固需要考慮土體加固寬度和加固深度，為研究哪個(gè)因素對(duì)基坑變形的影響更大，分別選取0.3H、0.4H、0.5H的加固深度和0.3H、0.4H、0.5H加固深寬(H為開(kāi)挖深度)，進(jìn)行全組數(shù)值模擬，共計(jì)9種工況。將支護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移和坑底最大隆起作為評(píng)定指標(biāo)，進(jìn)行極差分析。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算結(jié)果表Table 3 Calculation results

加固深度與寬度對(duì)坑底隆起存在影響。土體加固深度越大、加固寬度越大，基坑坑底隆起越小。RM>RN，對(duì)于坑底隆起，土體的加固深度比加固寬度影響更大。

綜合考慮，加固深度是影響基坑變形的主要因素。為了控制基坑變形，增加土體加固深度比增加加固寬度效果更好。

3.4 土體加固深度基坑變形的影響

由上文可知，加固土體深度越大，基坑變形越小。但實(shí)際工程中，土體加固的造價(jià)太高，無(wú)限制提高土體加固深度，會(huì)造成巨大的浪費(fèi)。為找到合理的加固深度，取土體加固寬度為0.4H，土體加固深度分別為0.2H、0.3H、0.35H、0.4H、0.45H和0.5H共6種工況，建立模型進(jìn)行計(jì)算。

表4 結(jié)果分析表Table 4 The data analysis of results

支護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移變化如圖11所示，0.2H～0.35H之間，曲線(xiàn)斜率最大；0.35H～0.45H之間，曲線(xiàn)斜率次之；0.45H～0.5H之間，曲線(xiàn)斜率最小。這反映了在裙邊加固情況下支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移變化與加固深度并不呈線(xiàn)性關(guān)系。加固深度為0.2H～0.35H時(shí)，抑制支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移效果最明顯；加固深度為0.35H～0.45H時(shí)，抑制支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移效果逐漸減弱；加固深度為0.45H～0.5H時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移變化不大。

圖11 不同加固深度下支護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移Fig.11 The max lateral displacement under different

坑底隆起計(jì)算結(jié)果如圖12所示，加固寬度一定，隨著土體加固深度的增加，坑底最大隆起變化較小。在距離樁超過(guò)35 cm后，不同加固深度工況下，坑底隆起曲線(xiàn)幾乎重合；在距離樁35 cm以?xún)?nèi)，坑底隆起曲線(xiàn)差異明顯。土體加固寬度為16 cm時(shí)，在土體加固范圍內(nèi)，隨著土體加固深度的增加，坑底隆起逐漸減小。

圖12 不同加固深度下坑底隆起Fig.12 The soil anti-heave under different

綜合考慮加固深度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移及坑底隆起影響，裙邊加固情況下，土體加固深度宜取基坑開(kāi)挖深度的0.35～0.4倍。

3.5 土體加固寬度對(duì)基坑變形的影響

為研究裙邊加固合理的加固寬度，取土體加固深度為0.4H，土體加固寬度分別為0.3H、0.35H、0.4H、0.45H和0.5H共5種工況進(jìn)行計(jì)算。

支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移計(jì)算結(jié)果如圖13所示。隨著土體加固深度的改變，支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移略微減小，變化不大。同時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移均為與距離樁頂15 cm處。

圖13 不同加固寬度下支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移Fig.13 The lateral displacement under different

坑底隆起的計(jì)算結(jié)果如圖14所示。在與樁垂直距離超過(guò)35 cm后，坑底隆起曲線(xiàn)基本重合。坑底隆起最大值位于基坑中間位置，基本沒(méi)有變化。在與樁垂直距離0～35 cm，坑底隆起曲線(xiàn)差異明顯，土體加固寬度越大，坑底隆起越小。

圖14 不同加固深度下坑底隆起Fig.14 the soil anti-heave under different

在5種不同土體加固寬度工況下，通過(guò)基坑變形對(duì)比可知，土體加固寬度對(duì)控制基坑變形有一定的作用，加固寬度超過(guò)0.3H時(shí)，坑底最大隆起變化不大。

4 結(jié)論

通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合，對(duì)基坑底部土體裙邊加固后基坑的變形與受力進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

1)基坑底部土體裙邊加固可以有效減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移；但對(duì)減小坑頂?shù)乇沓两敌Ч幻黠@；樁身彎矩也有所減小，但不明顯。

2)在土體開(kāi)挖過(guò)程中，支護(hù)樁隨坑底某一點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，造成樁后土壓力發(fā)生不同程度變化。

3)裙邊加固中，土體的加固深度相較于加固寬度對(duì)基坑變形影響更大，通過(guò)增加土體的加固深度來(lái)減小基坑變形效果更好。

4)坑底土體裙邊加固情況下，加固深度與寬度超過(guò)一定范圍后，加固效果沒(méi)有明顯提升。在含水率為20%左右的粘土中，加固深度宜取0.3～0.4倍的開(kāi)挖深度，加固寬度宜取0.35～0.45倍的開(kāi)挖深度。