第四屆大學生巖土工程競賽全過程分析及探討

關(guān)鍵詞：巖土工程競賽；基坑開挖；支護結(jié)構(gòu)；方案比選

全國大學生巖土工程競賽首次舉辦于2015年，由中國土木工程學會和高校土木工程學科教學指導委員會聯(lián)合主辦，其宗旨是激發(fā)青年學生的創(chuàng)新意識，提高學生對巖土工程及相關(guān)學科的學習興趣，鍛煉學生的動手實踐能力，并培養(yǎng)學生團隊協(xié)作意識，促進不同高校學生間的溝通交流。巖土工程競賽每兩年舉辦一次，至2021年已經(jīng)舉辦了四屆，歷屆競賽信息如表1所示。

目前，對巖土工程競賽的研究主要集中在其對高校人才培養(yǎng)的作用，例如，高磊等［1］探討了巖土工程競賽在人才培養(yǎng)和人才選拔中的作用；曹玲［2］分析了巖土工程競賽在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的發(fā)展方向；侯興民等［3］以第二屆巖土工程競賽為背景，結(jié)合賽題和材料性能對模型的設計與制作進行了分析?，F(xiàn)有競賽研究缺少針對競賽的全過程解讀，文章回顧了西安理工大學代表隊的競賽全過程，以期為熱愛巖土工程及參與后續(xù)競賽的學生提供幫助。

一、賽題解讀

2021年，第四屆全國大學生巖土工程競賽由中國土木工程學會土力學及巖土工程分會主辦，西安理工大學和西安交通大學等單位共同承辦。根據(jù)參賽要求，共有22個?。ㄊ校?、自治區(qū)的61支高校代表隊符合報名條件。經(jīng)過激烈的競爭，西安理工大學、武漢大學等高校的32支隊伍進入決賽。

競賽以“支撐條件下的基坑開挖”為題。主辦方統(tǒng)一提供白卡紙、砂土、透明膠、雙面膠和模型箱等材料，要求參賽隊在120 min內(nèi)完成支護結(jié)構(gòu)制作、基坑填埋與開挖和加載測試過程。其中，支護結(jié)構(gòu)由擋土結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)組成。加載測試中，初始荷載為5 kg，逐級增加至55 kg后結(jié)束，每級荷載10 kg。對支護結(jié)構(gòu)形式無限制，但禁止使用重力式擋土結(jié)構(gòu)，不考慮擋土結(jié)構(gòu)的建造過程，即與砂土一同填埋至模型箱中。填埋過程可用輔助工具固定位置，邊開挖邊進行支撐，加載測試中禁止偏心加載。各結(jié)構(gòu)和設備布置如圖1所示。

競賽排名由得分決定，得分高者勝。評分標準如表2所示，從表2注釋中可以發(fā)現(xiàn)，加載沉降量的控制是決勝的關(guān)鍵，其次是材料用量、結(jié)構(gòu)制作耗時量和初賽報告等。

二、方案設計及分析

（一） 材料參數(shù)的明確

材料的物理力學特性決定用途，材料參數(shù)是后續(xù)設計工作的基礎(chǔ)，極大地影響著理論和模擬計算的準確性，材料名稱及規(guī)格如表3所示。由于歷屆競賽的使用材料不同且試驗成果較少，所以有必要進行相關(guān)試驗明確材料參數(shù)。限于篇幅要求，僅給出試驗名稱、設備及結(jié)果，如表4—表5和圖2所示。

（二） 理論分析及初步方案

采用理論分析方法對局部附加荷載作用下的土壓力、支撐力等進行分析計算。比較分析不同擋土結(jié)構(gòu)形式、內(nèi)支撐不同截面形式、不同水平間距，以及不同支撐層數(shù)等的效果差異，初步選出相對合理的內(nèi)支撐條件下的基坑支護方案。

1. 經(jīng)典土壓力理論計算

競賽規(guī)則中要求擋土結(jié)構(gòu)高度40 cm，砂土側(cè)設置附加荷載，距離擋土結(jié)構(gòu)邊緣5 cm，作用面積為15 cm×15 cm。開挖側(cè)砂層厚度40 cm，開挖30 cm，基坑內(nèi)剩余厚砂土10 cm。競賽用砂為干砂，不考慮含水率的影響。

采用土力學［6］中近似方法計算局部附加荷載，如圖3a所示，該方法認為，地面局部荷載產(chǎn)生的土壓力是沿平行于滑動面的方向傳遞至墻背上。在圖3a（1）條件下，荷載q 僅在墻背c、d范圍內(nèi)引起附加土壓力paq，認為c點以上和d點以下不受q 的影響，c、d兩點分別為自局部荷載q 的兩個端點a、b作與水平面成“45°+φ/2”的斜線至墻背的交點，如圖3a（2）所示。在JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》［7］中，將附加荷載等效為作用在地面的矩形附加荷載，如圖3（b）所示。

土壓力計算采用朗肯土壓力理論。由于競賽所用材料均為柔性材料，未開挖側(cè)的土壓力及基坑開挖完成后，在未開挖側(cè)填土表面施加局部附加荷載，擋土結(jié)構(gòu)勢必會產(chǎn)生趨向未開挖側(cè)的位移，從而形成主動土壓力，相反則會在開挖側(cè)未開挖區(qū)形成被動土壓力。其中，物理力學指標取自表4—表5，計算結(jié)果如表6所示，土壓力分布如圖3（c）、圖3（d）所示，分別為土力學、JGJ120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》的計算結(jié)果。對比圖3（c）和圖3（d）可以發(fā)現(xiàn)，使用后者計算附加土壓力時，其影響區(qū)域上移3.5 cm，附加荷載引起的土壓力減小0.29 kPa。

2. 圍檁及內(nèi)支撐間距設計

通過經(jīng)典土力學理論計算砂土在附加荷載滿載條件下的土壓力分布，根據(jù)分布圖進行圍檁和內(nèi)支撐的合理間距計算，利用結(jié)構(gòu)力學求解器進行受力分析，確定最大彎矩和最大剪力。

（1）橫向間距的確定

賽題要求：當基坑開挖完成且支撐結(jié)構(gòu)全部支撐到位后，在基坑中應留有足夠的凈空；基坑縱向中心線緊鄰擋土結(jié)構(gòu)側(cè)的區(qū)域能從上向下通過直徑D=14.0 cm的圓柱體，凈空柱體距離擋土結(jié)構(gòu)基坑側(cè)表面的距離應≤ 2.0 cm，如圖 1（b）所示。因此，在進行橫向受力分析時將中間的支撐設置為17.0 cm，防止在加載過程中內(nèi)支撐變形過大導致無法滿足凈空要求。

施加的均布力為11.43 kPa（土壓力的最大值），換算成線荷載為4.57 kN/m。設置于中間的內(nèi)支撐，簡化為固定支座，設置于兩側(cè)的內(nèi)支撐僅靠摩擦力，為彈性支座。雙內(nèi)支撐橫向間距從左向右分別為11.5 cm、17.0 cm 、11.5 cm，其受力情況如圖4a 所示，結(jié)果表明，最大彎矩和最大剪力在中間兩個支座位置產(chǎn)生，分別為0.03 kN·m 和0.53 kN；四根內(nèi)支撐橫向間距從左向右分別為5.5 cm 、6.0 cm 、17.0 cm 、6.0 cm、5.5 cm，其受力情況如圖4b 所示。結(jié)果表明，最大彎矩和最大剪力在外側(cè)兩個支座位置產(chǎn)生，分別為0.01 kN·m 和0.39 kN。

比較兩種支撐設置方案發(fā)現(xiàn)，四道支撐的彎矩和剪力要小于兩道支撐，在實際制作過程中增大了擋土結(jié)構(gòu)的強度，圍檁的變形相對較小。同時，為降低制作難度、縮短制作時長，以及減小基坑開挖難度，最終選用橫向雙支撐方式。

（2）豎向間距的確定

設置于中間的內(nèi)支撐，簡化為固定支座；底側(cè)未設置支撐，而是僅靠摩擦力和土壓力，所以設置為彈性支座。四支撐豎向間距從上向下分別為7.5 cm、7.0 cm、7.0 cm、18.5 cm，受力情況如圖5c所示。結(jié)果表明，最大彎矩和最大剪力在最底部支座位置產(chǎn)生，分別為0.02 kN·m和0.21 kN。五支撐豎向間距從上向下分別為5.0 cm、8.0 cm、8.0 cm、8.0 cm、11.0 cm，受力情況如圖5d所示，結(jié)果表明，最大彎矩和最大剪力在最底部支座位置產(chǎn)生，分別為0.01 kN·m，和0.13 kN。

根據(jù)上述結(jié)果可得到如下結(jié)論：底端支座的受力最大，最容易產(chǎn)生變形，易引起沉降，因此，在進行桿件設計時，應著重加強底端桿件的強度。五道支撐的受力明顯優(yōu)于四道支撐，因此，布置五道支撐。從剪力圖和彎矩圖中可以看出，第一道支撐基本不受力，無論是從材料用量還是受力情況考慮，均可以取消第一道支撐，最終確定為四支撐，豎向間距分別為5.0 cm、8.0 cm、8.0 cm、8.0 cm、11.0 cm。

3. 初步支護方案設計

綜合考慮構(gòu)件的物理力學指標、土壓力分布和支撐布置間距等，初步設計擋土結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)如圖6所示，共6種支護方案，如表7所示。

（1）擋土結(jié)構(gòu)設計

片狀橫撐加固擋土結(jié)構(gòu)如圖6（a）所示。結(jié)構(gòu)由卡紙（42 cm×40 cm）與四道圍檁或橫撐（寬度≤1.2 cm，滿足競賽要求）緊密粘結(jié)而成，內(nèi)支撐直接支撐于橫撐上，多次制作后的平均質(zhì)量為248.8 g。結(jié)構(gòu)制作用時長、工序復雜、質(zhì)量重，后期試驗發(fā)現(xiàn)其變形嚴重且不美觀。

瓦楞擋土結(jié)構(gòu)如圖6（b）所示。結(jié)構(gòu)由卡紙（42 cm×10 cm）與三道瓦楞緊密粘結(jié)而成，與圍檁和內(nèi)支撐聯(lián)合使用，多次制作后的平均質(zhì)量為172.4 g。結(jié)構(gòu)制作用時短、工序簡單、質(zhì)量較輕，后期試驗發(fā)現(xiàn)其上梁內(nèi)支撐之間有凸向開挖側(cè)的變形，較為美觀。

棱柱加固擋土結(jié)構(gòu)如圖 6（c）所示。結(jié)構(gòu)由卡紙（42 cm×40 cm）與長、短縱橫向三棱柱（邊長為1 cm，棱柱高度≤1.2 cm）緊密粘結(jié)而成，與圍檁和內(nèi)支撐聯(lián)合使用，多次制作后的平均質(zhì)量為189.7 g。結(jié)構(gòu)制作用時較短、工序簡單、質(zhì)量較輕，后期試驗未發(fā)現(xiàn)明顯變形，較美觀。

（2）支撐結(jié)構(gòu)設計

含肋方形柱如圖6（d）所示。結(jié)構(gòu)外部方形邊長為1.5 cm，內(nèi)部肋邊長1.6 cm，肋與外邊的內(nèi)表面雙面膠緊密粘結(jié)，方形外表面使用透明膠纏繞，可以端承壓與橫向受壓，多次制作平均質(zhì)量為25.3 g。結(jié)構(gòu)制作用時較長、工序較復雜、質(zhì)量較重，后期試驗未發(fā)生破壞與明顯變形，鑒于其質(zhì)量大、強度高、剛度大的特點，常作為圍檁，為內(nèi)支撐提供支撐位置。

空心三棱柱如圖6（e）所示。結(jié)構(gòu)邊長為1.5 cm，內(nèi)表面使用雙面膠粘結(jié)，外表面使用透明膠纏繞，僅用于端承壓，多次制作后平均質(zhì)量為12.4 g。結(jié)構(gòu)制作用時較短、工序簡單、質(zhì)量較輕，后期試驗較少出現(xiàn)破壞，若破壞則是外表面向內(nèi)凹陷從而失穩(wěn)，與制作精細相關(guān)。

空心圓柱，如圖6（f）所示。結(jié)構(gòu)半徑為1 cm，搭接長度為5 cm，搭接處使用雙面膠粘結(jié)，外表面使用透明膠纏繞，僅用于端承壓，多次制作后平均質(zhì)量為19.4 g。結(jié)構(gòu)制作用時較長，需要輔助工具，工序較復雜、質(zhì)量較重，后期試驗布置支撐時極易被捏扁。

（三） 軟件模擬分析

對擋土結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)進行組合，由于空心三棱柱內(nèi)支撐和空心圓柱內(nèi)支撐的彈性模量相近，在材料賦值時取兩者中的較小值作為參數(shù)對方案一、二和三進行模擬。

使用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬，首先生成網(wǎng)格單元，其次定義材料參數(shù)，設置邊界條件和初始條件，平衡初始應力后，進行模型分級開挖支撐，最后進行分級加載，得出數(shù)值模擬應變圖。每級施加10 kg砝碼作用在15 cm×15 cm的方形區(qū)域內(nèi)，則模型每級施加的荷載為4.36 kPa。在百分表安置處添加監(jiān)測點，實時監(jiān)測模型加載過程中的豎向沉降，得到位移云圖，如圖7所示。

由圖7（d）可知，基坑外側(cè)豎向位移最大處位于加載板的正下方，其豎向位移量為3.14 mm，兩個百分表監(jiān)測點處豎向最大位移為1.92 mm；由圖 7（e）可知，豎向最大位移為2.57 mm，兩個百分表監(jiān)測點處豎向最大位移為1.56 mm；由圖 7（f）可知，豎向最大位移為1.45 mm，在兩個百分表監(jiān)測點處豎向最大位移為0.86 mm?？傮w上的變化為：頂部荷載隨加載中心向四周產(chǎn)生應力擴散，土體四周最大沉降與距離加載中心距離呈負相關(guān)，即距離加載中心越遠，沉降越小，云圖大致呈“漏斗形”。

（四） 現(xiàn)場試驗及問題的發(fā)現(xiàn)與解決

經(jīng)過前期理論計算和軟件模擬分析，認定初步設計方案具較強的競爭力，對這些方案進行大量現(xiàn)場試驗，試驗過程嚴格遵守大賽要求。競賽規(guī)則規(guī)定，比賽不考慮擋土結(jié)構(gòu)在砂土地基中的建造過程，也即擋土結(jié)構(gòu)需要隨模型箱中砂子一起填埋到砂土中，在進行基坑開挖時，隨開挖的進程逐步設置支撐結(jié)構(gòu)，加載沉降單獨計算，不計入基坑開挖時的沉降，基坑開挖完成后，讀取并記錄 2 個百分表讀數(shù)，其中沉降最大值作為地面開挖沉降變形。

加砂方式：使用承辦方提供的大鏟子盛滿砂土，運移至模型箱上部20 cm處（為競賽規(guī)定加砂最大高度）后向下傾倒，使砂土在重力作用下更加密實。開挖方式：采用預留核心土法分層開挖及支撐，超挖深度約2 cm，直至開挖完成。加載方式：由于所使用的砝碼有缺口，其重心不在幾何中心，所以計算其重心并在上加載板上表面標記出砝碼放置外邊線，施加砝碼時缺口對稱布置，對齊外邊線后緩慢、平穩(wěn)地放下，避免偏心加載。

（1）現(xiàn)場試驗測得的沉降與數(shù)值軟件計算沉降存在明顯差異，這是由于結(jié)構(gòu)制作過程、儀器設備、加載方式和參數(shù)賦值等因素的影響，使得測試結(jié)果差異巨大。

（2）在開挖過程中，使用承辦方提供的工具不慎觸碰到擋土結(jié)構(gòu)、已布置的支撐結(jié)構(gòu)或模型箱，均會引起沉降突增，所以直接徒手開挖，有效規(guī)避外界因素引起的沉降。

（3）從方案三的另一組加載沉降數(shù)據(jù)中可以看到明顯的沉降差，為3.96 mm。在保證中心加載的情況下反而出現(xiàn)了沉降差，經(jīng)過分析，把這種沉降差歸結(jié)于砂土密實度不同，加砂過程中部分空間的砂土在合理沖擊下更密實但未受沖擊的部分相對松散，所以在中心加載的情況下仍然出現(xiàn)沉降差，即使反方向偏心加載砝碼也無法阻止沉降差的發(fā)展。

（4）方案一和方案四中的擋土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大幅變形以至于兩側(cè)出現(xiàn)漏砂現(xiàn)象，從而增大沉降。目前認為產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是擋土結(jié)構(gòu)上的片狀橫撐剛度過低，如圖 8（a）、圖 8（b）所示，方案五和方案六不僅材料用量多，而且用時較長。

（5）在內(nèi)支撐布置過程中，無論是使用空心圓柱還是三棱柱，內(nèi)支撐均會發(fā)生裂變的情況，并且前側(cè)破壞幾率遠遠大于后者，因此對后者結(jié)構(gòu)上進行改進，即在其支撐于模型箱一側(cè)“開花”，如圖8c所示，布置過程中按壓“花瓣”，對其進行移動。同時改進布置方式，即同一水平兩根內(nèi)支撐由兩人同時布置，布置時兩手分別放在兩端，先讓近擋土結(jié)構(gòu)一端就位，然后主動向未開挖側(cè)發(fā)力，同時將另一端緩慢向下移動，直至整根內(nèi)支撐就位。

通過比較各方案材料用量、試驗用時、制作難易程度、開挖及加載過程難度和沉降大小，最終選取方案三作為決賽方案，現(xiàn)場試驗記錄如表 8所示。

三、競賽過程及結(jié)果

線上競賽要求參賽隊在相對安靜、空曠的房間進行，裁判組一對一監(jiān)控各參賽隊。同時，每個參賽隊除了三名參賽隊員外，還需要一名裁判助手協(xié)助裁判組遠程監(jiān)控現(xiàn)場。房間中設置兩個高清攝像頭，一個固定放置且能觀察房間全局，另一個為裁判助手手持，協(xié)助裁判組觀察競賽細節(jié)。決賽分為三部分，首先，賽前準備，由裁判一對一監(jiān)督各隊決賽材料檢查、稱量及機位調(diào)試。其次，線上決賽過程，由一對一裁判全程監(jiān)督記錄數(shù)據(jù)，如圖 9所示。結(jié)束后，裁判助手提交沉降量、用紙量（預備材料質(zhì)量-余料質(zhì)量）及比賽時長。最后，上傳決賽視頻至指定郵箱，要求提供不間斷試驗全過程完整視頻，有剪輯現(xiàn)象的視為無效視頻，取消決賽成績。

2021年11月20日，第四屆大學生巖土工程競賽決賽通過線上方式進行，競賽設置一等獎4名，二等獎6名，三等獎9名，最佳創(chuàng)意獎及最佳組織獎各1名。西安理工大學代表隊在競賽中發(fā)揮穩(wěn)定并取得優(yōu)異成績，最終獲得一等獎，決賽的數(shù)據(jù)記錄如表9所示。

四、經(jīng)驗與討論

通過競賽的錘煉，參賽隊員的專業(yè)知識水平和軟件熟練度均有大幅提高，在競賽準備過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，試驗過程中隊員分工明確，默契配合，在試驗中不斷改進，最終在決賽中取得優(yōu)異成績。

（1）填埋過程中擋土結(jié)構(gòu)的固定方法。原基坑面積為60 cm×40 cm，放入擋土結(jié)構(gòu)后將原基坑劃分為兩個基坑。傳統(tǒng)的固定方法是在兩基坑中布置輔助對撐，達到固定的目的，但是該方法極大地影響后續(xù)填埋工作并且控制的精度不高（規(guī)則要求結(jié)構(gòu)中心線與原基坑中心線偏差≤3 mm）。因此，提出用強磁力磁鐵進行固定，其在使用過程中不會影響填埋過程，對精度控制極高。

（2）充分利用規(guī)則，如時間、結(jié)構(gòu)質(zhì)量等。部分代表隊過分強調(diào)制作進度，以至于時間未充分使用，在觀摩其他參賽隊的決賽過程中發(fā)現(xiàn)，多支隊伍在加砂環(huán)節(jié)用時較長，最長可達30 min。加砂方法有薄層撒砂法、篩子均勻慢速篩砂法等，這些方法在一定程度上使得砂土更密實，有效降低了沉降量。

（3）學生調(diào)整競賽心態(tài)。無論是結(jié)構(gòu)的制作、布置，還是加載過程，都需要有良好的心態(tài)。常見行為有卡紙劃分尺寸錯誤、劃痕太深、結(jié)構(gòu)布置時用力不當及加載力度控制失誤等，這些行為均可能讓前期的努力功虧一簣，因此，在競賽中保持心態(tài)平和、精神集中十分重要。

與土木工程專業(yè)其他競賽如大學生結(jié)構(gòu)設計大賽相比，全國大學生巖土工程競賽處于萌芽階段，仍需持續(xù)改進。未來主辦方若能建立競賽相關(guān)網(wǎng)站，并鼓勵各屆參賽隊伍主動分享設計方案，則可以提高全員競賽水平，吸引更多土木學子在大賽舞臺上大放異彩。

五、結(jié)語

大學生巖土工程競賽具有較強的綜合性，不僅需要參賽隊員掌握專業(yè)理論知識，而且需要其具備較高的創(chuàng)新能力、實踐動手能力和團隊協(xié)作能力?；仡檯①愱牳傎悳蕚淞鞒?，把沉降控制作為主要目標，從材料物理力學指標的測定出發(fā)，以附加荷載作用下土壓力的分布為條件，進行支撐位置的選擇、初步結(jié)構(gòu)設計和方案擬選，結(jié)合FLAC3D數(shù)值分析和現(xiàn)場試驗結(jié)果，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，最終比選出最佳方案。實踐證明，一個優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設計不僅需要理論知識作為依據(jù)，還需要反復地現(xiàn)場試驗，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，接受腦力和體力的雙重考驗，從而得到滿意的作品。