基坑底部土體裙邊加固模型試驗與數(shù)值模擬研究

熊偉 鄧建林 鐘慶華 徐立明 徐長節(jié)

摘 要：為研究基坑底部土體裙邊加固對基坑變形和內(nèi)力的影響，分別對未進行坑底加固和采用坑底裙邊加固2種工況進行模型試驗。在填土過程中預先澆筑加固土體，實現(xiàn)坑底土體加固。在基坑開挖過程中對地表沉降、冠梁側(cè)向位移、樁身彎矩以及樁后土壓力進行監(jiān)測。用有限元軟件Abaqus對模型試驗進行拓展，將基坑變形的計算結(jié)果進行極差分析。研究表明，對坑底土體采用裙邊加固，可以有效地減小支護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移;坑頂?shù)乇沓两惦m有減小，但效果不明顯;樁身彎矩略小于未進行坑底加固的工況;土體開挖，樁隨著坑底下某一點發(fā)生轉(zhuǎn)動，造成樁上半部分土壓力減小，樁底處土壓力增大;裙邊加固尺寸中深度相較于寬度對基坑的變形影響更大;土體加固深度與寬度超過一定范圍，控制基坑變形的效果有所提高但不明顯，加固深度宜取0.3～0.4倍的開挖深度，寬度宜取0.35～0.45倍的開挖深度。

關鍵詞：基坑開挖;模型試驗;有限元;裙邊加固;加固范圍

中圖分類號：TU753 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：2096-6717（2019）05-0009-09

Abstract：In order to study the effect of skirt soil reinforcement on the deformation and stress of foundation pit， model tests were carried out for cases without bottom reinforcement and skirt reinforcement respectively. To realize the reinforcement of bottom soil， the method of reinforcing soil by pre-pouring in the process of filling was adopted. The ground subsidence ，the lateral displacement of top beam ，the bending moment of piles and the earth pressure are measured during excavation. Extensive FE parametric studies indicate that the skirt reinforcement can effectively reduce the lateral displacement of the supporting structure. Although surrounding settlements decreased， the effect is less obvious. The bending moment of the pile is slightly less than that of the pile without reinforcement. With the excavation ， the earth pressure in the upper part of the pile decreases and pressure at the bottom increases as the pile rotates at a certain point under the pit. The depth of skirt reinforcement has greater influence on the deformation of foundation pit than the width of reinforcement. When the depth and width of soil reinforcement exceed a certain range， the effect of controlling the deformation of foundation pit is marginaly improved. The reinforcement depth should be 0.3～`0.4 times of the excavation depth and the width should be 0.35～0.45 times of the excavation depth.

Keywords：basement excavation; model test;finite element method; skirt border reinforcement;reinforced range

? 隨著基坑規(guī)模的擴大，施工環(huán)境越來越復雜，為減小基坑開挖對周圍環(huán)境的影響[1]，因此，對基坑變形的要求也越來越高。基坑工程的變形指標主要有圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移、周圍地表沉降和坑底隆起等[2-4]。如何控制基坑變形，徐長節(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)整基坑土體開挖順序、合理選擇施工工藝、坑底加固、增加支護結(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[10-12]。裙邊加固相對于滿堂加固、暗墩加固等其他加固形式，“性價比”更高[13-14]，因此，常被用于一些安全等級不高的基坑工程。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]認為，當加固深度與寬度相當時，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因素對基坑變形影響的強弱，也鮮有學者研究。在進行基坑圍護結(jié)構(gòu)設計時，僅把土體加固當作一種安全儲備手段，不僅沒有充分發(fā)揮加固土體的力學性能，而且造成了經(jīng)濟上的極大浪費。

本文采用模型試驗的方法，研究了坑底土體裙邊加固對基坑變形、支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及樁后土壓力的影響。采用有限元軟件Abaqus對模型試驗進行拓展，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

1.1 試驗部件的參數(shù)設計

模型試驗模擬了一個開挖深度為8 m的矩形基坑，支護結(jié)構(gòu)采用直徑為0.8 m、樁長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。試驗的幾何相似常數(shù)sl=1/20。根據(jù)對稱原理，取基坑的一半進行試驗。在實際工況中，要滿足所有的相似條件十分困難，故在模型試驗中，將EI、EA、EW作為復合物理量進行參考[20]。試驗中，水平支撐采用順紋木板，其彈性模量為11 GPa，可得SE≈1/3。考慮到支撐主要作用為抗壓，所以需滿足EA相似。計算可得截面尺寸為13 mm×13 mm，長度為60 cm。支護樁采用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。支護樁主要作用為抗彎，所以需滿足EI相似，計算可得其直徑為37 mm，內(nèi)徑為35 mm，長度為80 cm。試驗部件參數(shù)見表1。

1.2 試驗土體及加固土體的制備

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

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

1.3 試驗方法

試驗在尺寸為150 cm×120 cm×150 cm（長×寬×高）的模型箱內(nèi)進行，如圖2所示，為了消除邊界效應，在模型箱四周涂抹潤滑油。首先，將支護結(jié)構(gòu)架設到指定位置，然后，對模型箱進行分層填土并灑水浸潤。每次填土高度15 cm，然后采用平板夯實裝置，對填土進行夯實，如圖3所示。為實現(xiàn)坑底加固，采用預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，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）。靜置一段時間后對土體進行開挖，土體分3層開挖，第1層與第2層開挖15 cm，第3層開挖10 cm。為減小開挖過程中擾動的影響，在模型箱一側(cè)設置了出土口，填土過程中，用3塊木板將出土口擋住，每挖一層土前抽離相應位置的木板，使之從出土口排出。

1.4 試驗監(jiān)測內(nèi)容

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

1.4.2 彎矩監(jiān)測 應變片沿著支護樁進行粘貼，在坑底以上，每隔100 mm布置一個;坑底以下，每隔50 mm布置一個。由于試驗土樣含水率較高，所以，在應變片表面涂抹了環(huán)氧樹脂及玻璃膠進行防水處理。將應變片測得的應變根據(jù)材料力學中彎矩計算公式進行計算，得到支護結(jié)構(gòu)的彎矩。

1.4.3 土壓力監(jiān)測 微型土壓力盒采用云石膠粘貼在支護樁迎土測，沿著支護樁每隔100 mm布置一個，共布置7個，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。該土壓力盒無需進行防水處理。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 坑頂?shù)乇沓两?/p>

監(jiān)測結(jié)果如圖5所示，地表沉降隨著土層的開挖而逐漸增大，隨著與冠梁距離的增加，地表沉降先增大后減小。與未進行坑底加固的情況對比，趨勢基本一致，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%。

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挖而增大，但不呈線性關系。有支撐處冠梁與無支撐處冠梁最終側(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較無支撐處冠梁更為緩慢。與未進行土體加固的情況進行對比，有支撐處冠梁與無支撐處冠梁側(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%。

2.3 樁身彎矩

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

2.4 樁后土壓力

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

3 數(shù)值模擬

3.1 計算模型的建立

模型所有部件尺寸與試驗尺寸一致。數(shù)值模擬中，對土體四周進行相應方向的約束，來代替模型箱的作用。

試驗完成后，對試驗土樣以及加固土體進行取樣，進行簡單的土工試驗，測得的主要參數(shù)見表2。土體本構(gòu)采用劍橋模型，加固土體、冠梁、內(nèi)支撐以及支護樁簡化成彈性體，采用彈性模型。劍橋模型中，3個關鍵參數(shù)M、λ、κ需要進行固結(jié)試驗與三軸壓縮試驗才能確定，由于條件限制，并未進行試驗。參照文獻[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部件。樁土之間的接觸采用面面捆綁接觸，并將支護結(jié)構(gòu)面作為主面，模型圖如圖9所示。

3.2 計算結(jié)果分析

選取冠梁側(cè)向位移與坑頂?shù)乇砺∑鸬挠嬎憬Y(jié)果和試驗結(jié)果進行對比，如圖10所示。冠梁的側(cè)向位移計算值與試驗值趨勢基本一致;有支撐處與無支撐處冠梁最終結(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，主要原因是試驗中土體不均勻且土體開挖過程中仍有一定擾動，但反映規(guī)律基本一致，可以認為數(shù)值計算對試驗的模擬合理。

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，為研究哪個因素對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為開挖深度），進行全組數(shù)值模擬，共計9種工況。將支護結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移和坑底最大隆起作為評定指標，進行極差分析。計算結(jié)果見表3。

對支護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移結(jié)果進行詳細分析，表4中，KM1、KM2、KM3與KN1、KN2、KN3數(shù)值均不相等，可知，土體加固深度與寬度對支護結(jié)構(gòu)的變形存在影響。由KM1RN，對于支護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移，土體的加固深度比加固寬度影響更大。

加固深度與寬度對坑底隆起存在影響。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。但實際工程中，土體加固的造價太高，無限制提高土體加固深度，會造成巨大的浪費。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，建立模型進行計算。

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

坑底隆起計算結(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35 cm后，不同加固深度工況下，坑底隆起曲線幾乎重合;在距離樁35 cm以內(nèi)，坑底隆起曲線差異明顯。土體加固寬度為16 cm時，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。

綜合考慮加固深度對支護結(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挖深度的0.35～0.4倍。

3.5 土體加固寬度對基坑變形的影響

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種工況進行計算。

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

坑底隆起的計算結(jié)果如圖14所示。在與樁垂直距離超過35 cm后，坑底隆起曲線基本重合?？拥茁∑鹱畲笾滴挥诨又虚g位置，基本沒有變化。在與樁垂直距離0～35 cm，坑底隆起曲線差異明顯，土體加固寬度越大，坑底隆起越小。

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

4 結(jié)論

通過模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合，對基坑底部土體裙邊加固后基坑的變形與受力進行研究，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結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移;但對減小坑頂?shù)乇沓两敌Ч幻黠@;樁身彎矩也有所減小，但不明顯。

2）在土體開挖過程中，支護樁隨坑底某一點發(fā)生轉(zhuǎn)動，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基坑變形影響更大，通過增加土體的加固深度來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一定范圍后，加固效果沒有明顯提升。在含水率為20%左右的粘土中，加固深度宜取0.3～0.4倍的開挖深度，加固寬度宜取0.35～0.45倍的開挖深度。

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（編輯 鄧云）