崔澤恒,胡 科,閻 波,何毓林,任興偉,馮曉臘*

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,湖北 武漢 430010)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,城市空間日趨緊張,地下空間的開發(fā)利用進(jìn)入一個(gè)較快的發(fā)展時(shí)期。目前,城市大中型建筑工程深基坑面臨開挖面積大、開挖深度大、地下結(jié)構(gòu)凈空高、緊鄰變形敏感的構(gòu)筑物等情況,部分濱海濱江地區(qū)軟土深厚,對基坑變形的控制要求極高。面對深厚軟土不良地質(zhì)條件,目前基坑支護(hù)主要遵循“強(qiáng)樁強(qiáng)撐”的設(shè)計(jì)思路,但隨著基坑深度的加深,強(qiáng)樁強(qiáng)撐的支護(hù)形式有時(shí)也難以滿足基坑變形的控制要求,而且樁長較長時(shí)難以保證較好的成樁質(zhì)量。在廣大深基坑工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中,“樁撐+被動區(qū)加固”的組合支護(hù)形式的概念被提出并廣泛應(yīng)用。

被動區(qū)即基坑內(nèi)側(cè)受擠壓的土體,由于軟土的力學(xué)指標(biāo)低[1-2]、含水量高、壓縮性大、強(qiáng)度低,通過對基坑內(nèi)側(cè)被動區(qū)軟土進(jìn)行加固具有重要的作用:對于基坑變形控制方面,能夠改善土體物理力學(xué)性能,有效地約束基坑開挖引起的變形、保護(hù)基坑周邊環(huán)境[3-4];對于經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益方面,能夠有效增加被動區(qū)土體抗力,降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力,減小樁徑、樁長,減少支撐道數(shù),增大支撐凈空,實(shí)現(xiàn)挖土便捷、拆換撐減少、施工主體結(jié)構(gòu)便利,從而大幅縮短工期。

關(guān)于軟土深基坑被動區(qū)加固的研究,眾多學(xué)者從抽條加固、滿堂加固、墩式加固、裙邊加固等不同平面布置形式的差異和對基坑變形的影響[5-8],階梯式和矩形式斷面加固參數(shù)優(yōu)化[9],主、被動區(qū)土壓區(qū)加固設(shè)計(jì)思路[10],被動區(qū)加固體寬度和深度的有效值[8-9,11-15]等方面開展了廣泛研究,并提出針對不同地質(zhì)條件和支護(hù)形式的深基坑被動區(qū)加固有效參數(shù)。在珠海、上海、福建等沿海超深淤泥質(zhì)軟土地區(qū),部分區(qū)域面臨淤泥土層太厚支護(hù)樁無法穿透問題,在工程實(shí)踐[16-19]中結(jié)合被動區(qū)土體加固的方式,支護(hù)樁端即使在軟土中也依舊能滿足基坑變形控制要求。目前研究集中于支護(hù)樁端在軟土中的深基坑變形特性和失穩(wěn)破壞模式[20-22],關(guān)于此類工況下深基坑變形控制的研究和應(yīng)用還較少,而且深基坑變形更為敏感,也更需要采取被動區(qū)加固的有效手段來約束基坑變形。同時(shí)研究方法多采用現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式,未見被動區(qū)加固的離心模型試驗(yàn)研究。

本文建立4種深厚軟土基坑開挖模型,通過離心模型試驗(yàn)得到實(shí)際監(jiān)測結(jié)果,結(jié)合Plaxis3D巖土有限元軟件建立的等比例三維數(shù)值模型的模擬結(jié)果,通過將兩者相互驗(yàn)證,研究支護(hù)樁端在軟土中的深基坑變形破壞模式和坑內(nèi)被動區(qū)土體加固機(jī)制,以指導(dǎo)類似工程中加固體設(shè)計(jì)對基坑工程的變形控制作用。

1 離心模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文以武漢軟土地區(qū)20多個(gè)深基坑的地質(zhì)模型、支護(hù)結(jié)構(gòu)和開挖條件等資料為依據(jù),設(shè)計(jì)基坑開挖離心模型試驗(yàn),同時(shí)在設(shè)計(jì)該試驗(yàn)時(shí)考慮讓基坑變形突破現(xiàn)有規(guī)范一級基坑的50 mm標(biāo)準(zhǔn)限制,以充分體現(xiàn)被動區(qū)土體加固前后對基坑變形的控制效果,進(jìn)而探究被動區(qū)加固對基坑變形和穩(wěn)定性的作用機(jī)制。

1.1 試驗(yàn)原理

離心模型試驗(yàn)是利用土工離心機(jī)為模型提供離心力,在模型內(nèi)部形成N倍重力加速度的超重力場,彌補(bǔ)縮尺帶來的自重?fù)p失,還原原型應(yīng)力場,使模型與原型的應(yīng)力和應(yīng)變相等、變形相似、破壞機(jī)理相同[23]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備簡介

本次離心模型試驗(yàn)設(shè)備采用清華大學(xué)50 g·t土工離心機(jī),該離心機(jī)有效半徑為2.25 m,有效荷載為200 kg,最大離心加速度為250g,吊籃尺寸為75 cm×50 cm×60 cm(長×寬×高),選定的模型箱尺寸為65 cm×20 cm×55 cm(長×寬×高),如圖1所示。

圖1 離心模型試驗(yàn)機(jī)Fig.1 Centrifugal model testing machine

1.3 離心模型試驗(yàn)相似率確定

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型相似率N=50,即離心加速度設(shè)計(jì)值為50g。根據(jù)相似定理,離心模型試驗(yàn)中主要參數(shù)的比例關(guān)系[24]如表1所示。

表1 離心模型試驗(yàn)中參數(shù)的比例關(guān)系

1.4 地基土和加固體制備

離心模型試驗(yàn)需將現(xiàn)場地基土按照一定的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行重塑,但同時(shí)控制土體的多個(gè)物理力學(xué)指標(biāo)是難以操作的。對于黏性土一般滿足干密度、含水量等條件即可基本滿足相似關(guān)系要求。本次試驗(yàn)首先在模型箱底部鋪設(shè)8 cm厚的黃砂作為持力層,兼作雙排水通道。土樣選用的粉質(zhì)黏土,干密度為1.65 g/cm3,含水率為17%。淤泥質(zhì)軟土采用高嶺土,干密度取1.45 g/cm3,含水率為45%。土樣制備過程依次為土料烘干過篩、加水?dāng)嚢琛⒎謱雍恢?過程中控制各層土體質(zhì)量和夯筑后土體厚度。按照12、12、11 cm分層依次制得35 cm厚的淤泥質(zhì)軟土。粉質(zhì)黏土采用擊實(shí)法制樣,厚度為5 cm。

原型被動區(qū)采用三軸攪拌樁Φ850@600 搭接施工,加固區(qū)域?yàn)?.25 m×7.5 m(寬×深)的矩形裙邊加固。土體加固模型材料主要保證土體加固后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相似,且盡可能使加固范圍內(nèi)的土體性質(zhì)均勻,本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅粍訁^(qū)加固體采用P.S.A32.5級礦渣硅酸鹽水泥∶粉質(zhì)黏土干土∶水=10∶100∶18.7比例配制,養(yǎng)護(hù)齡期為2 d,測得其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.75 MPa,根據(jù)長度相似比,將模型加固體尺寸設(shè)置為165 cm×150 cm(寬×深),如圖2所示。

圖2 模型被動區(qū)加固體Fig.2 Passive zone reinforced soil of the model

本次試驗(yàn)采用無側(cè)限壓縮儀開展不同水泥含量和養(yǎng)護(hù)齡期加固體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),其測試結(jié)果見表2。

表2 不同水泥含量和養(yǎng)護(hù)齡期加固體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

為了了解重塑土特性,試驗(yàn)后用環(huán)刀取土樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)和含水率測試,其中將淤泥質(zhì)軟土分為3層進(jìn)行測試,其測試結(jié)果見表3。

表3 模型土樣的基本物理力學(xué)參數(shù)

1.5 模型支護(hù)結(jié)構(gòu)制作

本次試驗(yàn)原型選用的支護(hù)樁為直徑800 mm、間距1 200 mm、樁長21 m的C30鋼筋混凝土鉆孔灌注樁,根據(jù)抗彎剛度等效原則將鉆孔灌注樁等效為586 mm厚的地下連續(xù)墻,并根據(jù)長度相似比,得到地下連續(xù)墻模型厚度為586/50=11.72 mm。根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)本次選用密度為2 800 kg/m3、彈性模量為68.9 GPa,泊松比為0.33的鋁合金板作為支護(hù)樁模擬材料,根據(jù)抗彎剛度等效原則,鋁合金板材料的厚度按下面公式進(jìn)行計(jì)算:

(1)

式中:E為材料彈性模量(GPa);ξ為材料厚度(mm);ν為材料泊松比;下標(biāo)p為原型材料;下標(biāo)m為模擬材料。

根據(jù)公式(1)應(yīng)采用8.6 mm厚的鋁合金板,但因材料規(guī)格的原因?qū)嶋H中選用8.0 mm厚的鋁合金板,最終采用的鋁合金板規(guī)格為420 mm×200 mm×8 mm(長×寬×厚)。

對于支撐材料,本次選用密度為7 930 kg/m3、彈性模量為68.9 GPa、泊松比為0.247的304不銹鋼鋼管作為原型支撐的模擬材料,原型支撐橫截面為1 000 mm×800 mm的C35鋼筋混凝土內(nèi)支撐,考慮軸向抗壓剛度相似原則,按下面公式計(jì)算304不銹鋼鋼管材料的尺寸:

(2)

式中:E為材料彈性模量(GPa);A為根據(jù)長度相似原則換算后的材料截面積(mm2);D為材料直徑(mm);ξ為材料管壁平均厚度(mm);下標(biāo)p為原型材料;下標(biāo)m為模擬材料。

根據(jù)公式(2)最終采用的不銹鋼鋼管規(guī)格為壁厚1.5 mm、直徑14 mm。

1.6 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

不同區(qū)域、不同土層的基坑嵌固比變化較大,通過統(tǒng)計(jì)得知基坑嵌固比平均值在上海、香港、臺北、北京等地區(qū)主要分布在0.3～1.11之間[25]。為了更好地體現(xiàn)被動區(qū)土體加固前后對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和基坑穩(wěn)定性的影響,經(jīng)過多次試探性試驗(yàn),最終確定了兩組基坑嵌固比,分別為0.52和0.68。具體的離心模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。

表4 離心模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

離心模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)剖面示意如圖3所示。

圖3 離心模型設(shè)計(jì)剖面示意圖(單位:mm)Fig.3 Profile of the centrifugal model design

其中,A、B、C 3組模型均進(jìn)行離心試驗(yàn)以獲得各個(gè)深基坑模型受力變形特性的監(jiān)測結(jié)果,其中針對模型D采用Plaxis3D有限元軟件建立等比例數(shù)值模型進(jìn)行模擬研究。

1.7 試驗(yàn)過程

基坑開挖離心模型試驗(yàn)過程如下:

1) 土樣制備:控制干密度和含水率相似配置粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)軟土,從模型箱底部向上依次制備8 cm厚黃砂,12、12、11 cm厚淤泥質(zhì)軟土,5 cm厚粉質(zhì)黏土。

2) 用加載單位配置適當(dāng)重量的開挖側(cè)土體:在底板上配重,重量為缺失土體的重量,由于土體顆粒之間存在摩擦力,所以乘折減系數(shù)0.85。試驗(yàn)開始之前,底板和配重作用在土體上,開挖后,緩慢抬起底板,土體上的作用力減小直至為0,相當(dāng)于開挖至基底。

3) 用水泥土加固體置換坑底需要加固的原狀土。

4) 將模型支護(hù)板插入土體模擬支護(hù)樁施工。

5) 根據(jù)位移測量系統(tǒng)對灰度特征的需要,在有機(jī)玻璃一側(cè)的土體表面布設(shè)灰度標(biāo)記點(diǎn),如白色水磨石或大頭針。模型箱上機(jī)前如圖4所示。

圖4 模型B制備完實(shí)拍圖Fig.4 Finished model B

6) 將模型箱吊入離心機(jī)指定吊臂位置上,在另一端吊臂上進(jìn)行配重,同時(shí)接好各通道線,規(guī)劃線路布置,待準(zhǔn)備工作完成后,運(yùn)行大型土工離心機(jī)。

7) 地基土在50g重力場下充分固結(jié)沉降,固結(jié)沉降完成后進(jìn)行基坑模擬開挖過程。

8) 遠(yuǎn)程控制設(shè)備,提升配重單元,在離心場中實(shí)現(xiàn)自動開挖。

9) 在基坑開挖變形穩(wěn)定后,停機(jī),試驗(yàn)結(jié)束,全程采用清華大學(xué)非接觸位移測量系統(tǒng)[26](GIPS)監(jiān)測基坑各處的土體變形情況,該系統(tǒng)測量精度高,可達(dá)到亞像素量級。

2 三維數(shù)值模型建立

Plaxis3D軟件具備強(qiáng)大的建模和分析功能,它涵蓋了幾乎所有經(jīng)典及高級土體本構(gòu)模型,能夠模擬復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)和施工工況,并擁有豐富的可用以模擬巖土工程中土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)計(jì)算模型。

建立65 cm×20 cm×55 cm(長×寬×高)的離心模型試驗(yàn)50g超重力場等比例數(shù)值模型。模型的頂面自由,側(cè)立面邊界水平約束,豎直方向自由,底面邊界任意方向的位移為零,模擬模型箱作用,基坑中線支撐端添加固定位移約束,三維數(shù)值模型網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 三維數(shù)值模型網(wǎng)格劃分圖Fig.5 Meshing diagram of three-dimensional numerical model

所有土體均采用MC模型,模擬參數(shù)均采用模型試驗(yàn)材料的實(shí)測值,土體彈性模量取2～3倍的壓縮模量。通過界面強(qiáng)度折減因子對相應(yīng)土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減,以此來考慮結(jié)構(gòu)與相鄰?fù)馏w相互作用的界面行為,粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)軟土層折減因子取0.52,黃砂和加固體折減因子取0.7。支護(hù)鋁板采用板單元模擬,支護(hù)板添加正負(fù)界面單元。鋼管支撐采用梁單元模擬,內(nèi)支撐與支護(hù)板之間用圍檁剛性連接,圍檁采用梁單元模擬。在生成初始應(yīng)力場后的基坑開挖施工步驟見表5。

表5 基坑開挖施工步驟

3 離心模型試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果與三維數(shù)值模型模擬結(jié)果的對比分析

在試驗(yàn)結(jié)果整理和分析過程中均采用縮尺模型數(shù)值,相關(guān)數(shù)據(jù)都是在離心機(jī)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定狀態(tài)下采集所得。

3.1 模型驗(yàn)證與分析

選用模型A和模型B,其樁長為420 mm,均進(jìn)入到底部黃砂持力層中,模型B相對于模型A設(shè)置165 cm×150 cm(寬×深)的裙邊矩形加固體。圖6為基坑開挖至基底時(shí)模型A和模型B基坑土體和結(jié)構(gòu)的變形實(shí)拍圖,模型B相對于模型A的支護(hù)樁水平位移、地表沉降、基底隆起變形均比較小,被動區(qū)加固體對軟土區(qū)土體位移的控制有一定的貢獻(xiàn)。

圖6 模型A和模型B基坑變形實(shí)拍圖Fig.6 Pit deformation of model A and model B

圖7為基于GIPS圖像分析子系統(tǒng)制成的模型A和模型B基坑整體位移矢量圖,其中1 mm相當(dāng)于28～30個(gè)像素點(diǎn)。

圖7 模型A和模型B基坑整體位移矢量圖Fig.7 Overall displacement vector diagrams of foundation pit for model A and model B

由圖7可以看出:

1) 在被動區(qū)土體未加固的工況下,主動區(qū)基坑外地表處沉降較明顯,在基坑底部靠近樁側(cè)的基底隆起值較大,支護(hù)樁的最大位移也發(fā)生在基底處;隨著基坑開挖至基底產(chǎn)生的豎向卸荷作用和被動區(qū)土體壓力減小,支護(hù)樁外土體開始向坑內(nèi)移動,推著支護(hù)樁向坑內(nèi)發(fā)生變形,也會使基坑內(nèi)土體向上塑性隆起。

2) 模型B被動區(qū)加固后,坑外地表主要產(chǎn)生垂向變形,在靠近基底處位移矢量箭頭開始偏轉(zhuǎn),產(chǎn)生平行于水平方向的位移,支護(hù)樁的最大位移值也發(fā)生在基底處,坑內(nèi)被動區(qū)土體垂直方向隆起較小,整體上被動區(qū)加固后基坑各項(xiàng)變形值較未加固的工況小,可見對被動區(qū)土體加固能夠很好地約束基坑內(nèi)土體和結(jié)構(gòu)的變形。

圖8為模型A和模型B支護(hù)樁水平位移、地表沉降值和基底隆起值的模擬值與監(jiān)測值對比。

圖8 模型A和模型B基坑變形模擬值與監(jiān)測值對比圖Fig.8 Comparison between simulated values and monitoring values of foundation pit defor-mation for model A and model B

由圖8(a)可以看出:模型A支護(hù)樁最大水平位移模擬值為5.24 mm,位于深度約-221 mm處,最大水平位移監(jiān)測值為5.18 mm,位于深度約-230 mm處;模型B支護(hù)樁最大水平位移模擬值為1.69 mm,位于深度約-189 mm處,最大水平位移監(jiān)測值為1.79 mm,位于約-230 mm處?？梢?被動區(qū)土體加固的情況下支護(hù)樁水平位移最大值減小了65.8%,支護(hù)樁水平位移最大值的位置上移;在樁頂附近由于水平支撐的存在,兩種工況下支護(hù)樁水平位移均較小。

由圖8(b)可以看出:模型A最大地表沉降模擬值為10.42 mm,監(jiān)測值為9.59 mm;模型B最大地表沉降模擬值為4.28 mm,監(jiān)測值為3.77 mm。可見,被動區(qū)加固的情況下地表沉降最大值減小了60.7%。

由圖8(c)可以看出:模型A最大基底隆起模擬值為2.15 mm,監(jiān)測值為1.89 mm;模型B最大基底隆起模擬值為2.03 mm,監(jiān)測值為1.46 mm。可見,被動區(qū)加固的情況下基底隆起最大值減小了22.8%。模型A最大基底隆起主要發(fā)生在靠近支護(hù)樁側(cè),這是由于被動區(qū)未加固的工況下基坑內(nèi)側(cè)土體無法提供足夠的被動區(qū)土壓力,支護(hù)樁樁底會在坑內(nèi)產(chǎn)生較大的變形,引起坑內(nèi)側(cè)土體產(chǎn)生較大的塑性隆起。模型B被動區(qū)加固后靠近樁側(cè)基底隆起值較小,在裙邊加固范圍內(nèi)基底土體垂向變形均較小,變化幅度基本一致,靠近基坑中線基底隆起值較大,由此可見被動區(qū)土體加固后能很好地控制基坑底部土體的變形。

由圖8可以看出在兩種工況下,離心模型試驗(yàn)的模擬值與監(jiān)測值在基坑開挖過程中變化趨勢基本一致,模擬值和監(jiān)測值大小接近,從而驗(yàn)證了數(shù)值模型的合理性,說明被動區(qū)土體加固后基坑各項(xiàng)變形得到了較好的控制。

3.2 支護(hù)樁在軟土中的基坑破壞模式分析

本文選用模型A和模型C,其樁長分別為420、380 mm,模型C設(shè)置樁底在軟土中,均未設(shè)置被動區(qū)加固。圖9為基坑開挖至基底時(shí)模型C基坑變形實(shí)拍圖,圖10為模型C基坑整體位移矢量圖。

圖9 基坑開挖至基底時(shí)模型C基坑變形實(shí)拍圖Fig.9 Foundation pit deformation of model C during excavation to the base of the pit

圖10 模型C基坑整體位移矢量圖Fig.10 Overall displacement vector diagram of foundation pit for model C

由圖6(a)、圖7(a)、圖9和圖10可見:相較于模型A,模型C樁底在軟土中的工況下,基坑支護(hù)樁位移、地表沉降、基底隆起的變形顯著變大,支護(hù)體系的破壞模式為整體失穩(wěn),基坑產(chǎn)生擴(kuò)展滑移面,支護(hù)樁由“鼓肚子”變形轉(zhuǎn)化為“踢腳”破壞,這是由于,樁底在軟土中樁長減小,導(dǎo)致支護(hù)樁在坑底的嵌固作用減弱,進(jìn)而產(chǎn)生較大的變形。

圖11為模型A和模型C支護(hù)樁水平位移、地表沉降和基底隆起的模擬值與監(jiān)測值對比結(jié)果。

圖11 模型A和模型C基坑變形模擬值與監(jiān)測值對比圖Fig.11 Comparison between simulated values and monitoring values of foundation pit defor-mation for model A and model C

由圖11可以看出:模型C支護(hù)樁最大水平位移模擬值為44.13 mm,位于深度約-380 mm處,最大水平位移監(jiān)測值為47.26 mm,位于深度約-380 mm處,即支護(hù)樁底在硬土中的情況下支護(hù)樁水平位移最大值減小了89.0%;模型C最大地表沉降模擬值為45.2 mm,其監(jiān)測值為43.93 mm,樁底在硬土中的情況下地表沉降最大值減小了78.2%;模型C最大基底隆起模擬值為29.61 mm,其監(jiān)測值為31.05 mm,最大基底隆起主要發(fā)生在靠近支護(hù)樁側(cè),樁底在硬土中的情況下基底隆起最大值減小了92.7%。模型C模擬結(jié)果顯示基坑各項(xiàng)變形值相較于一級基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)較大,通過有限元強(qiáng)度折減法對基坑穩(wěn)定性進(jìn)行分析,得到基坑失穩(wěn)破壞時(shí)土體的剪切應(yīng)變云圖,見圖12。

圖12 基坑失穩(wěn)破壞時(shí)土體剪切應(yīng)變云圖Fig.12 Soil shear strain clouds during foundation pit destabilisation

由圖12可以看出:通過支護(hù)樁端形成一個(gè)向兩側(cè)發(fā)展的圓弧形剪切應(yīng)變帶,基坑為整體失穩(wěn)破壞,這也說明支護(hù)樁進(jìn)入硬土后的嵌固作用對“踢腳”變形控制非常有利,也顯著提高了基坑穩(wěn)定性。

3.3 支護(hù)樁在軟土中的基坑被動區(qū)加固效果分析

本文選用模型B、模型C和模型D,其樁長分別為420、380、380 mm,模型C和模型D設(shè)置樁底在軟土中,模型B和模型D設(shè)置被動區(qū)土體加固,以探究支護(hù)樁底在軟土中的基坑被動區(qū)加固效果。圖13為模型B、模型C和模型D支護(hù)樁水平位移、地表沉降、基底隆起模擬結(jié)果對比圖。

圖13 模型B、模型C和模型D基坑變形模擬值對比圖Fig.13 Comparison of simulated values of foundation pit deformation for model B,model C and model D

由圖13可以看出:

1) 模型D樁底在軟土中設(shè)置被動區(qū)加固的工況下,支護(hù)樁最大水平位移模擬值為1.71 mm,位于深度約-184 mm處,較未加固工況減小96.1%;最大地表沉降模擬值為6.22 mm,較未加固工況減小86.2%;最大基底隆起模擬值為2.02 mm,較未加固工況減小93.2%。表明基坑內(nèi)側(cè)被動區(qū)土體加固可以顯著控制基坑變形。

2) 模型D相較模型B,支護(hù)樁水平位移大小相近,地表沉降值增加1～2 mm,兩者變形趨勢一致,這是因?yàn)榧庸谭秶迅采w基坑底全部軟土,加固體接觸底部黃砂層,與底面接觸淤泥質(zhì)軟土相比,摩擦力顯著提高,也說明在加固體體量一定的情況下,樁長減小可以較好地發(fā)揮嵌固作用,樁底在軟土中的基坑變形穩(wěn)定。

裙邊加固需要考慮土體加固寬度和加固深度,本文分別選取0.1H～0.6H(H為基坑開挖深度)的加固深度和0.1H～1.2H的加固寬度,進(jìn)行全組數(shù)值模擬,共計(jì)17種工況。在模型模擬中僅選用Step 4中50g超重力基坑開挖至基底的階段位移研究開挖對基坑變形的影響,以支護(hù)樁水平位移、地表沉降值和基底隆起值來反映被動區(qū)土體加固效果,并引入相對加固寬度Br(Br=B/H)和相對加固深度Dr(Dr=D/H)的概念。

固定加固寬度為165 mm(0.66H),設(shè)置的加固深度梯度為0.1H～0.6H,探究裙邊矩形加固體深度對深基坑變形的影響。圖14為被動區(qū)不同加固體深度下模型基坑變形對比圖。

圖14 被動區(qū)不同加固體深度下模型基坑變形對比圖Fig.14 Comparison of modelled foundation pit deformation at different depths of passive zone reinforced soil

由圖14可以看出:隨著被動區(qū)加固體深度的增加,基坑支護(hù)樁水平位移、地表沉降值、基底隆起值均呈減小趨勢,當(dāng)加固體深度在0.1H～0.4H之間時(shí)基坑各項(xiàng)變形減小顯著,當(dāng)加固體深度在0.4H～0.6H之間時(shí)基坑各項(xiàng)變形減小幅度減緩,當(dāng)在加固體深度為0.6H時(shí)基坑變形值最小,這是因?yàn)樵?.6H加固范圍內(nèi)已覆蓋坑底全部軟土,加固體接觸底部黃砂層,摩擦力顯著提高,因此可以軟土底界面為控制深度,在深厚軟土條件下加固體有效深度范圍取0.4H～0.6H;隨著被動區(qū)加固體深度的增加支護(hù)樁變形逐漸收斂,支護(hù)樁水平位移最大值的位置也在上移;對于基底隆起變形,隨著加固體深度的增加靠近樁側(cè)的基底隆起值會逐漸減小至趨于穩(wěn)定。

圖15和圖16分別為不同加固體深度下基坑支護(hù)樁水平位移、地表沉降、基底隆起的最大值變化曲線和相對特征值變化曲線。

圖15 不同加固體深度下基坑變形最大值變化曲線Fig.15 Variation curves of maximum foundation pit defor-mation at different depths of reinforced soil

圖16 不同加固體深度下基坑變形相對特征值變化曲線Fig.16 Variation curves of relative characteristic values of foundation pit deformation at different depths of reinforced soil

由圖15可以看出:不同加固體深度下基坑各項(xiàng)變形整體上呈負(fù)相關(guān)變化趨勢,當(dāng)加固體深度在0.4H后基坑各項(xiàng)變形變化較小。

如圖16所示,引入基坑變形相對特征值S/S0(不同加固體尺寸下基坑各項(xiàng)變形最大值S與未加固時(shí)基坑各項(xiàng)變形最大值S0的比值)的概念,不加固時(shí)基坑支護(hù)樁水平位移、地表沉降和基底隆起最大值分別為δ0=44.04 mm、η0=-40.33 mm和ξ0=33.22 mm,即為S0,基坑變形相對特征值S/S0與加固體相對深度Dr呈對數(shù)負(fù)相關(guān),基坑支護(hù)樁水平位移、地表沉降、基底隆起相對特征值函數(shù)關(guān)系依次為

δ/δ0=-0.314lnDr-0.155 5,R2=0.978

(3)

η/η0=-0.353lnDr-0.133 3,R2=0.941

(4)

ξ/ξ0=-0.306lnDr-0.108 1,R2=0.936

(5)

式中:δ為加固條件下基坑支護(hù)樁水平位移最大值(mm);η為加固條件下地表沉降最大值(mm);ξ為加固條件下基底隆起最大值(mm);R2為相關(guān)系數(shù)。

記曲線斜率絕對值為敏感性系數(shù)Kr,表征基坑支護(hù)樁水平位移、地表沉降、基底隆起值關(guān)于加固體尺寸變化的敏感性。由式(3)～(5)可知,表征基坑支護(hù)樁水平位移、地表沉降、基底隆起相對特征值函數(shù)關(guān)系的敏感性系數(shù)Kr分別為0.314、0.353、0.306,即說明基坑各項(xiàng)變形值對于加固體深度變化的敏感性大小表現(xiàn)為:地表沉降>支護(hù)樁水平位移>基底隆起。

固定加固深度為0.4H,設(shè)置加固寬度梯度為0.1H～1.2H,探究裙邊矩形加固體寬度對深基坑變形的影響。圖17為被動區(qū)不同加固體寬度下模型基坑變形對比圖。

圖17 被動區(qū)不同加固體寬度下模型基坑變形對比圖Fig.17 Comparison of modelled foundation pit deformation at different widths of passive zone reinforced soil

由圖17可以看出:隨著被動區(qū)加固體寬度的增加基坑變形均呈遞減趨勢,當(dāng)加固體寬度在0.1H～0.6H時(shí)基坑變形減小顯著,當(dāng)加固體寬度在0.6H～1.0H時(shí)基坑變形減小幅度減緩,逐漸收斂,當(dāng)加固體寬度在1.0H～1.2H時(shí)基坑變形值已不再發(fā)生明顯變化,因此可以得出裙邊加固的合理加固寬度范圍可取在0.6H～1.0H。

對于基底隆起,不同加固體寬度下靠近支護(hù)樁側(cè)隆起變形較小,當(dāng)加固體寬度為0.3H～0.7H時(shí)基坑中線位置基底隆起變形逐步變大,出現(xiàn)“瓶頸效應(yīng)”[27],當(dāng)加固體寬度在0.7H～1.2H時(shí)基坑中線變形會逐步減小趨于穩(wěn)定。如圖18所示,不同加固體寬度下,基坑支護(hù)樁水平位移、地表沉降、基底隆起的最大值呈負(fù)相關(guān)趨勢,與上述分析一致。圖19顯示不同加固體寬度下基坑變形相對特征值S/S0和加固體相對寬度Br也呈對數(shù)負(fù)相關(guān),支護(hù)樁水平位移、地表沉降、基底隆起相對特征值函數(shù)關(guān)系依次為

圖18 不同加固體寬度下基坑變形最大值變化曲線Fig.18 Variation curves of maximum foundation pit deformation for different widths of reinforced soil

圖19 不同加固體寬度基坑變形相對特征值變化曲線Fig.19 Variation curves of relative characteristic values of foundation pit deformation for different widths of reinforced soil

δ/δ0=-0.109lnBr+0.047 3,R2=0.992

(6)

η/η0=-0.149lnBr+0.064 4,R2=0.974

(7)

ξ/ξ0=-0.102lnBr+0.093 3,R2=0.942

(8)

由式(6)～(8)可知,表征基坑支護(hù)樁水平位移、地表沉降、基底隆起相對特征值函數(shù)關(guān)系的Kr值分別為0.109、0.149、0.102,說明基坑各項(xiàng)變形值對于加固體寬度變化的敏感性大小表現(xiàn)為:地表沉降>支護(hù)樁水平位移>基底隆起,與加固體深度變化一致。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果討論

本研究的主要目的是探求軟土地區(qū)深基坑被動區(qū)土體加固對單支點(diǎn)高凈空排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和基坑穩(wěn)定性的控制效果和作用機(jī)制,因此在離心模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí),突破了現(xiàn)有規(guī)范對一級基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形不大于50 mm的限制。離心模型試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)值模擬研究結(jié)果,揭示了基坑被動區(qū)土體加固對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和基坑穩(wěn)定性的影響規(guī)律,對被動區(qū)加固范圍(加固深度、加固寬度)基坑設(shè)計(jì)上具有一定的指導(dǎo)意義。但同時(shí)必須指出的是,該研究結(jié)果僅是一些規(guī)律性的認(rèn)識,對于工程實(shí)踐的具體指導(dǎo),必須建立在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)允許變形范圍內(nèi)的基礎(chǔ)上。因此,為了更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐,下一步的研究工作將聚焦在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)允許變形范圍內(nèi)的被動區(qū)加固優(yōu)化設(shè)計(jì)上。

4 結(jié) 論

本文建立4種深厚軟土基坑開挖模型,通過離心模型試驗(yàn)的實(shí)際監(jiān)測結(jié)果,結(jié)合Plaxis3D巖土有限元軟件建立等比例三維數(shù)值模型,綜合對比基坑各項(xiàng)變形值以驗(yàn)證模型模擬的合理性,并通過數(shù)值模型研究了支護(hù)樁端在軟土中的深基坑變形破壞模式和坑內(nèi)被動區(qū)加固機(jī)制,得到以下結(jié)論:

1) 支護(hù)樁底在軟土中的深基坑相較于硬土中,基坑會發(fā)生整體失穩(wěn)破壞,基坑變形顯著增大,支護(hù)樁的變形由“鼓肚子”轉(zhuǎn)為“踢腳”破壞。支護(hù)樁進(jìn)入硬土后的嵌固作用對基坑變形控制非常有利,顯著提高了基坑穩(wěn)定性。

2) 支護(hù)樁底在軟土中設(shè)置被動區(qū)裙邊矩形加固,基坑變形得到顯著控制。加固體覆蓋坑底淤泥質(zhì)軟土區(qū)時(shí),支護(hù)樁底在軟土中和硬土中的基坑變形趨勢一致,大小相近,設(shè)置在一定體量的加固體可以在一定程度上減小支護(hù)樁樁長。

3) 隨著加固體深度、寬度的增加,基坑各項(xiàng)變形值均呈減小趨勢,減小到一定值后變化不明顯,加固深度有效范圍為0.4H～0.6H,加固寬度有效范圍為0.6H～1.0H。

4) 基坑變形相對特征值S/S0與加固體相對深度Dr、加固體相對寬度Br均呈對數(shù)負(fù)相關(guān),曲線斜率表征加固體尺寸變化對基坑變形的影響程度,其中對地表沉降的影響最大,其次為支護(hù)樁水平位移、基底隆起。