深厚軟土深基坑被動區土體加固機制

崔澤恒,胡 科,閻 波,何毓林,任興偉,馮曉臘*

(1.中國地質大學(武漢)工程學院,湖北 武漢 430074;2.中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北 武漢 430010)

隨著我國經濟的迅速發展和城市化進程的加快,城市空間日趨緊張,地下空間的開發利用進入一個較快的發展時期。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、地下結構凈空高、緊鄰變形敏感的構筑物等情況,部分濱海濱江地區軟土深厚,對基坑變形的控制要求極高。面對深厚軟土不良地質條件,目前基坑支護主要遵循“強樁強撐”的設計思路,但隨著基坑深度的加深,強樁強撐的支護形式有時也難以滿足基坑變形的控制要求,而且樁長較長時難以保證較好的成樁質量。在廣大深基坑工程設計實踐中,“樁撐+被動區加固”的組合支護形式的概念被提出并廣泛應用。

被動區即基坑內側受擠壓的土體,由于軟土的力學指標低[1-2]、含水量高、壓縮性大、強度低,通過對基坑內側被動區軟土進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性能,有效地約束基坑開挖引起的變形、保護基坑周邊環境[3-4];對于經濟技術效益方面,能夠有效增加被動區土體抗力,降低圍護結構受力,減小樁徑、樁長,減少支撐道數,增大支撐凈空,實現挖土便捷、拆換撐減少、施工主體結構便利,從而大幅縮短工期。

關于軟土深基坑被動區加固的研究,眾多學者從抽條加固、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優化[9],主、被動區土壓區加固設計思路[10],被動區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條件和支護形式的深基坑被動區加固有效參數。在珠海、上海、福建等沿海超深淤泥質軟土地區,部分區域面臨淤泥土層太厚支護樁無法穿透問題,在工程實踐[16-19]中結合被動區土體加固的方式,支護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樁端在軟土中的深基坑變形特性和失穩破壞模式[20-22],關于此類工況下深基坑變形控制的研究和應用還較少,而且深基坑變形更為敏感,也更需要采取被動區加固的有效手段來約束基坑變形。同時研究方法多采用現場試驗與數值模擬相結合的方式,未見被動區加固的離心模型試驗研究。

本文建立4種深厚軟土基坑開挖模型,通過離心模型試驗得到實際監測結果,結合Plaxis3D巖土有限元軟件建立的等比例三維數值模型的模擬結果,通過將兩者相互驗證,研究支護樁端在軟土中的深基坑變形破壞模式和坑內被動區土體加固機制,以指導類似工程中加固體設計對基坑工程的變形控制作用。

1 離心模型試驗設計

本文以武漢軟土地區20多個深基坑的地質模型、支護結構和開挖條件等資料為依據,設計基坑開挖離心模型試驗,同時在設計該試驗時考慮讓基坑變形突破現有規范一級基坑的50 mm標準限制,以充分體現被動區土體加固前后對基坑變形的控制效果,進而探究被動區加固對基坑變形和穩定性的作用機制。

1.1 試驗原理

離心模型試驗是利用土工離心機為模型提供離心力,在模型內部形成N倍重力加速度的超重力場,彌補縮尺帶來的自重損失,還原原型應力場,使模型與原型的應力和應變相等、變形相似、破壞機理相同[23]。

1.2 試驗設備簡介

本次離心模型試驗設備采用清華大學50 g·t土工離心機,該離心機有效半徑為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 離心模型試驗機Fig.1 Centrifugal model testing machine

1.3 離心模型試驗相似率確定

本次試驗設計模型相似率N=50,即離心加速度設計值為50g。根據相似定理,離心模型試驗中主要參數的比例關系[24]如表1所示。

表1 離心模型試驗中參數的比例關系

1.4 地基土和加固體制備

離心模型試驗需將現場地基土按照一定的物理力學指標進行重塑,但同時控制土體的多個物理力學指標是難以操作的。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系要求。本次試驗首先在模型箱底部鋪設8 cm厚的黃砂作為持力層,兼作雙排水通道。土樣選用的粉質黏土,干密度為1.65 g/cm3,含水率為17%。淤泥質軟土采用高嶺土,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、加水攪拌、分層夯筑,過程中控制各層土體質量和夯筑后土體厚度。按照12、12、11 cm分層依次制得35 cm厚的淤泥質軟土。粉質黏土采用擊實法制樣,厚度為5 cm。

原型被動區采用三軸攪拌樁Φ850@600 搭接施工,加固區域為8.25 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限抗壓強度相似,且盡可能使加固范圍內的土體性質均勻,本次試驗模型被動區加固體采用P.S.A32.5級礦渣硅酸鹽水泥∶粉質黏土干土∶水=10∶100∶18.7比例配制,養護齡期為2 d,測得其無側限抗壓強度為0.75 MPa,根據長度相似比,將模型加固體尺寸設置為165 cm×150 cm(寬×深),如圖2所示。

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

本次試驗采用無側限壓縮儀開展不同水泥含量和養護齡期加固體的無側限抗壓強度試驗,其測試結果見表2。

表2 不同水泥含量和養護齡期加固體的無側限抗壓強度

為了了解重塑土特性,試驗后用環刀取土樣進行直剪試驗、壓縮試驗和含水率測試,其中將淤泥質軟土分為3層進行測試,其測試結果見表3。

表3 模型土樣的基本物理力學參數

1.5 模型支護結構制作

本次試驗原型選用的支護樁為直徑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厚的地下連續墻,并根據長度相似比,得到地下連續墻模型厚度為586/50=11.72 mm。根據試驗經驗本次選用密度為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樁模擬材料,根據抗彎剛度等效原則,鋁合金板材料的厚度按下面公式進行計算:

(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p為原型材料;下標m為模擬材料。

根據公式(1)應采用8.6 mm厚的鋁合金板,但因材料規格的原因實際中選用8.0 mm厚的鋁合金板,最終采用的鋁合金板規格為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鋼筋混凝土內支撐,考慮軸向抗壓剛度相似原則,按下面公式計算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p為原型材料;下標m為模擬材料。

根據公式(2)最終采用的不銹鋼鋼管規格為壁厚1.5 mm、直徑14 mm。

1.6 試驗設計

不同區域、不同土層的基坑嵌固比變化較大,通過統計得知基坑嵌固比平均值在上海、香港、臺北、北京等地區主要分布在0.3～1.11之間[25]。為了更好地體現被動區土體加固前后對基坑支護結構變形和基坑穩定性的影響,經過多次試探性試驗,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設計參數如表4所示。

表4 離心模型試驗設計參數

離心模型試驗設計剖面示意如圖3所示。

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

其中,A、B、C 3組模型均進行離心試驗以獲得各個深基坑模型受力變形特性的監測結果,其中針對模型D采用Plaxis3D有限元軟件建立等比例數值模型進行模擬研究。

1.7 試驗過程

基坑開挖離心模型試驗過程如下:

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

2) 用加載單位配置適當重量的開挖側土體: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0.85。試驗開始之前,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) 將模型支護板插入土體模擬支護樁施工。

5) 根據位移測量系統對灰度特征的需要,在有機玻璃一側的土體表面布設灰度標記點,如白色水磨石或大頭針。模型箱上機前如圖4所示。

圖4 模型B制備完實拍圖Fig.4 Finished model B

6) 將模型箱吊入離心機指定吊臂位置上,在另一端吊臂上進行配重,同時接好各通道線,規劃線路布置,待準備工作完成后,運行大型土工離心機。

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

8) 遠程控制設備,提升配重單元,在離心場中實現自動開挖。

9) 在基坑開挖變形穩定后,停機,試驗結束,全程采用清華大學非接觸位移測量系統[26](GIPS)監測基坑各處的土體變形情況,該系統測量精度高,可達到亞像素量級。

2 三維數值模型建立

Plaxis3D軟件具備強大的建模和分析功能,它涵蓋了幾乎所有經典及高級土體本構模型,能夠模擬復雜的工程結構和施工工況,并擁有豐富的可用以模擬巖土工程中土體應力-應變關系的本構計算模型。

建立65 cm×20 cm×55 cm(長×寬×高)的離心模型試驗50g超重力場等比例數值模型。模型的頂面自由,側立面邊界水平約束,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,三維數值模型網格劃分如圖5所示。

圖5 三維數值模型網格劃分圖Fig.5 Meshing diagram of three-dimensional numerical model

所有土體均采用MC模型,模擬參數均采用模型試驗材料的實測值,土體彈性模量取2～3倍的壓縮模量。通過界面強度折減因子對相應土體的黏聚力和內摩擦角進行折減,以此來考慮結構與相鄰土體相互作用的界面行為,粉質黏土和淤泥質軟土層折減因子取0.52,黃砂和加固體折減因子取0.7。支護鋁板采用板單元模擬,支護板添加正負界面單元。鋼管支撐采用梁單元模擬,內支撐與支護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 離心模型試驗實測結果與三維數值模型模擬結果的對比分析

在試驗結果整理和分析過程中均采用縮尺模型數值,相關數據都是在離心機旋轉穩定狀態下采集所得。

3.1 模型驗證與分析

選用模型A和模型B,其樁長為420 mm,均進入到底部黃砂持力層中,模型B相對于模型A設置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模型A和模型B基坑土體和結構的變形實拍圖,模型B相對于模型A的支護樁水平位移、地表沉降、基底隆起變形均比較小,被動區加固體對軟土區土體位移的控制有一定的貢獻。

圖6 模型A和模型B基坑變形實拍圖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相當于28～30個像素點。

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

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

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

圖8 模型A和模型B基坑變形模擬值與監測值對比圖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,最大水平位移監測值為5.18 mm,位于深度約-230 mm處;模型B支護樁最大水平位移模擬值為1.69 mm,位于深度約-189 mm處,最大水平位移監測值為1.79 mm,位于約-230 mm處?？梢?被動區土體加固的情況下支護樁水平位移最大值減小了65.8%,支護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,監測值為9.59 mm;模型B最大地表沉降模擬值為4.28 mm,監測值為3.77 mm?？梢?被動區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,監測值為1.89 mm;模型B最大基底隆起模擬值為2.03 mm,監測值為1.46 mm?？梢?被動區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生在靠近支護樁側,這是由于被動區未加固的工況下基坑內側土體無法提供足夠的被動區土壓力,支護樁樁底會在坑內產生較大的變形,引起坑內側土體產生較大的塑性隆起。模型B被動區加固后靠近樁側基底隆起值較小,在裙邊加固范圍內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,離心模型試驗的模擬值與監測值在基坑開挖過程中變化趨勢基本一致,模擬值和監測值大小接近,從而驗證了數值模型的合理性,說明被動區土體加固后基坑各項變形得到了較好的控制。

3.2 支護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設置樁底在軟土中,均未設置被動區加固。圖9為基坑開挖至基底時模型C基坑變形實拍圖,圖10為模型C基坑整體位移矢量圖。

圖9 基坑開挖至基底時模型C基坑變形實拍圖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,基坑支護樁位移、地表沉降、基底隆起的變形顯著變大,支護體系的破壞模式為整體失穩,基坑產生擴展滑移面,支護樁由“鼓肚子”變形轉化為“踢腳”破壞,這是由于,樁底在軟土中樁長減小,導致支護樁在坑底的嵌固作用減弱,進而產生較大的變形。

圖11為模型A和模型C支護樁水平位移、地表沉降和基底隆起的模擬值與監測值對比結果。

圖11 模型A和模型C基坑變形模擬值與監測值對比圖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,最大水平位移監測值為47.26 mm,位于深度約-380 mm處,即支護樁底在硬土中的情況下支護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,其監測值為31.05 mm,最大基底隆起主要發生在靠近支護樁側,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模擬結果顯示基坑各項變形值相較于一級基坑變形控制標準較大,通過有限元強度折減法對基坑穩定性進行分析,得到基坑失穩破壞時土體的剪切應變云圖,見圖12。

圖12 基坑失穩破壞時土體剪切應變云圖Fig.12 Soil shear strain clouds during foundation pit destabilisation

由圖12可以看出:通過支護樁端形成一個向兩側發展的圓弧形剪切應變帶,基坑為整體失穩破壞,這也說明支護樁進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定性。

3.3 支護樁在軟土中的基坑被動區加固效果分析

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設置樁底在軟土中,模型B和模型D設置被動區土體加固,以探究支護樁底在軟土中的基坑被動區加固效果。圖13為模型B、模型C和模型D支護樁水平位移、地表沉降、基底隆起模擬結果對比圖。

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樁底在軟土中設置被動區加固的工況下,支護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%。表明基坑內側被動區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,這是因為加固范圍已覆蓋基坑底全部軟土,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揮嵌固作用,樁底在軟土中的基坑變形穩定。

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,進行全組數值模擬,共計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,以支護樁水平位移、地表沉降值和基底隆起值來反映被動區土體加固效果,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為被動區不同加固體深度下模型基坑變形對比圖。

圖14 被動區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:隨著被動區加固體深度的增加,基坑支護樁水平位移、地表沉降值、基底隆起值均呈減小趨勢,當加固體深度在0.1H～0.4H之間時基坑各項變形減小顯著,當加固體深度在0.4H～0.6H之間時基坑各項變形減小幅度減緩,當在加固體深度為0.6H時基坑變形值最小,這是因為在0.6H加固范圍內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;隨著被動區加固體深度的增加支護樁變形逐漸收斂,支護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的基底隆起值會逐漸減小至趨于穩定。

圖15和圖16分別為不同加固體深度下基坑支護樁水平位移、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變形整體上呈負相關變化趨勢,當加固體深度在0.4H后基坑各項變形變化較小。

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變形最大值S與未加固時基坑各項變形最大值S0的比值)的概念,不加固時基坑支護樁水平位移、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呈對數負相關,基坑支護樁水平位移、地表沉降、基底隆起相對特征值函數關系依次為

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為相關系數。

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

固定加固深度為0.4H,設置加固寬度梯度為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為被動區不同加固體寬度下模型基坑變形對比圖。

圖17 被動區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:隨著被動區加固體寬度的增加基坑變形均呈遞減趨勢,當加固體寬度在0.1H～0.6H時基坑變形減小顯著,當加固體寬度在0.6H～1.0H時基坑變形減小幅度減緩,逐漸收斂,當加固體寬度在1.0H～1.2H時基坑變形值已不再發生明顯變化,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樁側隆起變形較小,當加固體寬度為0.3H～0.7H時基坑中線位置基底隆起變形逐步變大,出現“瓶頸效應”[27],當加固體寬度在0.7H～1.2H時基坑中線變形會逐步減小趨于穩定。如圖18所示,不同加固體寬度下,基坑支護樁水平位移、地表沉降、基底隆起的最大值呈負相關趨勢,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也呈對數負相關,支護樁水平位移、地表沉降、基底隆起相對特征值函數關系依次為

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,表征基坑支護樁水平位移、地表沉降、基底隆起相對特征值函數關系的Kr值分別為0.109、0.149、0.102,說明基坑各項變形值對于加固體寬度變化的敏感性大小表現為:地表沉降>支護樁水平位移>基底隆起,與加固體深度變化一致。

3.4 試驗結果討論

本研究的主要目的是探求軟土地區深基坑被動區土體加固對單支點高凈空排樁支護結構變形和基坑穩定性的控制效果和作用機制,因此在離心模型試驗設計時,突破了現有規范對一級基坑支護結構變形不大于50 mm的限制。離心模型試驗結果及數值模擬研究結果,揭示了基坑被動區土體加固對支護結構變形和基坑穩定性的影響規律,對被動區加固范圍(加固深度、加固寬度)基坑設計上具有一定的指導意義。但同時必須指出的是,該研究結果僅是一些規律性的認識,對于工程實踐的具體指導,必須建立在基坑支護結構允許變形范圍內的基礎上。因此,為了更好地指導工程實踐,下一步的研究工作將聚焦在基坑支護結構允許變形范圍內的被動區加固優化設計上。

4 結 論

本文建立4種深厚軟土基坑開挖模型,通過離心模型試驗的實際監測結果,結合Plaxis3D巖土有限元軟件建立等比例三維數值模型,綜合對比基坑各項變形值以驗證模型模擬的合理性,并通過數值模型研究了支護樁端在軟土中的深基坑變形破壞模式和坑內被動區加固機制,得到以下結論:

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

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

3) 隨著加固體深度、寬度的增加,基坑各項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均呈對數負相關,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,其次為支護樁水平位移、基底隆起。