基坑底部土体裙边加固模型试验与数值模拟研究

　　摘 要：为研究基坑底部土体裙边加固对基坑变形和内力的影响，分别对未进行坑底加固和采用坑底裙边加固2种工况进行模型试验。在填土过程中预先浇筑加固土体，实现坑底土体加固。在基坑开挖过程中对地表沉降、冠梁侧向位移、桩身弯矩以及桩后土压力进行监测。用有限元软件Abaqus对模型试验进行拓展，将基坑变形的计算结果进行极差分析。研究表明，对坑底土体采用裙边加固，可以有效地减小支护结构的侧向位移;坑顶地表沉降虽有减小，但效果不明显;桩身弯矩略小于未进行坑底加固的工况;土体开挖，桩随着坑底下某一点发生转动，造成桩上半部分土压力减小，桩底处土压力增大;裙边加固尺寸中深度相较于宽度对基坑的变形影响更大;土体加固深度与宽度超过一定范围，控制基坑变形的效果有所提高但不明显，加固深度宜取0.3～0.4倍的开挖深度，宽度宜取0.35～0.45倍的开挖深度。

　　关键词：基坑开挖;模型试验;有限元;裙边加固;加固范围

　　《广东土木与建筑》是广东省建筑科学研究院与广东省土木建筑学会合办，涉及土木与建筑多学科的综合性技术刊物。

　　随着基坑规模的扩大，施工环境越来越复杂，为减小基坑开挖对周围环境的影响[1]，因此，对基坑变形的要求也越来越高。基坑工程的变形指标主要有围护结构侧向位移、周围地表沉降和坑底隆起等[2-4]。如何控制基坑变形，徐长节等[5]、Yao[6]、姚燕明等[7]、Xu等[8]、康志军等[9]提出了诸多措施，如调整基坑土体开挖顺序、合理选择施工工艺、坑底加固、增加支护结构刚度等。其中，基坑底部土体加固，在软土地区的基坑工程中十分常见[10-12]。裙边加固相对于满堂加固、暗墩加固等其他加固形式，“性价比”更高[13-14]，因此，常被用于一些安全等级不高的基坑工程。

　　目前， Broms[15]、康志军等[16]、梁鹏宇等[17] 多采用数值计算方法研究基坑变形的影响因素，但方法比较单一。郑俊杰等[18]、马郧等[19]认为，当加固深度与宽度相当时，基坑的加固效果最优，但并未给出具体的取值范围。加固寬度与深度这两个因素对基坑变形影响的强弱，也鲜有学者研究。在进行基坑围护结构设计时，仅把土体加固当作一种安全储备手段，不仅没有充分发挥加固土体的力学性能，而且造成了经济上的极大浪费。

　　本文采用模型试验的方法，研究了坑底土体裙边加固对基坑变形、支护结构内力以及桩后土压力的影响。采用有限元软件Abaqus对模型试验进行拓展，研究裙边加固情况下土体的加固尺寸(加固深度与加固宽度)对基坑变形的影响，并确定裙边加固的合理取值范围，为今后的基坑工程提供借鉴。

　　1 模型试验

　　1.1 试验部件的参数设计

　　模型试验模拟了一个开挖深度为8 m的矩形基坑，支护结构采用直径为0.8 m、桩长16 m的密排钻孔灌注桩，并在冠梁处用1道钢筋混凝土支撑，其截面为600 mm×600 mm。试验的几何相似常数sl=1/20。根据对称原理，取基坑的一半进行试验。在实际工况中，要满足所有的相似条件十分困难，故在模型试验中，将EI、EA、EW作为复合物理量进行参考[20]。试验中，水平支撑采用顺纹木板，其弹性模量为11 GPa，可得SE≈1/3。考虑到支撑主要作用为抗压，所以需满足EA相似。计算可得截面尺寸为13 mm×13 mm，长度为60 cm。支护桩采用PV聚乙烯孰料材质，其弹性模量通常为2.1 GPa，可得SE≈1/15。支护桩主要作用为抗弯，所以需满足EI相似，计算可得其直径为37 mm，内径为35 mm，长度为80 cm。试验部件参数见表1。

　　1.2 试验土体及加固土体的制备

　　基坑底部土体加固的措施常见于含水率较大的粘土或者软土地区，故试验采用南昌某工地的粘性土。由于土质较杂，故对土样先进行晾晒，然后进行筛分。在进行晾晒前，对土体含水率进行测量，为21%。

　　土体加固试验中采用化学物质掺入试验土样，或者降低土体含水率，从而提高土体的力学性质，达到土体加固的目的。常见化学物质包括：水玻璃溶液、氯化钙溶液、超细水泥、硅粉与铝粉的混合物或者微生物材料等[21-22]。试验采用水灰比为1∶1的超细硅酸盐水泥浆液与试验土体进行混合，超细硅酸盐水泥浆液用量为制备加固土体的试验土样质量的8%，如图1所示。

　　1.3 试验方法

　　试验在尺寸为150 cm×120 cm×150 cm(长×宽×高)的模型箱内进行，如图2所示，为了消除边界效应，在模型箱四周涂抹润滑油。首先，将支护结构架设到指定位置，然后，对模型箱进行分层填土并洒水浸润。每次填土高度15 cm，然后采用平板夯实装置，对填土进行夯实，如图3所示。为实现坑底加固，采用预先填筑加固土体的方法，填土到一定高度，用隔板隔出加固区域，将制备好的加固土体填入区域并压实，形成加固区，然后继续填土至坑顶。裙边加固范围为25 cm×20 cm(宽×深)。静置一段时间后对土体进行开挖，土体分3层开挖，第1层与第2层开挖15 cm，第3层开挖10 cm。为减小开挖过程中扰动的影响，在模型箱一侧设置了出土口，填土过程中，用3块木板将出土口挡住，每挖一层土前抽离相应位置的木板，使之从出土口排出。

　　1.4 试验监测内容

　　1.4.1 位移监测 采用数显百分表对基坑中间无支撑处的坑顶地表沉降、有支撑处与无支撑处的冠梁侧向位移、支撑下方的桩身弯矩和中间无支撑处的桩后土压力进行监测，百分表的精度为0.01 mm，如图4所示。

　　1.4.2 弯矩监测 应变片沿着支护桩进行粘贴，在坑底以上，每隔100 mm布置一个;坑底以下，每隔50 mm布置一个。由于试验土样含水率较高，所以，在应变片表面涂抹了环氧树脂及玻璃胶进行防水处理。将应变片测得的应变根据材料力学中弯矩计算公式进行计算，得到支护结构的弯矩。

　　1.4.3 土压力监测 微型土压力盒采用云石胶粘贴在支护桩迎土测，沿着支护桩每隔100 mm布置一个，共布置7个，如图4所示。微型土压力盒的量程为50 kPa，精度为0.1%，直径为1 cm，厚度为4.2 mm。该土压力盒无需进行防水处理。

　　2 试验结果分析

　　2.1 坑顶地表沉降

　　监测结果如图5所示，地表沉降随着土层的开挖而逐渐增大，随着与冠梁距离的增加，地表沉降先增大后减小。与未进行坑底加固的情况对比，趋势基本一致，最大地表沉降位置相同，相差0.10 mm，最大沉降减小了约6.9%。

　　2.2 冠梁侧向位移

　　冠梁侧向位移如图6所示，冠梁侧向位移随着土层的开挖而增大，但不呈线性关系。有支撑处冠梁与无支撑处冠梁最终侧向位移分别为0.68 mm和0.92 mm。有支撑处冠梁位移增加趋势较无支撑处冠梁更为缓慢。与未进行土体加固的情况进行对比，有支撑处冠梁与无支撑处冠梁侧向位移分别减小了0.32 mm和0.38 mm，侧向位移平均降低了约30%。

　　2.3 桩身弯矩

　　裙边加固模型试验同样选取了两根位置对称的支护桩进行弯矩监测，监测结果如图7所示。随着土体的开挖，支护结构弯矩的绝对值增加，最大正弯矩的位置逐渐下移。第1层土体开挖完成后，支护结构最大正弯矩为0.12 N·m，位于距离桩顶10 cm处;第2层土体开挖完成后，支护结构最大正弯矩為0.59 N·m，位于距离桩顶20 cm处;第3层土体开挖完成后，支护结构最大正弯矩为0.99 N·m，位于距离桩顶30 cm处。与未进行土体加固的情况对比，支护结构最大正弯矩减小了6.6%。

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文章名称： 基坑底部土体裙边加固模型试验与数值模拟研究

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