摘 要：為研究基坑底部土體裙邊加固對(duì)基坑變形和內(nèi)力的影響，分別對(duì)未進(jìn)行坑底加固和采用坑底裙邊加固2種工況進(jìn)行模型試驗(yàn)。在填土過(guò)程中預(yù)先澆筑加固土體，實(shí)現(xiàn)坑底土體加固。在基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)地表沉降、冠梁側(cè)向位移、樁身彎矩以及樁后土壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。用有限元軟件Abaqus對(duì)模型試驗(yàn)進(jìn)行拓展，將基坑變形的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行極差分析。研究表明，對(duì)坑底土體采用裙邊加固，可以有效地減小支護(hù)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(jìn)行坑底加固的工況;土體開(kāi)挖，樁隨著坑底下某一點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，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(duì)基坑的變形影響更大;土體加固深度與寬度超過(guò)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(kāi)挖深度，寬度宜取0.35～0.45倍的開(kāi)挖深度。

　　關(guān)鍵詞：基坑開(kāi)挖;模型試驗(yàn);有限元;裙邊加固;加固范圍

　　《廣東土木與建筑》是廣東省建筑科學(xué)研究院與廣東省土木建筑學(xué)會(huì)合辦，涉及土木與建筑多學(xué)科的綜合性技術(shù)刊物。

　　隨著基坑規(guī)模的擴(kuò)大，施工環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，為減小基坑開(kāi)挖對(duì)周圍環(huán)境的影響[1]，因此，對(duì)基坑變形的要求也越來(lái)越高。基坑工程的變形指標(biāo)主要有圍護(hù)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(zhǎng)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(kāi)挖順序、合理選擇施工工藝、坑底加固、增加支護(hù)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(jiàn)[10-12]。裙邊加固相對(duì)于滿堂加固、暗墩加固等其他加固形式，“性價(jià)比”更高[13-14]，因此，常被用于一些安全等級(jí)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(jì)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(rèn)為，當(dāng)加固深度與寬度相當(dāng)時(shí)，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(gè)因素對(duì)基坑變形影響的強(qiáng)弱，也鮮有學(xué)者研究。在進(jìn)行基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，僅把土體加固當(dāng)作一種安全儲(chǔ)備手段，不僅沒(méi)有充分發(fā)揮加固土體的力學(xué)性能，而且造成了經(jīng)濟(jì)上的極大浪費(fèi)。

　　本文采用模型試驗(yàn)的方法，研究了坑底土體裙邊加固對(duì)基坑變形、支護(hù)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(duì)模型試驗(yàn)進(jìn)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(duì)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(yàn)

　　1.1 試驗(yàn)部件的參數(shù)設(shè)計(jì)

　　模型試驗(yàn)?zāi)M了一個(gè)開(kāi)挖深度為8 m的矩形基坑，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑為0.8 m、樁長(zhǎng)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(yàn)的幾何相似常數(shù)sl=1/20。根據(jù)對(duì)稱原理，取基坑的一半進(jìn)行試驗(yàn)。在實(shí)際工況中，要滿足所有的相似條件十分困難，故在模型試驗(yàn)中，將EI、EA、EW作為復(fù)合物理量進(jìn)行參考[20]。試驗(yàn)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(jì)算可得截面尺寸為13 mm×13 mm，長(zhǎng)度為60 cm。支護(hù)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(hù)樁主要作用為抗彎，所以需滿足EI相似，計(jì)算可得其直徑為37 mm，內(nèi)徑為35 mm，長(zhǎng)度為80 cm。試驗(yàn)部件參數(shù)見(jiàn)表1。

　　1.2 試驗(yàn)土體及加固土體的制備

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

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

　　1.3 試驗(yàn)方法

　　試驗(yàn)在尺寸為150 cm×120 cm×150 cm(長(zhǎng)×寬×高)的模型箱內(nèi)進(jìn)行，如圖2所示，為了消除邊界效應(yīng)，在模型箱四周涂抹潤(rùn)滑油。首先，將支護(hù)結(jié)構(gòu)架設(shè)到指定位置，然后，對(duì)模型箱進(jìn)行分層填土并灑水浸潤(rùn)。每次填土高度15 cm，然后采用平板夯實(shí)裝置，對(duì)填土進(jìn)行夯實(shí)，如圖3所示。為實(shí)現(xiàn)坑底加固，采用預(yù)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(shí)，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(shí)間后對(duì)土體進(jìn)行開(kāi)挖，土體分3層開(kāi)挖，第1層與第2層開(kāi)挖15 cm，第3層開(kāi)挖10 cm。為減小開(kāi)挖過(guò)程中擾動(dòng)的影響，在模型箱一側(cè)設(shè)置了出土口，填土過(guò)程中，用3塊木板將出土口擋住，每挖一層土前抽離相應(yīng)位置的木板，使之從出土口排出。

　　1.4 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

　　1.4.1 位移監(jiān)測(cè) 采用數(shù)顯百分表對(duì)基坑中間無(wú)支撐處的坑頂?shù)乇沓两怠⒂兄翁幣c無(wú)支撐處的冠梁側(cè)向位移、支撐下方的樁身彎矩和中間無(wú)支撐處的樁后土壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，百分表的精度為0.01 mm，如圖4所示。

　　1.4.2 彎矩監(jiān)測(cè) 應(yīng)變片沿著支護(hù)樁進(jìn)行粘貼，在坑底以上，每隔100 mm布置一個(gè);坑底以下，每隔50 mm布置一個(gè)。由于試驗(yàn)土樣含水率較高，所以，在應(yīng)變片表面涂抹了環(huán)氧樹(shù)脂及玻璃膠進(jìn)行防水處理。將應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變根據(jù)材料力學(xué)中彎矩計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，得到支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩。

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

　　2 試驗(yàn)結(jié)果分析

　　2.1 坑頂?shù)乇沓两?/p>

　　監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示，地表沉降隨著土層的開(kāi)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(jìn)行坑底加固的情況對(duì)比，趨勢(shì)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(kāi)挖而增大，但不呈線性關(guān)系。有支撐處冠梁與無(wú)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(shì)較無(wú)支撐處冠梁更為緩慢。與未進(jìn)行土體加固的情況進(jìn)行對(duì)比，有支撐處冠梁與無(wú)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(yàn)同樣選取了兩根位置對(duì)稱的支護(hù)樁進(jìn)行彎矩監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。隨著土體的開(kāi)挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩的絕對(duì)值增加，最大正彎矩的位置逐漸下移。第1層土體開(kāi)挖完成后，支護(hù)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(kāi)挖完成后，支護(hù)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(kāi)挖完成后，支護(hù)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(jìn)行土體加固的情況對(duì)比，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大正彎矩減小了6.6%。