深厚软土深基坑被动区土体加固机制

崔泽恒,胡 科,阎 波,何毓林,任兴伟,冯晓腊*

(1.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北 武汉 430074;2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北 武汉 430010)

随着我国经济的迅速发展和城市化进程的加快,城市空间日趋紧张,地下空间的开发利用进入一个较快的发展时期。目前,城市大中型建筑工程深基坑面临开挖面积大、开挖深度大、地下结构净空高、紧邻变形敏感的构筑物等情况,部分滨海滨江地区软土深厚,对基坑变形的控制要求极高。面对深厚软土不良地质条件,目前基坑支护主要遵循“强桩强撑”的设计思路,但随着基坑深度的加深,强桩强撑的支护形式有时也难以满足基坑变形的控制要求,而且桩长较长时难以保证较好的成桩质量。在广大深基坑工程设计实践中,“桩撑+被动区加固”的组合支护形式的概念被提出并广泛应用。

被动区即基坑内侧受挤压的土体,由于软土的力学指标低[1-2]、含水量高、压缩性大、强度低,通过对基坑内侧被动区软土进行加固具有重要的作用:对于基坑变形控制方面,能够改善土体物理力学性能,有效地约束基坑开挖引起的变形、保护基坑周边环境[3-4];对于经济技术效益方面,能够有效增加被动区土体抗力,降低围护结构受力,减小桩径、桩长,减少支撑道数,增大支撑净空,实现挖土便捷、拆换撑减少、施工主体结构便利,从而大幅缩短工期。

关于软土深基坑被动区加固的研究,众多学者从抽条加固、满堂加固、墩式加固、裙边加固等不同平面布置形式的差异和对基坑变形的影响[5-8],阶梯式和矩形式断面加固参数优化[9],主、被动区土压区加固设计思路[10],被动区加固体宽度和深度的有效值[8-9,11-15]等方面开展了广泛研究,并提出针对不同地质条件和支护形式的深基坑被动区加固有效参数。在珠海、上海、福建等沿海超深淤泥质软土地区,部分区域面临淤泥土层太厚支护桩无法穿透问题,在工程实践[16-19]中结合被动区土体加固的方式,支护桩端即使在软土中也依旧能满足基坑变形控制要求。目前研究集中于支护桩端在软土中的深基坑变形特性和失稳破坏模式[20-22],关于此类工况下深基坑变形控制的研究和应用还较少,而且深基坑变形更为敏感,也更需要采取被动区加固的有效手段来约束基坑变形。同时研究方法多采用现场试验与数值模拟相结合的方式,未见被动区加固的离心模型试验研究。

本文建立4种深厚软土基坑开挖模型,通过离心模型试验得到实际监测结果,结合Plaxis3D岩土有限元软件建立的等比例三维数值模型的模拟结果,通过将两者相互验证,研究支护桩端在软土中的深基坑变形破坏模式和坑内被动区土体加固机制,以指导类似工程中加固体设计对基坑工程的变形控制作用。

1 离心模型试验设计

本文以武汉软土地区20多个深基坑的地质模型、支护结构和开挖条件等资料为依据,设计基坑开挖离心模型试验,同时在设计该试验时考虑让基坑变形突破现有规范一级基坑的50 mm标准限制,以充分体现被动区土体加固前后对基坑变形的控制效果,进而探究被动区加固对基坑变形和稳定性的作用机制。

1.1 试验原理

离心模型试验是利用土工离心机为模型提供离心力,在模型内部形成N倍重力加速度的超重力场,弥补缩尺带来的自重损失,还原原型应力场,使模型与原型的应力和应变相等、变形相似、破坏机理相同[23]。

1.2 试验设备简介

本次离心模型试验设备采用清华大学50 g·t土工离心机,该离心机有效半径为2.25 m,有效荷载为200 kg,最大离心加速度为250g,吊篮尺寸为75 cm×50 cm×60 cm(长×宽×高),选定的模型箱尺寸为65 cm×20 cm×55 cm(长×宽×高),如图1所示。

图1 离心模型试验机Fig.1 Centrifugal model testing machine

1.3 离心模型试验相似率确定

本次试验设计模型相似率N=50,即离心加速度设计值为50g。根据相似定理,离心模型试验中主要参数的比例关系[24]如表1所示。

表1 离心模型试验中参数的比例关系

1.4 地基土和加固体制备

离心模型试验需将现场地基土按照一定的物理力学指标进行重塑,但同时控制土体的多个物理力学指标是难以操作的。对于黏性土一般满足干密度、含水量等条件即可基本满足相似关系要求。本次试验首先在模型箱底部铺设8 cm厚的黄砂作为持力层,兼作双排水通道。土样选用的粉质黏土,干密度为1.65 g/cm3,含水率为17%。淤泥质软土采用高岭土,干密度取1.45 g/cm3,含水率为45%。土样制备过程依次为土料烘干过筛、加水搅拌、分层夯筑,过程中控制各层土体质量和夯筑后土体厚度。按照12、12、11 cm分层依次制得35 cm厚的淤泥质软土。粉质黏土采用击实法制样,厚度为5 cm。

原型被动区采用三轴搅拌桩Φ850@600 搭接施工,加固区域为8.25 m×7.5 m(宽×深)的矩形裙边加固。土体加固模型材料主要保证土体加固后无侧限抗压强度相似,且尽可能使加固范围内的土体性质均匀,本次试验模型被动区加固体采用P.S.A32.5级矿渣硅酸盐水泥∶粉质黏土干土∶水=10∶100∶18.7比例配制,养护龄期为2 d,测得其无侧限抗压强度为0.75 MPa,根据长度相似比,将模型加固体尺寸设置为165 cm×150 cm(宽×深),如图2所示。

图2 模型被动区加固体Fig.2 Passive zone reinforced soil of the model

本次试验采用无侧限压缩仪开展不同水泥含量和养护龄期加固体的无侧限抗压强度试验,其测试结果见表2。

表2 不同水泥含量和养护龄期加固体的无侧限抗压强度

为了了解重塑土特性,试验后用环刀取土样进行直剪试验、压缩试验和含水率测试,其中将淤泥质软土分为3层进行测试,其测试结果见表3。

表3 模型土样的基本物理力学参数

1.5 模型支护结构制作

本次试验原型选用的支护桩为直径800 mm、间距1 200 mm、桩长21 m的C30钢筋混凝土钻孔灌注桩,根据抗弯刚度等效原则将钻孔灌注桩等效为586 mm厚的地下连续墙,并根据长度相似比,得到地下连续墙模型厚度为586/50=11.72 mm。根据试验经验本次选用密度为2 800 kg/m3、弹性模量为68.9 GPa,泊松比为0.33的铝合金板作为支护桩模拟材料,根据抗弯刚度等效原则,铝合金板材料的厚度按下面公式进行计算:

(1)

式中:E为材料弹性模量(GPa);ξ为材料厚度(mm);ν为材料泊松比;下标p为原型材料;下标m为模拟材料。

根据公式(1)应采用8.6 mm厚的铝合金板,但因材料规格的原因实际中选用8.0 mm厚的铝合金板,最终采用的铝合金板规格为420 mm×200 mm×8 mm(长×宽×厚)。

对于支撑材料,本次选用密度为7 930 kg/m3、弹性模量为68.9 GPa、泊松比为0.247的304不锈钢钢管作为原型支撑的模拟材料,原型支撑横截面为1 000 mm×800 mm的C35钢筋混凝土内支撑,考虑轴向抗压刚度相似原则,按下面公式计算304不锈钢钢管材料的尺寸:

(2)

式中:E为材料弹性模量(GPa);A为根据长度相似原则换算后的材料截面积(mm2);D为材料直径(mm);ξ为材料管壁平均厚度(mm);下标p为原型材料;下标m为模拟材料。

根据公式(2)最终采用的不锈钢钢管规格为壁厚1.5 mm、直径14 mm。

1.6 试验设计

不同区域、不同土层的基坑嵌固比变化较大,通过统计得知基坑嵌固比平均值在上海、香港、台北、北京等地区主要分布在0.3～1.11之间[25]。为了更好地体现被动区土体加固前后对基坑支护结构变形和基坑稳定性的影响,经过多次试探性试验,最终确定了两组基坑嵌固比,分别为0.52和0.68。具体的离心模型试验设计参数如表4所示。

表4 离心模型试验设计参数

离心模型试验设计剖面示意如图3所示。

图3 离心模型设计剖面示意图(单位:mm)Fig.3 Profile of the centrifugal model design

其中,A、B、C 3组模型均进行离心试验以获得各个深基坑模型受力变形特性的监测结果,其中针对模型D采用Plaxis3D有限元软件建立等比例数值模型进行模拟研究。

1.7 试验过程

基坑开挖离心模型试验过程如下:

1) 土样制备:控制干密度和含水率相似配置粉质黏土和淤泥质软土,从模型箱底部向上依次制备8 cm厚黄砂,12、12、11 cm厚淤泥质软土,5 cm厚粉质黏土。

2) 用加载单位配置适当重量的开挖侧土体:在底板上配重,重量为缺失土体的重量,由于土体颗粒之间存在摩擦力,所以乘折减系数0.85。试验开始之前,底板和配重作用在土体上,开挖后,缓慢抬起底板,土体上的作用力减小直至为0,相当于开挖至基底。

3) 用水泥土加固体置换坑底需要加固的原状土。

4) 将模型支护板插入土体模拟支护桩施工。

5) 根据位移测量系统对灰度特征的需要,在有机玻璃一侧的土体表面布设灰度标记点,如白色水磨石或大头针。模型箱上机前如图4所示。

图4 模型B制备完实拍图Fig.4 Finished model B

6) 将模型箱吊入离心机指定吊臂位置上,在另一端吊臂上进行配重,同时接好各通道线,规划线路布置,待准备工作完成后,运行大型土工离心机。

7) 地基土在50g重力场下充分固结沉降,固结沉降完成后进行基坑模拟开挖过程。

8) 远程控制设备,提升配重单元,在离心场中实现自动开挖。

9) 在基坑开挖变形稳定后,停机,试验结束,全程采用清华大学非接触位移测量系统[26](GIPS)监测基坑各处的土体变形情况,该系统测量精度高,可达到亚像素量级。

2 三维数值模型建立

Plaxis3D软件具备强大的建模和分析功能,它涵盖了几乎所有经典及高级土体本构模型,能够模拟复杂的工程结构和施工工况,并拥有丰富的可用以模拟岩土工程中土体应力-应变关系的本构计算模型。

建立65 cm×20 cm×55 cm(长×宽×高)的离心模型试验50g超重力场等比例数值模型。模型的顶面自由,侧立面边界水平约束,竖直方向自由,底面边界任意方向的位移为零,模拟模型箱作用,基坑中线支撑端添加固定位移约束,三维数值模型网格划分如图5所示。

图5 三维数值模型网格划分图Fig.5 Meshing diagram of three-dimensional numerical model

所有土体均采用MC模型,模拟参数均采用模型试验材料的实测值,土体弹性模量取2～3倍的压缩模量。通过界面强度折减因子对相应土体的黏聚力和内摩擦角进行折减,以此来考虑结构与相邻土体相互作用的界面行为,粉质黏土和淤泥质软土层折减因子取0.52,黄砂和加固体折减因子取0.7。支护铝板采用板单元模拟,支护板添加正负界面单元。钢管支撑采用梁单元模拟,内支撑与支护板之间用围檩刚性连接,围檩采用梁单元模拟。在生成初始应力场后的基坑开挖施工步骤见表5。

表5 基坑开挖施工步骤

3 离心模型试验实测结果与三维数值模型模拟结果的对比分析

在试验结果整理和分析过程中均采用缩尺模型数值,相关数据都是在离心机旋转稳定状态下采集所得。

3.1 模型验证与分析

选用模型A和模型B,其桩长为420 mm,均进入到底部黄砂持力层中,模型B相对于模型A设置165 cm×150 cm(宽×深)的裙边矩形加固体。图6为基坑开挖至基底时模型A和模型B基坑土体和结构的变形实拍图,模型B相对于模型A的支护桩水平位移、地表沉降、基底隆起变形均比较小,被动区加固体对软土区土体位移的控制有一定的贡献。

图6 模型A和模型B基坑变形实拍图Fig.6 Pit deformation of model A and model B

图7为基于GIPS图像分析子系统制成的模型A和模型B基坑整体位移矢量图,其中1 mm相当于28～30个像素点。

图7 模型A和模型B基坑整体位移矢量图Fig.7 Overall displacement vector diagrams of foundation pit for model A and model B

由图7可以看出:

1) 在被动区土体未加固的工况下,主动区基坑外地表处沉降较明显,在基坑底部靠近桩侧的基底隆起值较大,支护桩的最大位移也发生在基底处;随着基坑开挖至基底产生的竖向卸荷作用和被动区土体压力减小,支护桩外土体开始向坑内移动,推着支护桩向坑内发生变形,也会使基坑内土体向上塑性隆起。

2) 模型B被动区加固后,坑外地表主要产生垂向变形,在靠近基底处位移矢量箭头开始偏转,产生平行于水平方向的位移,支护桩的最大位移值也发生在基底处,坑内被动区土体垂直方向隆起较小,整体上被动区加固后基坑各项变形值较未加固的工况小,可见对被动区土体加固能够很好地约束基坑内土体和结构的变形。

图8为模型A和模型B支护桩水平位移、地表沉降值和基底隆起值的模拟值与监测值对比。

图8 模型A和模型B基坑变形模拟值与监测值对比图Fig.8 Comparison between simulated values and monitoring values of foundation pit defor-mation for model A and model B

由图8(a)可以看出:模型A支护桩最大水平位移模拟值为5.24 mm,位于深度约-221 mm处,最大水平位移监测值为5.18 mm,位于深度约-230 mm处;模型B支护桩最大水平位移模拟值为1.69 mm,位于深度约-189 mm处,最大水平位移监测值为1.79 mm,位于约-230 mm处。可见:被动区土体加固的情况下支护桩水平位移最大值减小了65.8%,支护桩水平位移最大值的位置上移;在桩顶附近由于水平支撑的存在,两种工况下支护桩水平位移均较小。

由图8(b)可以看出:模型A最大地表沉降模拟值为10.42 mm,监测值为9.59 mm;模型B最大地表沉降模拟值为4.28 mm,监测值为3.77 mm。可见,被动区加固的情况下地表沉降最大值减小了60.7%。

由图8(c)可以看出:模型A最大基底隆起模拟值为2.15 mm,监测值为1.89 mm;模型B最大基底隆起模拟值为2.03 mm,监测值为1.46 mm。可见,被动区加固的情况下基底隆起最大值减小了22.8%。模型A最大基底隆起主要发生在靠近支护桩侧,这是由于被动区未加固的工况下基坑内侧土体无法提供足够的被动区土压力,支护桩桩底会在坑内产生较大的变形,引起坑内侧土体产生较大的塑性隆起。模型B被动区加固后靠近桩侧基底隆起值较小,在裙边加固范围内基底土体垂向变形均较小,变化幅度基本一致,靠近基坑中线基底隆起值较大,由此可见被动区土体加固后能很好地控制基坑底部土体的变形。

由图8可以看出在两种工况下,离心模型试验的模拟值与监测值在基坑开挖过程中变化趋势基本一致,模拟值和监测值大小接近,从而验证了数值模型的合理性,说明被动区土体加固后基坑各项变形得到了较好的控制。

3.2 支护桩在软土中的基坑破坏模式分析

本文选用模型A和模型C,其桩长分别为420、380 mm,模型C设置桩底在软土中,均未设置被动区加固。图9为基坑开挖至基底时模型C基坑变形实拍图,图10为模型C基坑整体位移矢量图。

图9 基坑开挖至基底时模型C基坑变形实拍图Fig.9 Foundation pit deformation of model C during excavation to the base of the pit

图10 模型C基坑整体位移矢量图Fig.10 Overall displacement vector diagram of foundation pit for model C

由图6(a)、图7(a)、图9和图10可见:相较于模型A,模型C桩底在软土中的工况下,基坑支护桩位移、地表沉降、基底隆起的变形显著变大,支护体系的破坏模式为整体失稳,基坑产生扩展滑移面,支护桩由“鼓肚子”变形转化为“踢脚”破坏,这是由于,桩底在软土中桩长减小,导致支护桩在坑底的嵌固作用减弱,进而产生较大的变形。

图11为模型A和模型C支护桩水平位移、地表沉降和基底隆起的模拟值与监测值对比结果。

图11 模型A和模型C基坑变形模拟值与监测值对比图Fig.11 Comparison between simulated values and monitoring values of foundation pit defor-mation for model A and model C

由图11可以看出:模型C支护桩最大水平位移模拟值为44.13 mm,位于深度约-380 mm处,最大水平位移监测值为47.26 mm,位于深度约-380 mm处,即支护桩底在硬土中的情况下支护桩水平位移最大值减小了89.0%;模型C最大地表沉降模拟值为45.2 mm,其监测值为43.93 mm,桩底在硬土中的情况下地表沉降最大值减小了78.2%;模型C最大基底隆起模拟值为29.61 mm,其监测值为31.05 mm,最大基底隆起主要发生在靠近支护桩侧,桩底在硬土中的情况下基底隆起最大值减小了92.7%。模型C模拟结果显示基坑各项变形值相较于一级基坑变形控制标准较大,通过有限元强度折减法对基坑稳定性进行分析,得到基坑失稳破坏时土体的剪切应变云图,见图12。

图12 基坑失稳破坏时土体剪切应变云图Fig.12 Soil shear strain clouds during foundation pit destabilisation

由图12可以看出:通过支护桩端形成一个向两侧发展的圆弧形剪切应变带,基坑为整体失稳破坏,这也说明支护桩进入硬土后的嵌固作用对“踢脚”变形控制非常有利,也显著提高了基坑稳定性。

3.3 支护桩在软土中的基坑被动区加固效果分析

本文选用模型B、模型C和模型D,其桩长分别为420、380、380 mm,模型C和模型D设置桩底在软土中,模型B和模型D设置被动区土体加固,以探究支护桩底在软土中的基坑被动区加固效果。图13为模型B、模型C和模型D支护桩水平位移、地表沉降、基底隆起模拟结果对比图。

图13 模型B、模型C和模型D基坑变形模拟值对比图Fig.13 Comparison of simulated values of foundation pit deformation for model B,model C and model D

由图13可以看出:

1) 模型D桩底在软土中设置被动区加固的工况下,支护桩最大水平位移模拟值为1.71 mm,位于深度约-184 mm处,较未加固工况减小96.1%;最大地表沉降模拟值为6.22 mm,较未加固工况减小86.2%;最大基底隆起模拟值为2.02 mm,较未加固工况减小93.2%。表明基坑内侧被动区土体加固可以显著控制基坑变形。

2) 模型D相较模型B,支护桩水平位移大小相近,地表沉降值增加1～2 mm,两者变形趋势一致,这是因为加固范围已覆盖基坑底全部软土,加固体接触底部黄砂层,与底面接触淤泥质软土相比,摩擦力显著提高,也说明在加固体体量一定的情况下,桩长减小可以较好地发挥嵌固作用,桩底在软土中的基坑变形稳定。

裙边加固需要考虑土体加固宽度和加固深度,本文分别选取0.1H～0.6H(H为基坑开挖深度)的加固深度和0.1H～1.2H的加固宽度,进行全组数值模拟,共计17种工况。在模型模拟中仅选用Step 4中50g超重力基坑开挖至基底的阶段位移研究开挖对基坑变形的影响,以支护桩水平位移、地表沉降值和基底隆起值来反映被动区土体加固效果,并引入相对加固宽度Br(Br=B/H)和相对加固深度Dr(Dr=D/H)的概念。

固定加固宽度为165 mm(0.66H),设置的加固深度梯度为0.1H～0.6H,探究裙边矩形加固体深度对深基坑变形的影响。图14为被动区不同加固体深度下模型基坑变形对比图。

图14 被动区不同加固体深度下模型基坑变形对比图Fig.14 Comparison of modelled foundation pit deformation at different depths of passive zone reinforced soil

由图14可以看出:随着被动区加固体深度的增加,基坑支护桩水平位移、地表沉降值、基底隆起值均呈减小趋势,当加固体深度在0.1H～0.4H之间时基坑各项变形减小显著,当加固体深度在0.4H～0.6H之间时基坑各项变形减小幅度减缓,当在加固体深度为0.6H时基坑变形值最小,这是因为在0.6H加固范围内已覆盖坑底全部软土,加固体接触底部黄砂层,摩擦力显著提高,因此可以软土底界面为控制深度,在深厚软土条件下加固体有效深度范围取0.4H～0.6H;随着被动区加固体深度的增加支护桩变形逐渐收敛,支护桩水平位移最大值的位置也在上移;对于基底隆起变形,随着加固体深度的增加靠近桩侧的基底隆起值会逐渐减小至趋于稳定。

图15和图16分别为不同加固体深度下基坑支护桩水平位移、地表沉降、基底隆起的最大值变化曲线和相对特征值变化曲线。

图15 不同加固体深度下基坑变形最大值变化曲线Fig.15 Variation curves of maximum foundation pit defor-mation at different depths of reinforced soil

图16 不同加固体深度下基坑变形相对特征值变化曲线Fig.16 Variation curves of relative characteristic values of foundation pit deformation at different depths of reinforced soil

由图15可以看出:不同加固体深度下基坑各项变形整体上呈负相关变化趋势,当加固体深度在0.4H后基坑各项变形变化较小。

如图16所示,引入基坑变形相对特征值S/S0(不同加固体尺寸下基坑各项变形最大值S与未加固时基坑各项变形最大值S0的比值)的概念,不加固时基坑支护桩水平位移、地表沉降和基底隆起最大值分别为δ0=44.04 mm、η0=-40.33 mm和ξ0=33.22 mm,即为S0,基坑变形相对特征值S/S0与加固体相对深度Dr呈对数负相关,基坑支护桩水平位移、地表沉降、基底隆起相对特征值函数关系依次为

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为加固条件下基坑支护桩水平位移最大值(mm);η为加固条件下地表沉降最大值(mm);ξ为加固条件下基底隆起最大值(mm);R2为相关系数。

记曲线斜率绝对值为敏感性系数Kr,表征基坑支护桩水平位移、地表沉降、基底隆起值关于加固体尺寸变化的敏感性。由式(3)～(5)可知,表征基坑支护桩水平位移、地表沉降、基底隆起相对特征值函数关系的敏感性系数Kr分别为0.314、0.353、0.306,即说明基坑各项变形值对于加固体深度变化的敏感性大小表现为:地表沉降>支护桩水平位移>基底隆起。

固定加固深度为0.4H,设置加固宽度梯度为0.1H～1.2H,探究裙边矩形加固体宽度对深基坑变形的影响。图17为被动区不同加固体宽度下模型基坑变形对比图。

图17 被动区不同加固体宽度下模型基坑变形对比图Fig.17 Comparison of modelled foundation pit deformation at different widths of passive zone reinforced soil

由图17可以看出:随着被动区加固体宽度的增加基坑变形均呈递减趋势,当加固体宽度在0.1H～0.6H时基坑变形减小显著,当加固体宽度在0.6H～1.0H时基坑变形减小幅度减缓,逐渐收敛,当加固体宽度在1.0H～1.2H时基坑变形值已不再发生明显变化,因此可以得出裙边加固的合理加固宽度范围可取在0.6H～1.0H。

对于基底隆起,不同加固体宽度下靠近支护桩侧隆起变形较小,当加固体宽度为0.3H～0.7H时基坑中线位置基底隆起变形逐步变大,出现“瓶颈效应”[27],当加固体宽度在0.7H～1.2H时基坑中线变形会逐步减小趋于稳定。如图18所示,不同加固体宽度下,基坑支护桩水平位移、地表沉降、基底隆起的最大值呈负相关趋势,与上述分析一致。图19显示不同加固体宽度下基坑变形相对特征值S/S0和加固体相对宽度Br也呈对数负相关,支护桩水平位移、地表沉降、基底隆起相对特征值函数关系依次为

图18 不同加固体宽度下基坑变形最大值变化曲线Fig.18 Variation curves of maximum foundation pit deformation for different widths of reinforced soil

图19 不同加固体宽度基坑变形相对特征值变化曲线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,表征基坑支护桩水平位移、地表沉降、基底隆起相对特征值函数关系的Kr值分别为0.109、0.149、0.102,说明基坑各项变形值对于加固体宽度变化的敏感性大小表现为:地表沉降>支护桩水平位移>基底隆起,与加固体深度变化一致。

3.4 试验结果讨论

本研究的主要目的是探求软土地区深基坑被动区土体加固对单支点高净空排桩支护结构变形和基坑稳定性的控制效果和作用机制,因此在离心模型试验设计时,突破了现有规范对一级基坑支护结构变形不大于50 mm的限制。离心模型试验结果及数值模拟研究结果,揭示了基坑被动区土体加固对支护结构变形和基坑稳定性的影响规律,对被动区加固范围(加固深度、加固宽度)基坑设计上具有一定的指导意义。但同时必须指出的是,该研究结果仅是一些规律性的认识,对于工程实践的具体指导,必须建立在基坑支护结构允许变形范围内的基础上。因此,为了更好地指导工程实践,下一步的研究工作将聚焦在基坑支护结构允许变形范围内的被动区加固优化设计上。

4 结 论

本文建立4种深厚软土基坑开挖模型,通过离心模型试验的实际监测结果,结合Plaxis3D岩土有限元软件建立等比例三维数值模型,综合对比基坑各项变形值以验证模型模拟的合理性,并通过数值模型研究了支护桩端在软土中的深基坑变形破坏模式和坑内被动区加固机制,得到以下结论:

1) 支护桩底在软土中的深基坑相较于硬土中,基坑会发生整体失稳破坏,基坑变形显著增大,支护桩的变形由“鼓肚子”转为“踢脚”破坏。支护桩进入硬土后的嵌固作用对基坑变形控制非常有利,显著提高了基坑稳定性。

2) 支护桩底在软土中设置被动区裙边矩形加固,基坑变形得到显著控制。加固体覆盖坑底淤泥质软土区时,支护桩底在软土中和硬土中的基坑变形趋势一致,大小相近,设置在一定体量的加固体可以在一定程度上减小支护桩桩长。

3) 随着加固体深度、宽度的增加,基坑各项变形值均呈减小趋势,减小到一定值后变化不明显,加固深度有效范围为0.4H～0.6H,加固宽度有效范围为0.6H～1.0H。

4) 基坑变形相对特征值S/S0与加固体相对深度Dr、加固体相对宽度Br均呈对数负相关,曲线斜率表征加固体尺寸变化对基坑变形的影响程度,其中对地表沉降的影响最大,其次为支护桩水平位移、基底隆起。