不同坑底加固方式对深基坑变形影响的研究.pdf

建 筑 技 术 4 8 6 Ar ch it e ct u r e T e ch n o l o g y 第 4 6卷第 6期 2 0 1 5年 6月 V 0 1 4 6 No 6 J u n 201 5 不 同坑底加 固方式对深基坑变形影响的研究 熊春宝 高 鹏 田力耘 熊爱成2 1 天津大学建筑工程学院 3 0 0 0 7 2 天津 2 天津市陆海测绘有限公司 3 0 0 1 9 1 天津 摘要 通过使用 A B A Q US 有限元软件建立三维模型 研究内撑式深基坑内被动区坑底加固对基坑变 形的影响 讨论基坑坑底满堂 裙边 抽条 格栅等四种不同加固方式对坑底隆起和围护结构侧向位移的影响 并结合工程实例的实测值与模拟值对比 验证模型的合理性 结果表明 坑底加固能有效抑制土体的隆起 其抑制作用从大到小依次是满堂 格栅 抽条 裙边加固 裙边加固能有效减小加固范围内土体的隆起 这 四种加固方式对抑制围护结构侧向位移的效果差距不大 主要影响最后一道支撑以下围护结构的侧向位移 关键词 坑底加固 内撑式深基坑 基坑变形 修正剑桥模型 中图分类号 T U7 5 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 4 7 2 6 2 0 1 5 0 6 0 4 8 6 0 5 STUDY oN I NFLUENCE OF DI FFERENT W AYS OF PI T BOTTOM REI NFORCEM ENT ON DEFoRM ATI oN OF DEEP FOUNDATI oN PI T XI ONG Ch un b ao GAO Pe n g TIAN Li y u n XI ONG Ai c h e ng 1 S ch o o l o f C i v il E n g i n e e r i n g T i a n j i n Un i v e r s i t y 3 0 0 0 7 2 T i a n j i n C h i n a 2 T i a n j i n S u r v e y i n g a n d Hy d r o g r a p h y Co L t d 3 0 0 1 9 1 T ia n j i n C h i n a Ab s t r a ct Ba s e d o n t h e t h r e e d ime n s i o n a l mo d e l e s t a b l i s h e d b y u s in g t h e AB AQUS fi n i t e e l e me n t s o f t wa r e t h e i n flu e n ce o f p it b o t t o m r e i n for ce me n t i n p a s s iv e z o n e a n d i n t e m a l b r a ce d d e e p f o u nd a t i o n p i t s o n d e f o r ma t io n o f f o u n d a t io n p it wa s s t u d i e d T h e in fl u e n ce o f d if f e r e n t r e i n f o r ce me n t wa y s t h e f u l l b o t t o m p it s k ir t e d g e r ib b o n a n d g r il l e o n t h e p i t b o t t o m u p h e a v a l a n d l a t e r a l d i s p l a ce me n t o f t he r e t a in in g s t r u ct u r e we r e d is cus s e d An d co mb in e d wi t h e n gi n e e r in g e xa mp l e s t h e mo d e l iS v e r i fi e d Th e r e s ul t s s ho we d t h a t t h e s o il r e in f o r ce me n t ca n e f f e ct iv e l y i n hi b it t h e a ct io n o f t h e f o u n da t io n p it a n d t h e i n h ib i t o r y e ffe ct f r o m l a r g e t o s ma l l is f u l l p i t b o t t o m g r il l e r i b b o n s k i rt e d g e r e i nf o r ce me n t At t h e s a me t ime s k ir t ca n e f f e c t iv e l y r e d u c e t h e pit bo t t o m u p he a v a l wit hin t he s c o p e o f s o il r e in f o r ce me n t Bu t f o r t he l a t e r a l d is p l a c e me n t o f t he r e t a i ni ng s t ru ct u r e t h e f o u r r e in for ce me n t wa y s h a v e l i t t l e d i ffe r e nce ma i n l y a ffe ct i ng t h e l a s t l a t e r a l d i s p l a c e me n t o f r e t a in i n g s t r u ct u r e Ke y wo r ds p it bo tto m r e in f o r ce me n t in t e r n a 1 b r a ce d d e e p f o u n d a t io n p i t d e fo r ma t io n o f f o u n d a t io n p it mo d i fi e d ca m cl a y co n s t i t u t i v e r e l a t io n s h ip 当前城市建设中基坑规模越来越大 土方开挖越 来越深 对基坑稳定和周围环境安全的影响也越来越 大 尤其在软土地区的基坑工程中 由于软土的内摩 擦角和粘聚力等力学指标很低 软土多呈软塑或半流 塑状态 若基坑设计不当 易造成围护结构侧向位移 过大 周围地面沉降及坑底隆起 进而影响基坑的稳 定及其邻近设施的安全和正常使用 在软土地区一 些较复杂的地下工程中 仅采用围护结构和支撑的措 施往往难以保证开挖时的稳定和变形控制 因此基坑 被动区土体加固技术越来越重要 2 3 o大量工程实践 及理论分析证明 对坑内被动区土体加固能很好地改 收稿 日期 2 0 1 5 0 2 0 1 基 金 项 目 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 9 7 3计 划 课 题 2 0 1 0 CB 7 3 2 1 0 6 作者简介 熊春宝 1 9 6 4 男 湖北省监利人 教授 博士 博 士生导师 主要研究方向为防灾减灾 岩土工程和基坑变形监测 e ma il l u h a i t i 1 2 6 co rn 善基坑坑底土体的物理力学 生质 起减小围护结构的 侧向位移 地面沉降及坑底隆起的作用 提高基坑稳 定性 4 5 1 对于基坑的土体加 固 已进行了一定的研究 陈 兴年等 4 1 从基坑工程中的变形产生和传播过程出发 考虑加固和基坑变形的相互关系 将软土基坑加固分 为被动加固和主动加固两类 并分析了这两类软土基 坑加固的变形控制原理和设计思路 贾坚 6 分析归纳 了土体加固技术在基坑开挖工程中的应用条件 工艺 特点及加固设计形式 秦爱芳等 以卸荷试验为基 础 通过室内的土体力学参数试验探讨了上海软土地 区基坑工程中坑底土体加固深度的问题 蒋建平 基 于平面数值模拟方法对坑底加固体的刚度效应进行了 探讨 胡文红等 p 根据某工程现场载荷试验结果 对 倾斜桩桩周土体进行浅层加固数值模拟 以研究其改 善倾斜桩竖向承载 生状的机理 2 0 1 5年 6月 熊春宝 等 不同坑底加固方式对深基坑变形影响的研究 虽然已有上述的研究 但通过三维模型考虑基坑 空间效应后内撑式深基坑内坑底加固对基坑变形影响 的研究还较缺乏 目前也尚无关于深基坑坑底满堂 裙边 抽条 格栅等四种不同加固方式对基坑变形效 果的分析研究 鉴于此 本文使用 A B A Q U S 三维有 限元软件建立模型 探讨与分析这四种不同加固方式 对坑底隆起和围护结构侧向位移的影响 得出基坑内 坑底加固对基坑变形的影响规律 为类似工程设计施 工提供依据 1 相关理论 1 1 修正剑桥模型 本文土体采用修正剑桥模型 该模型采用了椭 圆屈服面和相适应的流动准则 并以塑性体应变 为硬化参数 们 相适应流动规则 d e d gp 1 印 q 修正剑桥模型的屈服轨迹方程 p 譬 茜 譬 c 2 它相应的屈服轨迹是椭圆曲线 如图 1 所示 式中 为塑 生 体应变增量 为平均塑f生 剪应变增量 为比例系数 f 为屈服函数 P为平均主应力 q 为广 义剪应力 P为硬化参数 M 为平面上破坏线的斜率 1 2 基坑加固原理 目前 基坑工程设计已由强度控制转变为变形控 制 若将坑底隆起和围护结构变形视为影响源 周边 土体位移视为影响传播途径 则控制基坑变形可从控 制影响源和最大限度切断位移的传播途径 两方面 入手 实践表明 采用被动区加固可从源头上有效控 制基坑变形 f I 2 计算模型 2 1 几 何模 型 某基坑长 3 0 m 宽 3 0 m 开挖深度为 1 5 m 围 护结构采用 0 8 m厚地下连续墙 插入深度为 1 2 m 支 撑 截 面 尺 寸 为 0 6 m 0 6 m 支 撑 水 平 间 距 为 6 m 竖向1司距为4 m 共设 3 道水平支撑 支撑位置 分别位于 2 m 6 m和 一 1 0 m 坑底土体采用旋喷桩 加固 基坑剖面如图 2 由于基坑开挖影响宽度约为 开挖深度的 3 4 倍 影响深度约为开挖深度的2 4 倍 故本文所研究的基坑影响宽度和深度均取 3 倍的开挖 深度 根据对称性 取基坑 1 4 结构进行分析 故模 型计算范围取为 6 O 8 m 6 0 8 m 6 0 m 图 1 修正剑桥模型的屈服轨迹 图 2 基坑剖面示意 单位 m 2 2 物理参数 土体采用修正剑桥模 型 各土层参数指标见 表 1 及表 2 围护结构 即地下连续墙 和支撑按 线弹性材 料 考虑 密度 p 2 5 0 0 k g m 弹性模 量 2 5 0 0 0 MP a 泊松比 p 0 1 7 土体 加固体和地下 连续墙采用三维实体单元 C 3 D8 八结 点线性六面体 单元 支撑采用三维梁单元 B 3 2 三结点二次空间梁 单元 表 1 土层的物理力学参数 土层 层厚 密度 弹性模 泊松比 粘聚力 摩擦角 编 号 m k g m 量 MP a k P a 土层 1 6 l 8 0 0 3 1 2 O l3 5 l 0 l 4 土层 2 2 1 l 8 5 0 5 2 8 0 3 5 l 3 1 9 土层 3 3 3 l 9 0 0 1 0 1 5 0 3 5 8 2 7 加固体 6 1 9 2 0 3 0 0 0 3 2 6 0 5 0 表 2 土层 的修正剑桥模型计算参数 初始 初始压缩 膨胀曲线 临界破坏线 土层编号 孔隙比 曲线斜率 斜率 斜率 1 1 1 6 O 1 3 2 0 01 2 0 1 0 6 2 1 0 2 0 1 1 6 0 O1 0 5 1 O 2 3 0 8 5 0 08 2 0 0 0 9 0 0 9l 2 3 基本假定 1 由开挖前施 工地下连续墙 引起的土体原位 应力性状的改变不予考虑 土体的初始应力假定为静 止土压力 2 不考虑土的流变 不考虑土体开挖的过程 3 地表和各土层为匀质且均呈水平层状的弹 塑 陛材料 2 4 施工过程模拟 模拟基坑开 挖流程 1 对计算范 围内土体进 行初始应力分析 2 地下连续墙施工 基坑坑底 加固 3 第 1 步开挖 开挖深度为 2 m 设置第 1 道支撑 4 第 2 步开挖 开挖深度为 4 m 设置第 4 8 8 建筑技术 第 4 6 卷第 6 期 2 道支撑 5 第 3 步开挖 开挖深度为 4 m 设置 第 3 道支撑 6 第 4 步开挖 开挖深度为 5 m 挖 到坑底 3 计算结果分析 土体加固的平面设计形状可分为满堂式 中空式 格栅式 抽条式 裙边式和墩式 6 本文分别对满堂 裙边 抽条 格栅等四种加固方式取不同加固深度为 1 5 m 0 m 1 5 m 2m 1 5 m 4 m 1 5 m 6 m 1 5 m 8 m 表示从深度 1 5 m处开始加固 加固到深 度 l 5 n 1 8 m处 的情况下对坑底隆起和围护结构侧 向位移的影响进行分析 其平面形状如图 3 所示 其中裙边加固宽度为 4 5 m 抽条和格栅加固宽度为 2 5 m 净间距为 3 0 m 图 3几种加固体平面 单位 m a 满堂加固 b 裙边加固 c 抽条加固 d 格栅加固 3 1 坑底加 固对坑底 隆起 的影响 由图 4 可知 坑底加固对抑制坑底隆起的作用较 显著 坑底隆起随加固深度的增大而减小 图 4 a 为 满堂加固对坑底隆起的影响 当未加 固时坑底最大隆 起值 为 l 2 2 4cm 而在加 固深度为 1 5 m 6 m 的情况 下 坑 底最大隆起值为 6 8 7 cn l 坑底隆起值减小了 4 3 9 表明坑底满堂加固能明显减小坑底隆起值 图4 b 为裙边加固对坑底隆起的影响 裙边加固能有 效减小加固宽度范围内的土体隆起值 而对加固范围 之外抑制坑底隆起的作用较小 图 4 c 为垂直于抽条 加固方向的变形曲线 隆起形状呈波浪形 加固体所 在处为坑底土体隆起曲线的波谷 波峰位于各加固体 之间 图 4 d 为平行于抽条加固方向的变形曲线 坑 底土体隆起曲线呈凸形 基坑中心坑底隆起最大 图 4 e 为格栅加固对坑底隆起的影响 基坑坑底隆起大 幅降低 隆起形状呈波浪形 这是因加固体与坑底土 体I司存在接触摩擦 会限制坑内土体的竖向位移变形 同时 加固体的存在相 当于增大了坑底土体的弹性模 量 使其整体坑底隆起也大大降低 昱 趔 魈 蟹 螺 l 5 m 0 m 1 5 m 2 m 1 5 m O m o 一 1 5 m 2 m 1 5 m 4 m 一1 5 m 6 m 一l 5 m 4 m 6 1 5 m 6 m 离基坑边距离 m a 1 5 m 0 m 一 l 5 m 2 m 离基坑边距离 m b 1 5 m 0 m c 一 1 5 m 2 m 0 2 4 6 8 1 0 l 2 1 4 离基坑边 距离 m c 童 删 鑫 鬟 0 2 4 6 8 l 0 1 2 1 4 离基坑边距离 m d 1 5 m h 一1 5 m 2m 叫 5 m 4 m 一 1 5m 6m 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 离基坑边距离 m e 图4不同加固深度的坑底隆起曲线 a 满堂加固 b 裙边加固 c 抽条加固 垂直方向 d 抽条加固 平行方向 e 格栅加固 3 2 坑底加固对围护结构侧 向位移的影响 由图 5 可知 基坑开挖至坑底后 未加固时最大 侧向位移位于最后一道支撑与坑底开挖面之间 围 护结 构最大侧 向位移为 3 2 6 8 ram 在满堂 裙边 抽条及格栅加固深度为 1 5 m 6 m 的情况下 最大 侧向位移为 2 2 1 8 2 3 9 3 IT I1 T I 最大侧向位移减小了 2 6 8 3 2 1 表明坑底加固对抑制侧向位移的作用 较显著 能有效减小入土段连续墙的侧向位移 对基 坑最后一道支撑以上连续墙的侧向位移影响较 j 在 一 定加固深度范围内 侧向位移随加固深度的增大而 8 0 8 O 2 0 1 5 年 6月 熊春宝 等 不同坑底加 固方式对深基坑变形影响的研究 减小 但超过一定范围后继续增大加固深度对减小最 大侧向位移的效果不明显 而对坑底以下围护结构侧 向位移的影响较大 a 侧向位移 ra m 0 5 l 015加 3 0 3 5 5 l 0 1 5 送 2 0 25 侧 向位移 m m 0 5 1 0 l 5 扣 3 0 3 5 5 1 0 1 5 2 O 2 5 e 图 5 不同加固深度的侧向位移曲线 a 满堂加固 b 裙边加固 c1 抽条加固 垂直方向 c2 抽条加固 平行方向 d 格栅加固 3 3 变形 比较分析 分析比较基坑坑底加固深度为 1 5 m 6 m 的情况 下 不同加固方式对坑底隆起和围护结构侧向位移的 影响 3 3 1 四种不同加固方式对坑底隆起影响的比较 由图 6 可知 在坑底加固体置换率为 5 0 的情况 下 裙边 抽条加固最大坑底隆起值分别为 1 1 9 5 cm 及 9 5 8 cm 抽条加固的最大坑底隆起值比裙边加固减 少了 1 9 8 表明在相同加固体置换率的情况下 在 抑制坑底最大隆起的效果上抽条加固优于裙边加固 满 堂 裙边 抽 条 格栅 等四种 不同加 固方式 分别能有效减小坑底最大隆起值为 4 3 9 2 0 2 1 7 2 8 9 表明抑制坑底隆起作用由大到小依次 是满堂 格栅 抽条 裙边加固 裙边加固能有效减 未加 固 0 一裙边加固 抽条加固 扣格栅加固 U 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 离基坑边距离 m 图 6 不同加固方式的坑底隆起曲线 小加固宽度范围之内的土体隆起值 3 3 2 四种不同加固方式对围护结构侧向位移影响的比较 由图 7 可知 基坑坑底满堂 裙边 抽条 格 栅等四种加固方式分别能有效减小最大侧向位移为 3 2 1 2 6 8 2 9 4 3 1 1 表明四种不 同加固 方式抑制最大侧向位移的效果相差不大 因此 以控 制 围护结构侧向位移为主要 目的的被动区土体加固可 优选裙边加固 该法在保证基坑安全和减小环境影响 要求的基础上 可降低造价 侧向位移 ra m 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 1 0 1 5 2 o 2 5 图7 不同加固方式的侧向位移曲线 4 工程 实例 上海某基坑 南 区开挖面积 2 4 4 3 2 m 开挖深 度 2 2 5 0 2 3 2 5 m 围护结构采用 1 m厚 5 3 m深地下 连续墙 其中地下连续墙埋深 4 5 m以下的部分仅配 构造钢筋 共设 5 道钢筋混凝土支撑 其主要支撑 1 2 截面尺寸分别为 0 8 I I l 0 8 m 0 9 m 0 9 m 主要 支撑 3 4 5 截面尺寸都为 1 0 m 1 O m 坑底采用 8 m宽 4 m深三重管高压旋喷桩裙边加固 基坑剖面 如图 8 所示 在日本 建筑基础构造设计基准 中 基坑坑底 隆起值 l 建筑技术 第 4 6卷第 6期 C si hi 式中 G为坑底开挖面以下第i层土的回弹指数 h 为第i层土的厚度 为第 i层土的孔隙比 Jp 为第 i层土中心的原有土层上覆荷载 为由于开挖引起的 第i层土的荷载变化量 各土层计算参数如表3 所示 表 3 土层计算参数 土层 回弹指数 层厚 m 孔隙比 原有荷载 荷载变化量 编号 k N m k N m l 0 0 4 8 7 9 9 0 8 9 4 77 1 2 0 0 4 5 2 7 3 O 8 5 5 76 4 3 0 0 2 7 4 8 O 0 7 4 6 48 8 4 0 0 2 4 6 5 7 0 7 2 7 5 5 9 40 4 8 5 0 0 2 0 5 7 8 0 6 5 8 7 2 0 6 0 0 2 9 8 3 4 0 7 6 l 0 0 2 3 7 0 0 2 8 8 4 2 0 7 5 l l 5 5 6 由上述公式算得坑底最大隆起值为 1 5 1 5 cm 而 本文作者使用A B A Q U S 有限元软件所得的模拟值为 l 5 3 2 cm 两者基本吻合 另外 本文作者使用 A B A Q U S有限元软件对 该基坑长边方向中间位置处地下连续墙的侧向位移 进 行了模拟 图 9 由图可知 侧 向位移 的模 拟 值和实测 曲线很接近 最大侧向位移的实测值为 4 7 0 m m 模拟值为 4 7 8 m m 模拟值与实测值基本 吻合 验证了模型的合理眭 支撑 2 支撑 3 支撑 4 支撑 5 基坑坑底 悃 5 1 0 l 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 4 5 侧 向位移 ra m 10 20 30 40 5 0 图 8 南区基坑剖面图 单位 m 图 9 侧向位移曲线 5 结束语 在软土地区内撑式深基坑内采用坑底加固能有效 减小基坑变形 本文使用 A B A Q U S 建立三维有限元 模型 分别从基坑坑底满堂 裙边 抽条 格栅等四 种不同加固方式对坑底隆起和围护结构侧向位移的影 响进行分析 得出如下结论 1 基坑坑 底满堂 抽条 格栅 等土体加 固能 显著抑制坑底隆起 坑底隆起值随加固深度的增大而 减小 在加固深度为 1 5 n l 6 m 的情况下 有效减小 坑底隆起 2 1 7 4 3 9 裙边加固能有效减小加固宽 度范围内的土体隆起值 对抽条加固 坑底隆起在垂 直于抽条加固方向上呈波浪形曲线 在平行于抽条加 固方向上呈凸型曲线 对格栅加固 坑底隆起在两个 方向上均呈波浪形曲线 曲线的波谷位于加固体处 波峰位于各加固体之间 2 基坑坑 底满堂 裙边 抽条 格栅 等土体 加固方式对抑制最后一道支撑以下围护结构侧向位移 的作用较显著 在加固深度为 1 5 m 6 m 的情况下 最大侧向位移减小了 2 6 8 3 2 1 3 上述 四种不同加固方式对抑制坑底隆起作 用由大到小依次为满堂 格栅 抽条 裙边加固 而 在抑制围护结构侧向位移的效果方面 四者间差距不 大 以控制最大侧向位移为主要 目的者可优选裙边加 固 以控制基坑变形为主要目的者可选择抽条加固 要想达到更好的效果可选择格栅或满堂加固 因此 根据不同地质条件和基坑变形控制要求 选择合理的 加固方式 既能保证基坑安全并符合环境影响的要求 又能降低造价 参考文献 1 s F s u H J L i a o Y H Li n Ba s e s t a b i l i t y o f d e e p e x ca v a t io n in a n i s o t r o p i c s o ft cl a y J J o a l o f De o t e ch n i ca l a n d G e o e n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g 1 9 9 8 1 2 4 9 8 0 9 8 1 9 2 S h ir l a w J Nick J e t g r o u t in g s o ft cl a y s f o r t u n n e l i n g a n d d e e p e x ca v a t io n s d e s ig n a n d co n s t r u ct i o n i s s u e s c G r o u t i n g a n d g r o u n d t r e a t m e n t p r oce e d in gs o f t he t h ir d in t e r n a