被動區加固參數對坑外樁基的變形影響分析

(1.中國地質大學工程學院 湖北 武漢 430074；2.贛西地質調查大隊 江西 南昌 330002)

被動區加固參數對坑外樁基的變形影響分析

蘭雁雄1吳飛林2馮磊1沈佳虹1

(1.中國地質大學工程學院湖北武漢430074；2.贛西地質調查大隊江西南昌330002)

為了縮短工程工期、節省費用，尋找合適被動區加固體加固齡期、水泥摻入比就顯得尤為重要。目前研究中，很少具體研究加固體齡期、水泥摻入比對臨近樁基礎的影響。通過改變加固體粘聚力、內摩擦角、彈性模量等，運用有限元軟件Abaqus模擬對樁基礎的影響，討論了加固齡期、水泥摻入比對樁基礎側向變形的影響，得到了最優加固齡期為28d、水泥摻入比10-12%，可為基坑變形地基處理提供參考。

被動區；加固體齡期；水泥摻入比；樁基礎

一、引言

近年來為了使深基坑開挖能夠高效安全地進行，國內外學者對基坑開挖工程展開了大量研究。深基坑支護設計由最初的強度控制發展到如今的系統控制、變形控制，通過對深基坑坑內軟弱土體的加固來提高基坑及其周邊結構的穩定性，這對優化深基坑支護設計具有重要意義[1-3]。城市化快速發展的今天，建筑物之間的距離越來越小，特別是基坑開挖對臨近建筑物樁型基礎的影響不容忽視。深基坑開挖對鄰近樁基礎的具體影響表現如下[4]：土體發生水平位移，使樁撓曲、側向變形以致產生偏斜，并產生較大彎矩，從而有可能使上部結構發生不均勻的沉降，甚至發生坍塌，造成極大的經濟損失。另外基坑開挖引起土體產生豎向位移使樁身產生向下負摩阻力，增加樁承受的豎向荷載并發生附加沉降和不均勻沉降。因此，基坑開挖必須控制周圍建筑物的不均勻沉降和水平位移，從根本上來說是其基礎的的不均勻沉降和側向位移，所以有必要研究基坑開挖對周邊建筑物樁基礎的影響。

基于上述，本文利用大型有限元軟件Abaqus對深基坑開挖、被動區土體加固以及建筑物的樁基礎作為一個系統整體建模分析。模擬基坑、樁基礎、加固體三者之間的相互作用，從被動區的加固體齡期和水泥摻入比分析對樁基礎的水平位移影響，從而為基坑被動區加固工程實踐提供一些經驗和理論。

二、被動區加固機理

早期深基坑開挖主要保證本身的穩定性，很少考慮基坑開挖對緊鄰建筑物樁基礎的影響。隨著城市化的發展，建筑物越來越多，距離越來越近，所以新建建筑物的基坑開挖必定會對原建筑物基礎產生一定的影響，有必要進行基坑加固處理保護建筑物安全。由此也出現了一些加固思路和方法，如被動區壓力注漿，主動區循跡補償注漿，水平注漿等。因此被動區加固是指加固樁后的土體，主要是通過改變加固區土體的粘聚力、內摩擦角、無側限抗壓強度等提高土體的抗變形能力，而影響水泥土的無側限抗壓強度的因素有：齡期、水泥摻入比、水泥強度等級、含水量、有機質含量、外摻劑、養護條件及土性等。袁建議，潘擁軍等[5]通過實驗得到試件內摩擦角、粘聚力與齡期、摻入比的關系圖。從中得到了試件的粘聚力、內摩擦角與養護齡期、摻入比非線性關系，而是隨著齡期的增加C、φ增加幅度減小，并指出內摩擦角最大增量為5o左右，粘聚力具有很大的提高，特別是90d齡期時的粘聚力比28d增加了50%。所以加固體齡期、摻入比是通過影響加固體的物理力學參數來影響樁基礎的。

三、被動區加固計算分析

(一)計算模型選取

為了研究被動區加固參數對臨近建筑物樁基礎的影響，引用模型[6]：土層簡化為上下兩層，上層20m為軟土層，下層土體為由粉砂構成的土性較好的土層。參數及物理力學指標如表1所示。

基坑開挖深度為8m，寬度為30m。圍護結構采用0.8m厚地下連續墻，長度20m，重度為28KN/m3，彈性模量取230Gpa，泊松比0.17。開挖方式為無支撐明挖法，分兩步開挖完成。鄰近樁基礎為雙排X700預制方樁，長32m，重度為28KN/m3，彈性模量取230Gpa，泊松比0.17，樁間距2m，前排樁距離基坑10m。加固體長寬選取最優深度H=5m、最優寬度B=6m。

由于主要考慮開挖卸荷作用下基坑被動區加固對樁和土體側向位移的控制效果，為了跟實際情況符合，選擇了樁-土接觸，同時地連墻和土體間設置接觸面單元，均滿足摩爾庫侖屈服準則，底部與土體都采用Tie綁定，側面接觸都選擇硬接觸，摩擦系數0.35，計算模型如圖1。

表1 土層物理力學性質

圖1有限元模型

Fig.1 The FEM model

(二)加固體參數選取

土體和加固體采用以莫爾一庫侖屈服條件為破壞準則的理想彈塑性模型，模擬工況采用水泥攪拌樁對坑底進行加固，由于加固后土體性質發生了較大的變化，常規的試驗方法不能獲得其強度計算參數。黃紹

銘等[7]提出水泥摻入比、齡期與無限限抗壓強度經驗方程式為：

fcu1/fcu2=(aw1/aw2)1.7736(1)

fcu1/fcu2=(T1/T2)0.4182(2)

式中：為水泥摻入比為、齡期為的水泥土無側限抗壓強度；為水泥摻入比為、齡期為的水泥土無側限抗壓強度。水泥土的割線模量與無側限抗壓強度之間的關系大致呈正比：。參考文獻[8]中樁的壓縮模量近似取的一半，再根據文獻[9]中提出的彈性模量約為壓縮模量的3倍的經驗關系得到加固體的加固后彈性模量。黃紹銘[7]提出了水泥土的粘聚力與其無側限抗壓強度關系，一般水泥土無側限抗壓強度，其粘聚力c=0.1-4.0Mpa，二者關系為；水泥土的內摩擦角的變化范圍在20o-30o，一般水泥土內摩擦角隨齡期、摻入比在5°內變化，本文模型選擇20o-24o變化。參數選取如表2、表3。

表2 水泥土(摻入比12%)加固體物理力學參數

表3 水泥土(齡期28d)加固體物理力學參數

四、被動區加固計算分析

(一)被動區加固齡期對樁基礎的影響分析

圖2所示為加固體不同齡期時的樁側移曲線。由圖可見，進行坑內被動區軟土加固處理對于控制墻體側向變形具有十分顯著的效果，原因是水泥土的摻入能明顯提高軟土的強度；其次隨著加固體齡期的增加，樁身側移在逐漸減小，但減小的幅度越來越小；另外加固體對加固深度范圍上部的樁身變形有較大影響，對樁體下部影響相對較弱，并且下部出現了較小增加，分析原因可能是由于處于中上部(8-14m處)加固體作用于連續墻，使得基坑周圍地層損失減小，很好的限制了上部土層的水平位移，使上部分地層損失轉移了到下部土體導致前樁水平位移微小的增加。

圖3所示為加固體齡期對樁身最大側移的影響曲線，從圖中可以看出樁基礎的最大側移隨著被動區加固體齡期的增加而慢慢減小，并且0-7d加固效果最顯著。7-14d其次，14d以后影響幅度逐漸變小，尤其是在60d后，樁身最大側移變化量基本不變。進一步分析可知，當加固體齡期達到90d時，樁身側移最大值較沒有加固情況下可以減小90.5%，當加固體齡期為7d時，樁身側移

最大值較不進行地基加固情況下減小83.9%，完成了加固體齡期為90d側移所能減小量的92.7%；當加固體齡期達到14d時，樁水平側移最大值較未坑底加固情況下減小87.6%，完成了加固體齡期為90d所能完成側移減小量的96.8%；當加固體齡期達到了28d時，樁水平位移最大值較未坑底加固情況下減小89.4%，完成了加固體齡期為90d所能完成位移減小量的98.8%；剩余的1.2%，則需要再養護兩個月才可以完成。

圖2 齡期對樁身側移影響

圖3 齡期對樁身最大側移影響

可見，當齡期為7d時，圍護結構的位移已經得到一定程度的限制，繼續增加水泥土的養護時間到28d，而樁身最大側移相對變化量相對于14d僅僅增加了1.8%，所以說齡期增加到14d后是不能很好的繼續減小樁身的最大側移。原因如下：考慮到經濟的原因，加固體的范圍是有限，隨著的齡期增加到14d，水泥土的各項物理力學參數有顯著的提高，可以很好的限制擋土墻的位移、減少基坑底部隆起量，有效的減少地層損失，減小基坑開挖對樁基礎的影響，繼續增加加固體臨期，水泥土的各項物理力學參數會繼續增加，但對連續墻的限制作用是有限的，除非增加加固的范圍，加固體只作用于連續墻的(8-14m)，不能很好的控制上部連續墻的側向位移，所以說繼續增加齡期對控制樁基礎的側向位移不明顯。但對于類似基坑，圍護結構位移控制嚴格，其被動區加固體齡期宜選則28d，這樣既對位移有較大的限制作用，又可以明顯縮短工期、節省費用。

(二)水泥摻入比對樁基礎的影響分析

圖4為加固體不同水泥摻入比0%、7%、10%、12%、15%、20%的樁身側移隨深度變化曲線。由圖可見，進行坑內軟土加固處理對于控制樁側向變形具有十分顯著的效果。其次隨著加固體水泥摻入比的增長，樁身水平位移在逐漸減小，但減小的幅度越來越小。加固體對加固深度范圍上部的樁身變形有較大影響，對樁體下部影響相對較弱，并且出現了較小的增加，原因和齡期對樁的影響一樣。

圖5所示為加固體不同摻入比對樁身最大側移的影響曲線。由曲線可知，樁身的最大側移隨著加固體摻入比的不斷增長而逐漸減小，并且0-7%影響最顯著，加固效果最好。7-10%其次，12%以后影響幅度逐漸變緩。分析可知，當加固體摻入比達到20%時，樁身水平位移最大值較未加固情況下可以減小92%，當加固體摻入比達到7%時，樁身側移最大值較未加固情況下減小82.8%，完成了加固體摻入比為20%所能完成位移減小量的90%；當加固體齡期達到10%時，樁身側移最大值較未加固情況下減小87.7%，完成了加固體。

圖4 摻入比對樁身側移的影響

圖5 摻入比對樁身最大側移影響

齡期為90d所能完成位移減小量的95%；當加固體齡期達到12%時，樁身側移最大值較未地基加固情況下減小89.5%，完成了加固體齡期為90d所能完成位移減小量的97%；剩下的3%，則需要再增加8%的水泥量才可以完成。

可見，當水泥摻入比為7%時，樁身的側移已經得到一定程度的限制，但對于類似基坑，周邊樁基側移控制嚴格，其被動區加固體摻入比宜選則10-12%，因為加固體的范圍有限，加固體的物理力學參數達到一定值后，對樁基的影響非常小，所以選擇水泥摻入比10-12%。這樣既對位移有較大的限制作用，又可以明顯減少用料。

五、結語

通過有限元計算分析了基坑開挖時被動區加固對鄰近樁基礎的影響。不同于以往的從加固寬度、深度、加固位置對樁基礎的影響，本文通過給已經得到的最優寬度、深度建立了被動區加固體加固齡期、水泥摻入比對樁基側向變形的影響曲線，得出了一些有意義的結論，如出于經濟安全考慮坑內加固加固體齡期可選擇28d、加固體水泥摻入可選擇在10-12%，這樣既可以節省用料、也可減少工期，節省經費。需要指出的是，本文的結果都是在特定算例下得到的，具有一定的局限性。考慮到基坑工程變形影響因素的復雜性，在今后的工作中，有必要進一步從不同水泥標號，不同土層條件等加固體對鄰近樁基變形控制的影響進行深入研究。

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[2]唐孟雄,陳如桂,陳偉.深基坑工程變形控制[M].北京:中國建筑工業出版社,2006.

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[6]杜金龍,楊敏.鄰近基坑樁基側向變形加固控制分析[J].結構工程師,2008,24(5):93-100.

[7]黃紹銘,高大劍.軟土地基與地下工程[M].2版.北京:中國建筑工業出版社,2005.

[8]張雪嬋.軟土地基狹長型深基坑性狀分析[D].杭州:浙江大學,2012.

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Analysisontheinfluenceofpassivezonereinforcementparameterstoadjacentpilefoundations

LanYanxiong1WuFeilin2FengLei1ShenJiahong1

(1.CollegeofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074) (2.geologyinvestigationbrigadeofwesternJiangxi,Nanchang330002)

In order to shorten the construction period and save expense,to find suitable solid reinforcement age of passive zone and cement mixing ratio are particularly important.However,at present there rarely are specific studies on the influence of reinforcement age and cement mixing ratio to adjacent pile foundations.The effect of reinforcement age and cement mixing ratio to the lateral deformation of pile foundation was discussed by applying ABAQUS to simulate the influence on pile foundation,where has changed the cohesion,internal friction angle and elastic modulus of the pile.We concluded that the optimum reinforcement age is 28 days and cement mixing ratio is 10-12%,which can provide a reference for the deformation of foundation treatment.

passive zone;reinforcement age;cement mixing ratio;pile foundation

蘭雁雄(1993-)，男，漢族，重慶人，碩士研究生，中國地質大學(武漢)，主要研究地基與基礎工程。