收稿日期:2023-01-09;接受日期:2023-04-30
基金項(xiàng)目:山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2021MD021)
作者簡介:
劉強(qiáng),男,副教授,博士,研究方向?yàn)榄h(huán)境巖土。E-mail:sunnyseasea@163com
EditorialOfficeofYangtzeRiverThisisanopenaccessarticleundertheCCBY-NC-ND40license
文章編號:1001-4179(2024)03-0226-08
引用本文:劉強(qiáng),高立群,趙民,等強(qiáng)夯置換對軟土基坑邊坡開挖穩(wěn)定性的影響研究[J]人民長江,2024,55(3):226-233
摘要:
強(qiáng)夯置換作為一種地基處理方法,主要用于提高地基承載力,減小沉降,而將其作為基坑支護(hù)的相關(guān)研究卻鮮有報(bào)道。通過一系列室內(nèi)模型試驗(yàn)探討了不同強(qiáng)夯置換率、基坑邊坡坡率條件下,強(qiáng)夯置換后軟土基坑在開挖過程中的變形位移規(guī)律。通過構(gòu)建墩土合并計(jì)算、墩土分開計(jì)算、墩土耦合3種有限元數(shù)值模型,對室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證。結(jié)果表明:水平位移向四周呈輻射式遞減,室內(nèi)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的水平位移變化趨勢一致且吻合度較高;坡體穩(wěn)定系數(shù)隨置換率的增加而不斷上升;在墩與土之間加入界面單元提高了墩土之間的相互作用,可以有效提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞:強(qiáng)夯置換;墩土耦合;模型試驗(yàn);基坑開挖;數(shù)值模擬;濱海軟土
中圖法分類號:TU443
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A" " " " " " " " " "DOI:1016232jcnki1001-4179202403031
0引言
近年來,中國濱海城市建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,對土地的需求日益增加。濱海地區(qū)常見軟土具有天然含水率高、孔隙比大、壓縮性高、靈敏度高、強(qiáng)度低、透水性差等特點(diǎn),因此在軟土中建設(shè)基坑開挖工程時(shí)面臨坡體位移過大、地面沉降、坡體失穩(wěn)等嚴(yán)峻問題。
強(qiáng)夯置換法最早由法國Menard公司[1]開發(fā)并應(yīng)用于軟土地基處理[2-3],該工法將碎石等材料夯入軟土中形成置換墩體,置換墩體與周圍軟土共同形成復(fù)合地基。置換墩作為排水通道可以提高軟土的排水性,同時(shí)擠擴(kuò)作用可將墩周軟土擠密以提高軟土強(qiáng)度[4-5]。該方法引入中國后,在工程實(shí)踐中進(jìn)行了諸多應(yīng)用研究。高建中等[6]在強(qiáng)夯置換軟土地基中進(jìn)行了動力觸探試驗(yàn),結(jié)合理論計(jì)算,分析了土體沉降規(guī)律等,認(rèn)為強(qiáng)夯置換后的軟土地基承載力上升及整體強(qiáng)度增加。隨著對強(qiáng)夯置換法的研究不斷深入,該方法在實(shí)際工程中的一些不足也開始顯現(xiàn)出來,如墩間土加固不均勻、置換墩著底情況不易控制、工后沉降大等,針對這些問題部分學(xué)者對強(qiáng)夯置換法的應(yīng)用進(jìn)行了改進(jìn)。陳國棟[7]采用分層強(qiáng)夯置換的方式處理軟土地基,底層采用柱錘強(qiáng)夯置換保證置換墩能夠穿透軟弱層,頂層回填土采用平錘強(qiáng)夯置換使土體得到全方位擠密加固。劉強(qiáng)等[8]采用預(yù)成孔的強(qiáng)夯置換法顯著改善了置換墩著底情況不良及工后沉降大的問題。而趙福寧等[9]將天然片石用于島狀凍土路基的強(qiáng)夯置換處理,在提高路基強(qiáng)度的同時(shí)還阻斷了土中毛細(xì)水的上升,解決了路基凍脹、路面腐蝕的問題。
綜上可以看出,在工程實(shí)踐中,強(qiáng)夯置換已經(jīng)超越了其最初的適用條件、范圍及功能。而強(qiáng)夯置換相關(guān)的理論研究相對來說比較滯后,其中大部分的機(jī)理研究在施工中或施工后檢測。秦寶和[10]認(rèn)為夯擊能可以有效地提高強(qiáng)夯置換的深度,并且強(qiáng)夯置換對于軟土地基的處理需要一定的間歇時(shí)間。李華偉等[11]對孔隙水壓力的變化進(jìn)行監(jiān)測,確定了強(qiáng)夯置換過程中深度方向的影響要遠(yuǎn)大于水平方向。同樣,劉紅軍等[12]通過孔隙水壓力的檢測發(fā)現(xiàn),在2000~2500kN·m夯擊能下強(qiáng)夯置換最佳夯擊數(shù)為14擊。然而施工后檢測對強(qiáng)夯置換的時(shí)效性及其數(shù)值分析仍有不足[13]。
基于現(xiàn)場測試的理論研究雖然在真實(shí)性上更接近實(shí)際工程,但是也存在一定局限性。如現(xiàn)場試驗(yàn)環(huán)境情況復(fù)雜,難以就某一項(xiàng)影響因素深入探討。而結(jié)合室內(nèi)模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬可以進(jìn)一步探究強(qiáng)夯置換工法的加固機(jī)理。鄭凌逶等[14-16]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的手段模擬強(qiáng)夯置換過程中碎石墩的形成過程,按照時(shí)間順序?qū)⒅脫Q過程細(xì)分成能量與應(yīng)力波的傳遞、軟土整體變形、碎石結(jié)構(gòu)重分布、碎石與夯錘共同運(yùn)動4個(gè)階段。對于強(qiáng)夯置換的加固過程,李沛軒等[17]通過強(qiáng)夯模型試驗(yàn)研究出砂土強(qiáng)夯加固具有兩種模式,并總結(jié)出“重錘低落”適合加固深層和徑向土體、“輕錘高落”適合加固淺層土體。魏迎奇等[18]通過土石料夯擊實(shí)驗(yàn),闡述了加固過程分為加固發(fā)展階段和加固退化階段。
以上的模型試驗(yàn)均可以認(rèn)為是單元體試驗(yàn),探究的是強(qiáng)夯置換工法自身的一些影響因素。而結(jié)合強(qiáng)夯置換工法的基坑邊坡穩(wěn)定性的相關(guān)領(lǐng)域鮮有報(bào)道。相較于傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定方法,強(qiáng)夯置換法在縮短施工周期、降低經(jīng)濟(jì)成本、提高施工應(yīng)用范圍等方面具有重要意義。
本文設(shè)計(jì)并開展了強(qiáng)夯置換后海相軟土基坑開挖的室內(nèi)模型試驗(yàn),探討了不同強(qiáng)夯置換率、坡率條件下,強(qiáng)夯置換后軟土基坑在開挖過程中的變形位移規(guī)律。此外,通過構(gòu)建墩土合算、墩土分算、墩土耦合3種有限元數(shù)值模型,對室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證。
1模型試驗(yàn)研究
11試驗(yàn)材料
淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土取自青島膠州灣北岸,其主要物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。置換墩材料為粒徑大于15mm的碎石,含量不超過全重的30%[5]。
12試驗(yàn)設(shè)備
圖1所示為室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)P拖?,其?nèi)部尺寸為200cm×150cm×120cm(長×寬×高),考慮到邊界效應(yīng)的影響以及模型地基的實(shí)際制作,設(shè)定模型地基尺寸為碎石墩直徑的5倍以上[19]。四周為便于觀察的高強(qiáng)度透明有機(jī)玻璃板,底部設(shè)有排水通道。夯錘起落架與模型箱通過橫縱兩個(gè)方向的導(dǎo)軌連接并設(shè)有刻度尺,便于控制和測量夯點(diǎn)間距及夯錘落距。夯錘直徑φ=5cm,夯錘落距h=20cm,質(zhì)量為3kg。在JTM-V7000振弦式位移計(jì)的探針上焊接不銹鋼薄片便于對位移變化進(jìn)行測量。
13試驗(yàn)設(shè)計(jì)
共進(jìn)行了8組室內(nèi)基坑開挖試驗(yàn),具體試驗(yàn)方案見表2。強(qiáng)夯置換率[20](體積置換率)是通過改變墩體間距來控制的,墩體形狀是由室內(nèi)模型試驗(yàn)得到的形狀進(jìn)行概化處理所得[21]。
14模型地基制作及試驗(yàn)操作
試驗(yàn)共安裝了11個(gè)坡體位移計(jì),5個(gè)坡頂位移計(jì),位置如圖2所示。
在模型箱底部裝入厚20cm中細(xì)砂,防止強(qiáng)夯置換過程中夯錘擊穿軟土破壞試驗(yàn)箱,也便于人工開挖以及加速軟土固結(jié)過程。將現(xiàn)場取回的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的含水率配至液限的15倍[22],攪拌均勻后裝入試驗(yàn)?zāi)P拖?。依?jù)GB/T50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行加載固結(jié),分級施加荷載125,25,50,100kPa,對土體進(jìn)行重塑模擬天然地基土。通過加載板的位移值(<001mm/h)判斷每級荷載下固結(jié)是否穩(wěn)定,固結(jié)完成后關(guān)閉模型箱底部排水通道。將模型箱內(nèi)黏土的最終總厚度控制在40cm,在地基上部覆蓋厚度為2cm的碎石土層作為強(qiáng)夯置換的墊層。
每次試驗(yàn)置換布置4行×7列,共28支墩體。強(qiáng)夯置換試驗(yàn)的夯擊能W=30N×12m=36N·m,每3擊填料一次,共進(jìn)行15擊,填料方式采用1/2夯坑填料[21]。夯實(shí)待基坑穩(wěn)定后進(jìn)行開挖,基坑分4層開挖,每層開挖深度為10cm,每層開挖后待坡體穩(wěn)定再測量坡頂以及坡體內(nèi)部的水平位移,直至開挖深度為40cm,如圖3所示。完成一次基坑開挖試驗(yàn)后重塑模型地基土進(jìn)行下一次試驗(yàn)。
2數(shù)值模擬研究
莫爾-庫倫材料模型適用廣,將其應(yīng)用于一般巖土體的非線性分析能得到比較可靠的結(jié)果。本文選用該本構(gòu)模型來模擬土體。
以室內(nèi)模型試驗(yàn)為基礎(chǔ),在MidasGTSNX中建立相應(yīng)尺寸的三維有限元數(shù)值模型,模擬強(qiáng)夯置換淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的基坑開挖過程,對模型試驗(yàn)的結(jié)果加以驗(yàn)證。如圖4與圖5所示,數(shù)值模擬中的強(qiáng)夯置換率、墩體形狀、開挖相對位置與室內(nèi)模型試驗(yàn)保持一致。為提高計(jì)算的準(zhǔn)確性,模型采用混合網(wǎng)格(六面體網(wǎng)格與四面體網(wǎng)格組合)對土體及墩體進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并在坡體邊界添加邊界約束,提高坡體開挖的穩(wěn)定性。基坑開挖深度與室內(nèi)模型試驗(yàn)一致為40cm,不同坡率下分4層開挖(4種開挖工況),每層開挖深度為10cm。開挖至最大深度40cm。分別設(shè)置3種數(shù)值模擬形式:①墩土合算,通過2D平面應(yīng)變屬性對此次邊坡開挖進(jìn)行數(shù)值模擬;②墩土分算,通過對碎石墩和周邊的軟土分別賦予材料屬性;③墩土耦合,在墩土分算的基礎(chǔ)上,不同屬性材料的相鄰單元之間添加一個(gè)界面單元(界面單元可以模擬兩種接觸物之間相互摩擦的行為,對于不同材料之間的相互作用具有促進(jìn)作用),進(jìn)行開挖數(shù)值模擬。土層參數(shù)見表3。
3結(jié)果與討論
31坡體內(nèi)部水平移分析
根據(jù)模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果,將點(diǎn)S1、S5、S8、S11形成的橫剖面,點(diǎn)S4、S5、S6形成的縱剖面分別進(jìn)行坡內(nèi)水平位移的研究。
由圖6~7可知:完成4次開挖之后,模型試驗(yàn)最大坡內(nèi)水平移為315mm,位于點(diǎn)S1處,且坡率越大,最大坡內(nèi)水平位移值越大。橫向剖面結(jié)果呈線性下降關(guān)系,置換率181%,坡率1∶05處,S1至S5位移降低492%,其余數(shù)值降幅較緩??v向剖面坡內(nèi)水平位移近乎呈直線關(guān)系,即起伏變化不大,最大值出現(xiàn)在S5處,與橫剖面相同。整個(gè)縱向剖面坡內(nèi)水平位移是由開挖中點(diǎn)向四周呈輻射式遞減,坡率的增加對于坡內(nèi)水平位移影響較大,置換率的改變對坡內(nèi)水平位移影響較小。
圖8為數(shù)值模擬中基坑開挖到最大深度后的基坑水平位移云圖。由圖8可知,基坑放坡開挖后,基坑水平位移最大點(diǎn)并非位于基坑的坡頂角而是位于坡面1/2開挖深度處。圖8(c)中,依據(jù)坡體水平位移變化量可分為紅、黃、綠、青、藍(lán)共5個(gè)梯度區(qū),紅色為最大位移梯度區(qū),藍(lán)色為最小位移梯度區(qū)或稱安全區(qū),5個(gè)梯度區(qū)的基坑水平位移量由紅、黃、綠、青、藍(lán)梯度區(qū)依次減小。由圖8可見,模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的坡體水平位移變化趨勢相同,都是由坡面最大位移處向坡體內(nèi)部呈輻散式遞減。置換率的提高未明顯降低基坑開挖的最大水平位移,也未減小基坑水平位移的影響范圍。另外,由圖8可以看出,其最大水平位移范圍(紅色梯度區(qū))影響半徑逐漸減小,即提高置換率有助于提高復(fù)合地基的整體穩(wěn)定性;但墩間土的最大水平位移并未明顯降低,即墩間土的穩(wěn)定性沒有明顯改善。
在3種模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比之下,2D墩土合并計(jì)算在不同置換率下變形量較小,其參數(shù)無法準(zhǔn)確反應(yīng)開挖土體的情況;墩土分開計(jì)算對于土體之間的耦合度效果并不明顯,結(jié)果易出現(xiàn)不收斂,土體之間參數(shù)相互獨(dú)立,忽略土體的相互作用,更容易出現(xiàn)局部位移過大、失穩(wěn)的現(xiàn)象;墩土耦合模擬了土體之間的界面單元,土體之間的相互作用更加明顯,更加貼合實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果。
32坡頂水平移分析
坡頂各檢測點(diǎn)位如圖9所示。
x1與x2為最靠近邊坡開挖的監(jiān)測點(diǎn)位,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中水平位移變化幅度最大。由圖10~11可見,坡率1∶05處最大水平位移達(dá)到了29mm(置換率181%)、34mm(置換率283%);相同置換率下,坡率的減小,其位移數(shù)值改變較大,分別降低了655%(置換率181%)、933%(置換率283%),置換率的增加對坡頂位移的影響十分明顯,對整體復(fù)合地基的穩(wěn)定性具有顯著提升。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)都表明,伴隨坡度的不斷減緩,最大位移也在不斷降低。開挖坡率較小時(shí),強(qiáng)夯置換降低坡體水平位移的效果不明顯。當(dāng)小置換率下監(jiān)測點(diǎn)的水平位移已知,可預(yù)測較大置換率下的監(jiān)測點(diǎn)的水平位移,在坡體穩(wěn)定性符合安全標(biāo)準(zhǔn)的前提下,可根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)水平位移與置換率的線性關(guān)系,選擇合適的強(qiáng)夯置換率。
33置換墩圍護(hù)結(jié)構(gòu)室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析
置換墩復(fù)合土體開挖后的邊坡穩(wěn)定性分析,可根據(jù)位移監(jiān)測數(shù)據(jù)確定邊坡是否存在滑動面。圖12(b)所示為室內(nèi)模型試驗(yàn)A置換率為181%時(shí),通過坡體監(jiān)測點(diǎn)最大位移繪制的潛在滑動面,A1為坡率1∶15,A2為坡率1∶1,A3為坡率1∶05。由圖12可知,坡率越大,位移越大,破裂角越大,坡頂影響范圍越大,穩(wěn)定系數(shù)越小。與數(shù)值模擬的結(jié)果(見圖12(c)、圖12(d)、圖12(e))基本吻合,說明數(shù)值模擬建立的模型是合理的。
龔曉南[23]采用公式(1)~(2)來計(jì)算復(fù)合土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角,這是現(xiàn)在通用的復(fù)合土體綜合強(qiáng)度指標(biāo)表達(dá)公式,即面積置換率法。
置換率法復(fù)合土體黏聚力為
cc=mcg+(1-m)csc(1)
置換率法復(fù)合土體內(nèi)摩擦角為
tanφc=mtanφg+(1-m)tanφsc(2)
式中:cg為碎石的黏聚力,csc為軟土的黏聚力,φg為碎石的內(nèi)摩擦角,φsc為軟土的內(nèi)摩擦角。
結(jié)合公式(1)~(2),基于置換率計(jì)算的抗剪強(qiáng)度參數(shù),通過有限元法計(jì)算的坡體穩(wěn)定系數(shù),再繪制成穩(wěn)定系數(shù)與置換率的相關(guān)關(guān)系圖。由圖13可知,坡率1∶05時(shí)坡體不穩(wěn)定,隨著坡率的減小,坡體穩(wěn)定性提高,隨著置換率的增大墩土合并計(jì)算的坡體穩(wěn)定性安全儲備大;墩土分開計(jì)算置換率提高至15%時(shí)穩(wěn)定系數(shù)略有提升,置換率提高至25%時(shí)穩(wěn)定系數(shù)略有降低,置換率繼續(xù)提高而穩(wěn)定系數(shù)趨于平穩(wěn),增加甚微;墩土合并計(jì)算持續(xù)提高置換率至25%左右時(shí)穩(wěn)定系數(shù)一直降低,繼續(xù)提高置換率穩(wěn)定系數(shù)有上升的趨勢。
墩土分開計(jì)算即土與置換墩之間無相互作用,隨著置換率的不斷增加,坡體穩(wěn)定性的主導(dǎo)地位由土體向碎石過渡,整個(gè)坡體穩(wěn)定性不斷上升。墩土合并計(jì)算是把碎石樁與軟土按照置換率混合成碎石土,較好地發(fā)揮了墩土在荷載作用下的相互作用,小置換率時(shí)由于細(xì)顆粒的減少引起黏聚力的下降,而少量的粗顆?!坝坞x”在細(xì)顆粒中,沒有形成粗顆粒骨架,軟土對粗顆粒樁體的約束力較弱,因而復(fù)合土體的整體抗剪強(qiáng)度降低。當(dāng)置換率為約25%時(shí),既能形成穩(wěn)定的粗顆粒骨架保持樁體的自身穩(wěn)定性,又能因擠密作用提高墩土的密度和強(qiáng)度。由于土坡所受荷載主要是土的自重,提高置換率改善了軟土的性狀,增加了復(fù)合土體的密度,土中正應(yīng)力也相應(yīng)增大,而土的摩擦性導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度也增大,土坡穩(wěn)定性會更好。土坡置換率提高至以石性為主時(shí),坡角將由樁體材料碎石的內(nèi)摩擦角決定,與墩土分算的結(jié)果類同。
墩土耦合是將土體與置換墩之間添加一個(gè)相互作用的“橋梁”,既能保持土體的獨(dú)立性,也可以使墩體所產(chǎn)生的穩(wěn)定性更好的作用在土體上,在置換率約為15%之前,土體在整體穩(wěn)定性占據(jù)主要方面,置換率增加,墩體的穩(wěn)定性隨之增加,逐漸覆蓋土體強(qiáng)度,并在整體穩(wěn)定控制上占據(jù)主導(dǎo)地位,其穩(wěn)定系數(shù)不斷上升。
4結(jié)論
(1)通過室內(nèi)模型試驗(yàn)與3種數(shù)值模擬研究了不同強(qiáng)夯置換率、坡率對強(qiáng)夯置換后軟土基坑水平位移的影響。坡頂與坡體的水平位移隨置換率的增加而減小,隨坡率的增加而升高,且置換率對于最大水平位移以及坡體局部穩(wěn)定性的影響并不明顯,但是明顯提升復(fù)合地基的整體穩(wěn)定性。
(2)坡體內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)所形成的潛在滑裂面與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合,證明了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。
(3)通過對比3種數(shù)值模擬的整體穩(wěn)定性可知,墩土分開計(jì)算并未發(fā)揮土體與墩體之間的相互作用,僅僅是土體與墩體之間穩(wěn)定性的交替;墩土分開計(jì)算是將土體混合成為碎石土,隨置換率的提高,其內(nèi)部顆粒骨架的穩(wěn)定性不斷增加,土體密度也不斷上升,從而加強(qiáng)了土體的整體穩(wěn)定性;墩土耦合是將土與墩之間添加相互作用的“橋梁”,兩者共同發(fā)生作用的同時(shí),也充分發(fā)揮自身的整體穩(wěn)定性,隨置換率的增加,碎石墩穩(wěn)定性上升更加明顯,對于整體穩(wěn)定性更是起到了促進(jìn)作用。
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(編輯:黃文晉)