摘 要：為研究基坑底部土體裙邊加固對基坑變形和內力的影響，分別對未進行坑底加固和采用坑底裙邊加固2種工況進行模型試驗。在填土過程中預先澆筑加固土體，實現坑底土體加固。在基坑開挖過程中對地表沉降、冠梁側向位移、樁身彎矩以及樁后土壓力進行監測。用有限元軟件Abaqus對模型試驗進行拓展，將基坑變形的計算結果進行極差分析。研究表明，對坑底土體采用裙邊加固，可以有效地減小支護結構的側向位移;坑頂地表沉降雖有減小，但效果不明顯;樁身彎矩略小于未進行坑底加固的工況;土體開挖，樁隨著坑底下某一點發生轉動，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基坑的變形影響更大;土體加固深度與寬度超過一定范圍，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倍的開挖深度，寬度宜取0.35～0.45倍的開挖深度。

　　關鍵詞：基坑開挖;模型試驗;有限元;裙邊加固;加固范圍

　　《廣東土木與建筑》是廣東省建筑科學研究院與廣東省土木建筑學會合辦，涉及土木與建筑多學科的綜合性技術刊物。

　　隨著基坑規模的擴大，施工環境越來越復雜，為減小基坑開挖對周圍環境的影響[1]，因此，對基坑變形的要求也越來越高。基坑工程的變形指標主要有圍護結構側向位移、周圍地表沉降和坑底隆起等[2-4]。如何控制基坑變形，徐長節等[5]、Yao[6]、姚燕明等[7]、Xu等[8]、康志軍等[9]提出了諸多措施，如調整基坑土體開挖順序、合理選擇施工工藝、坑底加固、增加支護結構剛度等。其中，基坑底部土體加固，在軟土地區的基坑工程中十分常見[10-12]。裙邊加固相對于滿堂加固、暗墩加固等其他加固形式，“性價比”更高[13-14]，因此，常被用于一些安全等級不高的基坑工程。

　　目前， Broms[15]、康志軍等[16]、梁鵬宇等[17] 多采用數值計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]認為，當加固深度與寬度相當時，基坑的加固效果最優，但并未給出具體的取值范圍。加固寬度與深度這兩個因素對基坑變形影響的強弱，也鮮有學者研究。在進行基坑圍護結構設計時，僅把土體加固當作一種安全儲備手段，不僅沒有充分發揮加固土體的力學性能，而且造成了經濟上的極大浪費。

　　本文采用模型試驗的方法，研究了坑底土體裙邊加固對基坑變形、支護結構內力以及樁后土壓力的影響。采用有限元軟件Abaqus對模型試驗進行拓展，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

　　1.1 試驗部件的參數設計

　　模型試驗模擬了一個開挖深度為8 m的矩形基坑，支護結構采用直徑為0.8 m、樁長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。試驗的幾何相似常數sl=1/20。根據對稱原理，取基坑的一半進行試驗。在實際工況中，要滿足所有的相似條件十分困難，故在模型試驗中，將EI、EA、EW作為復合物理量進行參考[20]。試驗中，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。計算可得截面尺寸為13 mm×13 mm，長度為60 cm。支護樁采用PV聚乙烯孰料材質，其彈性模量通常為2.1 GPa，可得SE≈1/15。支護樁主要作用為抗彎，所以需滿足EI相似，計算可得其直徑為37 mm，內徑為35 mm，長度為80 cm。試驗部件參數見表1。

　　1.2 試驗土體及加固土體的制備

　　基坑底部土體加固的措施常見于含水率較大的粘土或者軟土地區，故試驗采用南昌某工地的粘性土。由于土質較雜，故對土樣先進行晾曬，然后進行篩分。在進行晾曬前，對土體含水率進行測量，為21%。

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

　　1.3 試驗方法

　　試驗在尺寸為150 cm×120 cm×150 cm(長×寬×高)的模型箱內進行，如圖2所示，為了消除邊界效應，在模型箱四周涂抹潤滑油。首先，將支護結構架設到指定位置，然后，對模型箱進行分層填土并灑水浸潤。每次填土高度15 cm，然后采用平板夯實裝置，對填土進行夯實，如圖3所示。為實現坑底加固，采用預先填筑加固土體的方法，填土到一定高度，用隔板隔出加固區域，將制備好的加固土體填入區域并壓實，形成加固區，然后繼續填土至坑頂。裙邊加固范圍為25 cm×20 cm(寬×深)。靜置一段時間后對土體進行開挖，土體分3層開挖，第1層與第2層開挖15 cm，第3層開挖10 cm。為減小開挖過程中擾動的影響，在模型箱一側設置了出土口，填土過程中，用3塊木板將出土口擋住，每挖一層土前抽離相應位置的木板，使之從出土口排出。

　　1.4 試驗監測內容

　　1.4.1 位移監測 采用數顯百分表對基坑中間無支撐處的坑頂地表沉降、有支撐處與無支撐處的冠梁側向位移、支撐下方的樁身彎矩和中間無支撐處的樁后土壓力進行監測，百分表的精度為0.01 mm，如圖4所示。

　　1.4.2 彎矩監測 應變片沿著支護樁進行粘貼，在坑底以上，每隔100 mm布置一個;坑底以下，每隔50 mm布置一個。由于試驗土樣含水率較高，所以，在應變片表面涂抹了環氧樹脂及玻璃膠進行防水處理。將應變片測得的應變根據材料力學中彎矩計算公式進行計算，得到支護結構的彎矩。

　　1.4.3 土壓力監測 微型土壓力盒采用云石膠粘貼在支護樁迎土測，沿著支護樁每隔100 mm布置一個，共布置7個，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。該土壓力盒無需進行防水處理。

　　2 試驗結果分析

　　2.1 坑頂地表沉降

　　監測結果如圖5所示，地表沉降隨著土層的開挖而逐漸增大，隨著與冠梁距離的增加，地表沉降先增大后減小。與未進行坑底加固的情況對比，趨勢基本一致，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 冠梁側向位移

　　冠梁側向位移如圖6所示，冠梁側向位移隨著土層的開挖而增大，但不呈線性關系。有支撐處冠梁與無支撐處冠梁最終側向位移分別為0.68 mm和0.92 mm。有支撐處冠梁位移增加趨勢較無支撐處冠梁更為緩慢。與未進行土體加固的情況進行對比，有支撐處冠梁與無支撐處冠梁側向位移分別減小了0.32 mm和0.38 mm，側向位移平均降低了約30%。

　　2.3 樁身彎矩

　　裙邊加固模型試驗同樣選取了兩根位置對稱的支護樁進行彎矩監測，監測結果如圖7所示。隨著土體的開挖，支護結構彎矩的絕對值增加，最大正彎矩的位置逐漸下移。第1層土體開挖完成后，支護結構最大正彎矩為0.12 N·m，位于距離樁頂10 cm處;第2層土體開挖完成后，支護結構最大正彎矩為0.59 N·m，位于距離樁頂20 cm處;第3層土體開挖完成后，支護結構最大正彎矩為0.99 N·m，位于距離樁頂30 cm處。與未進行土體加固的情況對比，支護結構最大正彎矩減小了6.6%。