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1、被动加固区参数变异性对软土深基坑变形行为的影响 工业等区域，因此，地铁车站多建于建筑物密集区域，其周边环境困难，邻近设施密布，对深基坑工程的环境效应限制要求更为严格。对于中国沿海及中部地区广泛分布的深厚黏性土地层而言，当车站基坑开挖深度较深、开挖面积较大时，若支护结构变形与地层沉降限制不当，将严峻影响周边既有设施。因此，在软土深基坑设计中，变形限制正逐步成为主流设计理念和首要考虑因素。 深基坑工程多采纳水泥土加固被動区的方式进行变形限制，主要是通过高压旋喷桩、深层搅拌法等施工手段对深基坑基底及基底以下部分区域进行加固，从而提高土体承载力，增大土体模量，增加土体抗变形实力，进而限制基坑支护结构变
2、形与地表沉降，常见的被动区加固方式有裙边加固与抽条加固。众多学者都对被动区加固的位移限制效果进行了分析，例如，侯新宇等分析了深层搅拌桩对超大深基坑的加固效果，结果表明，深搅加固可降低27%的墙体侧向位移，并有效限制坑底隆起;马海龙探讨了加固深度与宽度对基坑支护结构受力与变形的影响，给出了合理相对加固深度与宽度值;郑俊杰等针对裙边加固和抽条加固进行分析，得到了有效加固宽度和深度范围，并给出了工程设计建议。 但水泥土作为一种人工材料，其力学参数除受到原位土影响外，还与施工方法亲密相关，尤其在深层施工条件下，水泥土搅拌匀称性降低且存在垂直度施工误差，力学参数具有很强的空间变异性。Honjo对日本广岛
3、、横滨等港口水泥土深层搅拌桩的强度变异性进行了统计，结果显示水泥土强度变异系数最高可达0.592;Navin对前人的探讨成果进行了统计整理，得出深层搅拌水泥土的强度变异系数分布在0.3420.790之间;由此可见，深层搅拌法施工下的水泥土具有较强的不匀称性，空间变异特征表现得非常明显。基于此，刘勇等同时考虑深层搅拌桩的强度空间变异性与桩身位置不确定性，对水泥土加固层整体加固效果进行探讨，并得出其强度设计值应取为钻芯取样强度平均值与t倍标准差的差值;Tsutomu等基于随机有限元法，探讨了水泥土强度空间变异性对水泥土单桩竖向承载力的影响，并强调当随机场自相关长度与单桩半径长度相像时，桩的整体平均
4、承载力会降至最低值。依据上述探讨结果可知，水泥土力学参数的空间变异性对水泥土构件单桩强度或整体宏观性能的影响皆特别突出。但值得留意的是，前述探讨都是以单一的水泥土构件作为探讨对象，对于涉及被动区加固的软土深基坑整体“系统工程”而言，变形限制环节包括土方开挖、围护结构、内撑体系及被动区加固等多种措施，被动区加固只是诸多变形限制环节中的一环，水泥土力学参数空间变异性对水泥土构件宏观性能影响显著，并不肯定意味着对基坑整体变形的影响同样显著。因此，被动加固区参数强空间变异性对软土深基坑整体变形行为的影响究竟如何仍不得而知，在设计中应当如何考虑被动加固区参数强空间变异性也尚无定论。 鉴于此，本文通过数值
5、模拟方法与随机场理论，重点探讨被动加固区参数强空间变异性对软土深基坑整体变形行为的影响程度及规律。详细内容包括：1）建立无加固区与被动区加固厚度分别为1、2、3、5m的深基坑开挖三维动态模型，并生成相应条件下的水泥土强度参数随机场;2）基于基准水泥土强度变异系数条件，对深基坑开挖模型进行确定性分析与不确定性分析，并对比两种分析下不同加固厚度基坑的整体变形规律;3）探讨不同水泥土强度变异系数条件下各加固厚度深基坑的变形程度，分析加固区参数变异性强弱对不同加固厚度深基坑整体变形行为的影响。 1问题描述与建模 1.1问题描述 深基坑动态开挖模型以武汉某实际深基坑工程为依托，基坑开挖典型断面图及所在地
6、层条件如图1所示。 基坑开挖宽度和深度皆为20m，共分5次开挖，开挖深度依次为2、5、5、5、3m，并沿竖向依次架设4组水平支撑，纵向共设7组水平支撑，间距为3m。除第1组支撑采纳截面为600mm600mm的C30混凝土支撑外，其余皆采纳钢支撑，钢支撑外径为609mm，壁厚为16mm，采纳Q235钢;地下连续墙厚800mm，埋深42m，底部人岩，采纳C30混凝土浇筑;依据以往工程及文献资料总结，基坑开挖水平影响范围约为开挖深度的34倍，深度影响范围约为开挖深度的24倍，基于此，基坑模型两侧水平影响范围取为开挖深度的6倍，即120m，横向计算域总长261.6m;深度影响范围取为开挖深度的3倍，即
7、60m，竖向计算域总长60m;模型纵向取为21m;加固厚度分别取为1、2、3、5m，加固厚度与强度参数以外的参数设置保持一样，以便进行工况对比;基坑底部设7组平行抗拔桩，分别位于基坑中部、内侧距基坑边界6m处，相邻抗拔桩纵向间距为3m，与基坑水平支撑保持一样。模型整体计算域为261.6m60m21m。 1.2参数设定 模型共分为6个土层，地面以下40m为5层强度不同的饱和黏性土，地下4060m为基岩层。其中，饱和黏性土层、加固区与基岩均采纳Mohr-Coulomb模型，地连墙采纳弹性模型，水平支撑与抗拔桩采纳结构单元模拟，确定性分析中各层土体参数及支护结构参数见表1。不确定性分析中部分土体参数
8、为非定值，由随机场理论表征，详细见后文。 1.3网格划分 模型网格划分及整体网格疏密状况见图2。为精确分析开挖过程中深基坑及周边环境的整体变形行为，对基坑开挖面及左右两侧40m进行网格加密;为提高随机场模拟精度，对加固区网格进行再加密，整体模型共计101m网格加密区。其余网格由密至疏，通过接触面相连。纵向网格匀称划分。 2水泥土参数变异性隨机场表征 水泥土作为一种人工材料，其空间变异性主要有两个来源：一是原位土材料参数固有的空间变异性影响;二是水泥土施工工艺中的不确定性，如深层搅拌桩的不匀称搅拌、桩身位置的不确定性等，因此，水泥土参数的变异性具有与自然土体参数变异性不同的统计特征。鉴于此，在广
9、泛查阅文献及工程资料的基础上，考虑水泥土不排水强度的4个变异系数COV取值：0.2、0.4、0.6、0.8，并取0.4作为基准变异系数，假定不排水强度变异性听从对数正态分布，均值为1.5MPa。 相较于水泥土不排水强度的强变异性，水泥土摩擦角与重度的变异性较小，故忽视其重度与摩擦角的变异性，重点关注水泥土强度参数的变异性，并将其他土体参数视为定值。依据以往文献总结，水泥土的模量与抗拉强度等强度参数可视为与不排水强度相关，因此，在随机场生成阶段仅考虑不排水强度的参数影响，再通过相关关系得到模量与抗拉强度的随机场模型。每一个水泥土强度参数变异系数COV对应的工况实现次数皆为1010次，每个加固厚度
10、h对应4个COV，加固厚度h分别取为1、2、3、5m。 3结果分析与探讨 3.1确定性分析 对无被动区加固与被动区加固厚度h分别为1、2、3、5m的基坑开挖变形响应分别进行确定性分析，因基坑模型在几何上为轴对称模型，故分析仅取基坑左侧两种典型变形响应：地连墙水平位移与地表沉降s进行统计。开挖结束后，随地连墙埋深z的改变结果如图3所示，s随沉降点距基坑边界距离d的改变结果如图4所示。地连墙最大水平位移max与地表最大沉降Smax见表2。 从确定性分析的图表统计结果可以看出：1）被动区加固有效地限制了基坑的变形与沉降：无被动区加固的基坑，max达到了4cm以上，Smax为1.3cm，进行被动区加固
11、后，max皆在2cm以下，Smax限制在6mm以内，相较于侯新宇等分析中27%的降幅，被动区加固对本工况下的基坑开挖模拟变形限制效果更为显著，降幅达到50%以上。这一方面是因为在本工况模拟下，基坑周边土体强度较弱，开挖过程中变形较大，另一方面，基坑开挖深度较之参考文献5所述工况更深，地连墙支护结构厚度更薄，刚度更弱，因此，地连墙的加固效果表现更为明显;2）h的变更对各变形响应最大值的位置并无明显影响，对加固区的位移限制效果也仅表现出肯定程度的影响。随着h增大，基坑开挖各项变形响应虽在整体上呈现出减小的趋势，但当h达到3m后，接着增大h对各变形的限制并未有明显的提升。 基坑两种典型变形响应对加固
12、厚度h的敏感性也略有不同。地连墙水平位移在h较小时表现得较为敏感，h由1m增至2m时，max降低2mm以上，且开挖面以下的水平位移相较于最值更为敏感，当h增至2m以上后，则渐渐趋于稳定;地表沉降s对h的变更敏感性很低，h由1m增至5m，Smax仅降低1.5mm。相较之下，对h的改变更敏感，但从整体而言，两种典型变形响应都对h的改变不敏感。其可能缘由是：在软土深基坑的整体支护系统中，共设有7根混凝土支撑、21根钢支撑，并埋设了21根抗拔桩，其支护结构体系整体刚度较大，加固区强度的变更在整个支护系统中的影响有限。 3.2基准变异系数条件下的不确定性分析 依据Liu等、Chen等的统计结果，工程中水
13、泥土强度参数变异系数COV多分布在0.4旁边，故不确定性分析的基准COV取为0.4。对基准COV工况下的计算数据进行统计，并分别进行正态分布与对数正态分布拟合，结果显示：两种分布形式对基坑开挖典型变形响应最大值的统计结果拟合度均较高，且拟合曲线分布形态非常接近，相较之下，对数正态分布的拟合效果误差更小，效果稍优。图5和图6为基准COV条件下h=3m时典型变形指标的对数正态分布拟合图。 由于变形响应最值统计结果可视为符合对数正态分布，依据3原则，统计出了基准COV条件下不同加固厚度深基坑开挖两种变形响应最大值的均值m、变异系数COV。与3区间，结果见表3。由表中对基坑开挖变形指标的统计结果可以看
14、出，当考虑水泥土强度空间变异性时，max与Smax仍随着h的增大而减小，且减小规律与确定性分析结果类似：当h低于3m时，h的增大对变形限制效果的提升较为明显，当h高于3m后，接着增大h，各变形指标并无显著降低。但对于h相同的基坑，不确定性分析的均值m略大于确定性分析结果，因此，忽视水泥土变异性会在数值上低估基坑的变形。 综上所述，当h较小时，h的增大对基坑开挖变形指标的限制有利，不考虑水泥土力学参数空间变异性的确定性分析相较于不确定性分析，虽然会低估基坑的变形，高估水泥土加固区的限制作用，但整体而言，水泥土力学参数变异性引起的基坑变形指标不确定性很小，被动加固区参数空间变异性对软土深基坑整体变
15、形行为的影响基本可以忽视不计。过大的h并未显著提高加固区的变形限制效果，受到水泥土强度变异性的影响却更强，因而存在着更大的不确定性，且资源成本高，经济效益低，在无特别要求的基坑设计中，不建议采纳。 3.3水泥土强度变异系数的影响分析 水泥土强度变异系数影响分析的COV取0.2、0.4、0.6、0.8，包含了已有文献的统计范围。表3与表4分别统计了不确定性分析中这两种变形响应最大值的均值m、变异系数COVa与3区间。 横向分析表中数据，整体而言，当h相同时，随着COV的增大，加固区对基坑的加固效果呈现出减弱的趋势，各项变形指标的均值m渐渐增大，变形指标的变异性也渐渐增加，3区间长度增长，与确定性
16、分析结果的差值增大。 当COV=0.2时，水泥土强度变异性小，变形指标变异性低，m与确定性分析结果最为接近;随着COV的增大，各变形指标的COVa也渐渐增大，当COV增大4倍，至0.8时，COVa增大近3倍，表明水泥土强度空间变异性越强，对加固区位移限制效果的影响越大，变形分析的不确定性越强，与确定性分析结果的差值越大;除此之外，COVa随COV非匀称线性增大，在同一加固厚度条件下，当COV由0.4增至0.6时，COVa的增长速率最快。 纵向分析表中数据，当COV相同时，随着h的增大，尽管m渐渐减小，COVa却渐渐增大，3区间长度渐渐增大，且h越大，COVa增长速率越大。 当h较低时，COVa
17、仅随h略有增长，但当h=5m时，COVa相较于h=3m时的COVa成倍增长，3区间长度也快速增大，这表明h越大，水泥土用量越多，水泥土强度参数的空间变异性对被动区加固效果的影响越明显，分析结果的不确定性越强。但在部分COV条件下，h=2m時，深基坑变形指标的3区间长度却小于h=1m时的3区间，这是因为当h较低时，增大h，水泥土加固区对基坑整体变形行为的限制效果提升较为明显，m降低幅度相对较大，但进一步提高h，对基坑变形限制的有利影响基本可以忽视不计，空间变异性带来的分析结果不确定性却愈独创显。 然而，从整体分析结果来看，即使是在h=5m、COV=0.8的最敏感条件下，变形指标的最大变异系数CO
18、Vamax也仅为3.59%，远低于水泥土强度变异系数COV，变形指标的最大3区间长度也不足3mm;在大多数工况下，变形指标3区间长度不足1mm，与确定性分析结果的差异小于0.5mm。因此，加固区力学参数变异性的大小对软土深基坑开挖变形指标的影响非常有限，在分析软土深基坑的整体变形行为时，可以不予考虑。 综上所述，水泥土强度参数的空间变异性对不同厚度加固区的加固效果虽有影响，但其影响基本可以忽视不计，在评估软土深基坑的变形程度时，不必对被动加固区参数的空间变异性作特别考虑。 4结论 结合基坑开挖三维动态模型与被动加固区随机场模型，对不同水泥土强度变异系数、不同加固厚度下的深基坑变形指标进行确定性
19、与不确定性分析，所得结论如下： 1）被动区加固对软土地区深基坑开挖的整体变形限制效果显著，是非常有效的位移限制措施，但被动区加固存在一个临界加固厚度，超过临界厚度后，接着增大加固厚度对变形限制效果提升不明显。 2）随着水泥土强度参数变异系数的增大，软土深基坑变形指标的变异性增加，分析结果的不确定性增大。但整体而言，由被动加固区力学参数变异性引起的基坑变形指标不确定性很小，远低于加固区力学参数自身的不确定性。 3）尽管既有文献已证明水泥土力学参数的空间变异性对于水泥土加固层自身工作性状的影响非常显著，但对于涉及被动区加固的软土深基坑“系统工程”而言，在工程常见厚度范围内，被动加固区参数变异性的大小对软土深基坑整体变形行为的影响有限，在评估软土深基坑的变形程度时，不必对被动加固区参数变异性作特别考虑。 第11页 共11页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页