基坑搶險斜撐撐腳穩(wěn)定性模型實驗及數(shù)值分析

黃華，王勝，劉曉明，譚鑫*，周業(yè)

(1.中建五局第三建設有限公司，長沙 410116; 2.湖南大學土木工程學院，長沙 410082)

隨著中國城市化水平的快速提高，城市地下空間的開發(fā)和利用已經(jīng)成為解決人口、資源、環(huán)境問題的重要措施和實施城市可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[1]。各類地下空間工程諸如地鐵車站、地下停車場、地下商場、人防工程等都需要進行深大基坑的開挖，保證基坑工程的安全成為開發(fā)利用城市地下空間的重要前提。盡管目前基坑支護技術(shù)和相關(guān)理論日趨完善，但由于基坑工程具有強烈的區(qū)域性、個體性及高風險性等特點[2-5]，各類基坑事故難以避免。

基坑失穩(wěn)事故[6-8]可能造成嚴重的生命財產(chǎn)安全損失，一旦基坑變形達到預警值必須立即對基坑進行搶險加固。朱琦等[9]以實際深基坑項目為依托，闡述了常用的支護結(jié)構(gòu)在基坑施工過程中的力學變形特性。目前常采用的基坑搶險加固措施有兩種，一種是在坑底大量回填土方，但通常受限于在市區(qū)短時間內(nèi)獲得大量土源。另一種是采用鋼管斜撐進行支護[10]，將鋼管一端固定于坑底穩(wěn)定區(qū)域，另一端支撐于基坑側(cè)壁，形成斜撐。斜撐能夠及時對坑壁形成有力支持，被大量基坑搶險工程所首選采用[11-15]。劉曉玉等[11]通過工程實例介紹了斜撐支護體系在深厚淤泥區(qū)域基坑中的應用。劉燕等[12-13]研究了斜撐體系的協(xié)同變形承載機理及相應施工方法。但斜撐加固的穩(wěn)定性往往受到斜撐撐腳地基土體的強度限制，當基坑坑壁穩(wěn)定需要的抗力過大時易發(fā)生撐腳處局部地基失穩(wěn)。采用澆筑混凝土或鋼結(jié)構(gòu)基座能提高斜撐撐腳穩(wěn)定性[14]，但基座澆鑄養(yǎng)護或鋼結(jié)構(gòu)焊接施工過程會增加基坑暴露時間，無法滿足及時搶險的需求。大量基坑臨時搶險采用將無基座斜撐撐腳插入地基，然后裝配上部斜撐的方法來迅速處置險情。因此斜撐撐腳地基的穩(wěn)定性往往成為控制斜撐整體承載能力的關(guān)鍵問題。

目前中外研究主要集中在斜撐結(jié)構(gòu)自身受力狀態(tài)和對基坑變形的限制效果[14-15]，然而對斜撐撐腳受力變形特征及承載機理問題研究則相對較少，理論體系也并不完善。為此，針對現(xiàn)有研究的不足，選取基坑搶險工程中最為常用的淺埋斜撐撐腳穩(wěn)定性問題開展了室內(nèi)物理模型試驗和數(shù)值分析研究，獲得了荷載位移曲線和地基土變形特征，并揭示了斜撐撐腳地基承載機理及破壞模式。

1 物理模型試驗

1.1 試驗裝置

基坑搶險工程應用中使用斜撐進行臨時搶險支護時，斜撐與地基土表面的夾角范圍大多在30°～60°。因此室內(nèi)模型實驗[圖1(a)]的斜撐傾斜角度設置為45°。模型箱凈空間尺寸為770 mm(長)×520 mm(寬)×500 mm(高)，模型箱的兩側(cè)分別安裝透明鋼化玻璃，以便觀察撐腳地基失穩(wěn)形式。

h′為加載塊豎向位移；s為斜撐軸向位移

根據(jù)模型箱尺寸，縮尺模型斜撐鋼管選用304不銹鋼無縫鋼管，直徑為50 mm，長度為900 mm，壁厚為2 mm。試驗豎向荷載由豎向加載框架上部伺服電機提供，電機最大推拉力能達到50 kN。采用YSF-I/25-4型電動伺服控制系統(tǒng)進行加載控制，可以通過位移、載荷及手搖3種加載方式進行加載的控制，伺服電動缸中安裝有壓力和位移傳感器，可以實現(xiàn)對加載力、速度和位置的精密伺服控制。如圖1(b)所示，通過楔形加載塊和可以將豎向加載轉(zhuǎn)換為斜撐的軸向荷載。試驗的加載采用位移控制，控制豎向傳力桿以0.167 mm/s的速度推動楔形加載塊勻速下降，直至達到斜撐軸向位移行程(40 mm)或者撐腳地基出現(xiàn)明顯破壞。加載過程中傳感器每隔1 s采集一次對應時刻的位移和荷載值。模型試驗中對埋置長度分別為1倍、2倍、3倍和4倍鋼管直徑的斜撐進行豎向加載試驗。

1.2 模型用土

地基土選用干燥中砂，試驗前將所有試驗砂放置烘箱內(nèi)烘干24 h。所選砂土粒徑級配曲線如圖2所示，其界限粒徑d10、d30、d60分別為0.21 mm、0.43 mm 和1.29 mm，平均粒徑d50為0.81 mm，不均勻系數(shù)Cu為6.14。為保證試驗地基的密實度和均勻性，往模型箱內(nèi)填筑時采用分層壓實填筑。試驗砂的最大和最小干密度分別為1.951 g/cm3和1.523 g/cm3，通過分層壓實后，試驗地基土的密度為1.681 g/cm3，此時地基土的相對密實度為0.428，屬于中密砂。為保證每次試驗時地基的密實度和均勻性，往模型箱內(nèi)填筑時采用砂雨法進行分層壓實填筑，通過控制每層砂土的密度來控制整體的密實度。試驗用砂的主要性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

圖2 模型土粒徑分布曲線

表1 模型土基本物理參數(shù)

2 模型試驗結(jié)果

對不同埋置長度h下的斜撐承載試驗的位移和軸向壓力進行處理后，得到斜撐承載的荷載-位移曲線如圖3所示。斜撐在進行加載試驗前即受到來自于上部楔形加載塊的重力，這部分荷載轉(zhuǎn)換為斜撐的軸向壓力為61.25 kPa，因此曲線起點不處于坐標原點。

圖3 斜撐承載荷載-位移曲線

從圖3可以看出，隨著斜撐埋置長度的增加，在相同位移時所對應的軸向荷載逐漸增大，說明斜撐的承載能力逐漸提高。參考《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106—2014)中單樁豎向抗壓靜載試驗的單樁極限承載力確定方法，本試驗中的荷載-位移曲線屬于陡降型，故應取其發(fā)生明顯陡降的起始點對應的荷載值為極限承載力Pu。對應于不同斜撐刺入深度的斜撐極限承載力分別如下：斜撐埋置長度5 cm時，Pu=127.62 kPa，對應的斜撐軸向位移L=6.46 mm；斜撐埋置長度10 cm時，Pu=241.41 kPa，對應的斜撐位移L=6.01 mm；斜撐埋置長度15 cm時，Pu=425.17 kPa，對應的斜撐位移L=8.21 mm；斜撐埋置長度20 cm時，Pu=605.32 kPa，對應的斜撐位移L=9.26 mm。可以看出，隨著斜撐埋置長度的增加，極限承載力逐漸增大，每增加1倍鋼管直徑的初始埋置長度，斜撐的承載力分別增大了113.79、183.76、180.15 kPa。初步分析承載力增大的原因來源于兩方面：一是由于埋置長度的增加，斜撐與地基土的接觸面積增大；斜撐所受的側(cè)摩阻力增大，二是由于更深的地基土能為斜撐提供更大的端阻力。

圖4為不同埋置深度下斜撐達到極限承載能力時地基土破壞情況。斜撐達到極限承載能力時地基破壞形式為地表隆起開裂破壞，在斜撐埋置長度較淺時，結(jié)束加載時的地基土表面隆起較高，地表開裂現(xiàn)象比較明顯，裂紋的寬度較大。斜撐埋置長度1倍管徑時，地表最大隆起量達16 mm，最大裂紋寬度為8 mm；隨著斜撐埋置長度的加大，地基土表面的隆起和開裂破壞現(xiàn)象則越來越輕微，斜撐埋置長度4倍管徑時，地表僅出現(xiàn)輕微隆起，且地表處開裂的中心位置也距離斜撐刺入處最遠，但地表的隆起范圍較前者有所擴大。

3 數(shù)值模擬

3.1 計算模型及參數(shù)

為了進一步從土體內(nèi)部變形及端阻力發(fā)揮情況等方面分析斜撐撐腳地基破壞模式，利用FLAC3D建立了斜撐承載試驗的數(shù)值模型。數(shù)值模型的尺寸均與上節(jié)物理模型一致，考慮到模型的對稱性，取1/2進行建模如圖5所示。

模型試驗中的斜撐模型采用的是304不銹鋼材質(zhì)，可認為整個實驗過程中斜撐鋼管處于線彈性變形狀態(tài)，故使用彈性本構(gòu)模型進行模擬，斜撐鋼管的相關(guān)模型參數(shù)如表2所示。地基土體選用摩爾庫倫本構(gòu)模型，參數(shù)如表3所示。為更準確反映鋼制斜撐與地基土之間的接觸和滑移作用，在斜撐與地基土之間建立接觸面單元進行模擬(圖5)。地基土和接觸面的相關(guān)參數(shù)取值應根據(jù)室內(nèi)模型試驗所得數(shù)據(jù)進行反推得到，如表4所示。數(shù)值模型采用逐級加載方式計算，在斜撐的上表面施加均布法向壓力，在該級荷載作用時計算平衡后，讀取該級荷載作用下的斜撐軸向位移，最終繪制斜撐承載數(shù)值模擬獲得的荷載-位移曲線。

藍色網(wǎng)格為斜撐部分

表2 鋼管模型材料參數(shù)

表3 地基土體力學參數(shù)

表4 接觸面單元力學參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖6為不同埋置長度斜撐模型試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對比。圖7為刺入長度為200 mm的斜撐在受到700 N和1 000 N軸向荷載作用時的軸力分布曲線。可以看出，除了斜撐埋置長度為1倍管徑時數(shù)值模擬所得到荷載-位移曲線趨勢存在一定差異外，數(shù)值計算結(jié)果與模型實驗所得曲線吻合較好，可以認為此前所建立的模型和相關(guān)參數(shù)的取值是合理可靠的。利用數(shù)值模型計算能夠得到斜撐承載過程中地基土的變形特征，可對室內(nèi)模型試驗結(jié)果進行有效解釋。

圖6 數(shù)值模擬與模型試驗的荷載-位移曲線對比

圖7 數(shù)值模擬與模型試驗的斜撐軸力對比

圖8為不同斜撐埋深下地基土在破壞狀態(tài)時的變形情況(非最終荷載階段)。為便于對比分析，各模型均選取斜撐軸向位移約為10 mm時地基土的狀態(tài)，此時斜撐的荷載-位移曲線已發(fā)生拐點，已經(jīng)達到了極限承載能力，撐腳地基土均可認為達到其極限破壞狀態(tài)。可以看出，位于斜撐端部附件地基土體受到斜撐軸向荷載的推力，將發(fā)生剪切破壞。斜撐端部的土體位移最大，隨后位移向周圍土體擴散，大小隨著與斜撐端部的距離增加而不斷衰減。因此，對于埋置長度較淺的斜撐[圖8(a)和圖8(b)]，由于地表距離斜撐底端距離小，斜撐的推力很容易讓撐腳側(cè)的土體達到被動土壓力的極限平衡狀態(tài)，從而形成貫通地表的連續(xù)滑動面；而對于埋置長度大于兩倍管徑的斜撐[圖8(c)和圖8(d)]，則難以形成貫通地表的連續(xù)滑動面，因此地表隆起量非常小；同時可以觀察到隨著斜撐的埋置長度增加，地表處的最大隆起位置也逐漸遠離斜撐插入點的位置，這些規(guī)律都與室內(nèi)模型試驗相符合。

圖8 不同撐腳長度下地基破壞狀態(tài)的土體位移場

為分析埋置在地基內(nèi)的斜撐在承載過程中荷載傳遞機理，對模型中斜撐承載時的斜撐軸力進行了監(jiān)測。在斜撐埋入土體的部分等間距設置了5個監(jiān)測點，讀取各級荷載作用時每個監(jiān)測點以下各節(jié)點沿斜撐軸線方向的承載力并進行累加，從而可得到斜撐在該點的軸力值，進而繪制沿斜撐埋置長度變化的軸力分布曲線，如圖9所示。同時將斜撐頂面所作用的壓力值乘以斜撐截面積即為斜撐的軸力值。斜撐頂部軸力減去某截面處的軸力值為該截面以上斜撐所受到的摩阻力之和，故斜撐底部的軸力值即為斜撐受到的端阻力值。從圖9中可以看出，在荷載較小時，荷載主要由斜撐側(cè)摩阻力承擔，且摩阻力會隨著荷載的增加而提高，而增加到一定荷載值后，由于斜撐位移較大，此時的摩阻力已完全發(fā)揮，至此摩阻力的大小將保持穩(wěn)定，而端阻力的占比開始增大。隨著斜撐的埋置長度增大，斜撐摩阻力和端阻力都不斷增大，表明側(cè)摩阻力和端阻力都將有所提升，這也與試驗所得規(guī)律相符。

括號內(nèi)數(shù)值為換算后的斜撐頂面處的軸力值；括號外數(shù)值為斜撐頂面所作用的均布壓力

斜撐的端阻力占頂部荷載的比重變化曲線如圖10所示。可以看出，在荷載較小時，荷載主要由斜撐側(cè)摩阻力承擔，端阻力的占比較小，而增加到一定荷載值后，端阻力的占比開始增大。可以看出，隨著荷載的增大，端阻力所占比重越來越大，表明由斜撐端部土體所分擔荷載比例越來越大。且端阻力所分擔荷載比例隨著斜撐的埋置長度增大而不斷變大。在斜撐埋置長度為1倍管徑時，端阻力最大占比約為50.95%；2倍管徑時，約為59.05%；3倍管徑，約為68.11%；4倍管徑時，端阻力最大占比則達到了為72.2%。可見在本試驗的地基土條件下，斜撐撐腳地基承載力主要來自于斜撐端部土體提供的端阻力。隨著撐腳埋置深度的加大，撐腳端阻力的絕對值大小與所占相對比重均隨之增加。

圖10 端阻力占頂部荷載比重

4 承載機理及破壞模式

通過上述模型試驗和數(shù)值模擬分析可以解釋斜撐撐腳地基的荷載傳遞、承載機理以及破壞模式。在斜撐撐腳具有一定埋置深度的情況下，斜撐傳遞給地基的軸向推力將由撐腳側(cè)面摩阻力qs和底端的端阻力qp兩部分平衡，如圖11(a)所示。

圖11 斜撐撐腳穩(wěn)定性的承載機理及破壞模式

當撐腳地基土體達到其極限承載能力時，側(cè)摩阻力和端阻力均達到其極限值，此時端阻力將提供絕大部分的承載能力。但當斜撐撐腳埋置深度較淺時，撐腳一側(cè)地基土體在斜撐推力的作用下將率先達到其抗剪強度τs，形成貫通地表的連續(xù)滑動面，此時撐腳的端阻力由淺層地基土體的被動土壓力大小控制，故將遠小于埋置深度較大情況下的端阻力。斜撐撐腳地基的極限承載能力因此將隨著撐腳埋置深度的增加而增加；但當埋置深度大于一定長度時，由于端阻力發(fā)揮充分且側(cè)阻力非主要抗力，極限承載能力將趨近其最大值。

5 結(jié)論

針對目前基坑搶險工程中經(jīng)常使用的斜撐撐腳地基受力特點設計并制作了斜撐撐腳地基受荷的室內(nèi)模型。對不同埋置深度的斜撐撐腳地基進行了加載試驗，獲得了荷載位移曲線和地基土變形特征。建立了能夠考慮斜撐與地基土體相互作用的數(shù)值模型，通過對比模型試驗結(jié)果驗證了數(shù)值模型及相關(guān)參數(shù)的合理性。結(jié)合室內(nèi)模型試驗及數(shù)值模擬結(jié)果分析了斜撐撐腳地基的變形特征、承載機理及破壞模式。得到以下結(jié)論。

(1)斜撐地基的極限承載力由斜撐端阻力和側(cè)摩阻力組成，其中端阻力占主要部分，在埋置深度較大的情況下達到承載力70%以上。

(2)斜撐撐腳埋置深度較淺時，撐腳的端阻力由淺層地基土體的被動土壓力決定，因此會遠小于埋置深度較大情況下的端阻力。

(3)當撐腳埋置大于一定深度時，由于端阻力發(fā)揮充分且側(cè)阻力非主要抗力，極限承載能力將逐漸趨近其最大值。

(4)根據(jù)試驗及數(shù)值分析揭示的成果，建議在實際工程應用中要確保斜撐撐腳有2倍管徑以上的埋置深度，防止撐腳地基發(fā)生淺層被動土壓力破壞。