被动区加固参数对坑外桩基的变形影响分析

(1.中国地质大学工程学院 湖北 武汉 430074；2.赣西地质调查大队 江西 南昌 330002)

被动区加固参数对坑外桩基的变形影响分析

兰雁雄1吴飞林2冯磊1沈佳虹1

(1.中国地质大学工程学院湖北武汉430074；2.赣西地质调查大队江西南昌330002)

为了缩短工程工期、节省费用，寻找合适被动区加固体加固龄期、水泥掺入比就显得尤为重要。目前研究中，很少具体研究加固体龄期、水泥掺入比对临近桩基础的影响。通过改变加固体粘聚力、内摩擦角、弹性模量等，运用有限元软件Abaqus模拟对桩基础的影响，讨论了加固龄期、水泥掺入比对桩基础侧向变形的影响，得到了最优加固龄期为28d、水泥掺入比10-12%，可为基坑变形地基处理提供参考。

被动区；加固体龄期；水泥掺入比；桩基础

一、引言

近年来为了使深基坑开挖能够高效安全地进行，国内外学者对基坑开挖工程展开了大量研究。深基坑支护设计由最初的强度控制发展到如今的系统控制、变形控制，通过对深基坑坑内软弱土体的加固来提高基坑及其周边结构的稳定性，这对优化深基坑支护设计具有重要意义[1-3]。城市化快速发展的今天，建筑物之间的距离越来越小，特别是基坑开挖对临近建筑物桩型基础的影响不容忽视。深基坑开挖对邻近桩基础的具体影响表现如下[4]：土体发生水平位移，使桩挠曲、侧向变形以致产生偏斜，并产生较大弯矩，从而有可能使上部结构发生不均匀的沉降，甚至发生坍塌，造成极大的经济损失。另外基坑开挖引起土体产生竖向位移使桩身产生向下负摩阻力，增加桩承受的竖向荷载并发生附加沉降和不均匀沉降。因此，基坑开挖必须控制周围建筑物的不均匀沉降和水平位移，从根本上来说是其基础的的不均匀沉降和侧向位移，所以有必要研究基坑开挖对周边建筑物桩基础的影响。

基于上述，本文利用大型有限元软件Abaqus对深基坑开挖、被动区土体加固以及建筑物的桩基础作为一个系统整体建模分析。模拟基坑、桩基础、加固体三者之间的相互作用，从被动区的加固体龄期和水泥掺入比分析对桩基础的水平位移影响，从而为基坑被动区加固工程实践提供一些经验和理论。

二、被动区加固机理

早期深基坑开挖主要保证本身的稳定性，很少考虑基坑开挖对紧邻建筑物桩基础的影响。随着城市化的发展，建筑物越来越多，距离越来越近，所以新建建筑物的基坑开挖必定会对原建筑物基础产生一定的影响，有必要进行基坑加固处理保护建筑物安全。由此也出现了一些加固思路和方法，如被动区压力注浆，主动区循迹补偿注浆，水平注浆等。因此被动区加固是指加固桩后的土体，主要是通过改变加固区土体的粘聚力、内摩擦角、无侧限抗压强度等提高土体的抗变形能力，而影响水泥土的无侧限抗压强度的因素有：龄期、水泥掺入比、水泥强度等级、含水量、有机质含量、外掺剂、养护条件及土性等。袁建议，潘拥军等[5]通过实验得到试件内摩擦角、粘聚力与龄期、掺入比的关系图。从中得到了试件的粘聚力、内摩擦角与养护龄期、掺入比非线性关系，而是随着龄期的增加C、φ增加幅度减小，并指出内摩擦角最大增量为5o左右，粘聚力具有很大的提高，特别是90d龄期时的粘聚力比28d增加了50%。所以加固体龄期、掺入比是通过影响加固体的物理力学参数来影响桩基础的。

三、被动区加固计算分析

(一)计算模型选取

为了研究被动区加固参数对临近建筑物桩基础的影响，引用模型[6]：土层简化为上下两层，上层20m为软土层，下层土体为由粉砂构成的土性较好的土层。参数及物理力学指标如表1所示。

基坑开挖深度为8m，宽度为30m。围护结构采用0.8m厚地下连续墙，长度20m，重度为28KN/m3，弹性模量取230Gpa，泊松比0.17。开挖方式为无支撑明挖法，分两步开挖完成。邻近桩基础为双排X700预制方桩，长32m，重度为28KN/m3，弹性模量取230Gpa，泊松比0.17，桩间距2m，前排桩距离基坑10m。加固体长宽选取最优深度H=5m、最优宽度B=6m。

由于主要考虑开挖卸荷作用下基坑被动区加固对桩和土体侧向位移的控制效果，为了跟实际情况符合，选择了桩-土接触，同时地连墙和土体间设置接触面单元，均满足摩尔库仑屈服准则，底部与土体都采用Tie绑定，侧面接触都选择硬接触，摩擦系数0.35，计算模型如图1。

表1 土层物理力学性质

图1有限元模型

Fig.1 The FEM model

(二)加固体参数选取

土体和加固体采用以莫尔一库仑屈服条件为破坏准则的理想弹塑性模型，模拟工况采用水泥搅拌桩对坑底进行加固，由于加固后土体性质发生了较大的变化，常规的试验方法不能获得其强度计算参数。黄绍

铭等[7]提出水泥掺入比、龄期与无限限抗压强度经验方程式为：

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

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

式中：为水泥掺入比为、龄期为的水泥土无侧限抗压强度；为水泥掺入比为、龄期为的水泥土无侧限抗压强度。水泥土的割线模量与无侧限抗压强度之间的关系大致呈正比：。参考文献[8]中桩的压缩模量近似取的一半，再根据文献[9]中提出的弹性模量约为压缩模量的3倍的经验关系得到加固体的加固后弹性模量。黄绍铭[7]提出了水泥土的粘聚力与其无侧限抗压强度关系，一般水泥土无侧限抗压强度，其粘聚力c=0.1-4.0Mpa，二者关系为；水泥土的内摩擦角的变化范围在20o-30o，一般水泥土内摩擦角随龄期、掺入比在5°内变化，本文模型选择20o-24o变化。参数选取如表2、表3。

表2 水泥土(掺入比12%)加固体物理力学参数

表3 水泥土(龄期28d)加固体物理力学参数

四、被动区加固计算分析

(一)被动区加固龄期对桩基础的影响分析

图2所示为加固体不同龄期时的桩侧移曲线。由图可见，进行坑内被动区软土加固处理对于控制墙体侧向变形具有十分显著的效果，原因是水泥土的掺入能明显提高软土的强度；其次随着加固体龄期的增加，桩身侧移在逐渐减小，但减小的幅度越来越小；另外加固体对加固深度范围上部的桩身变形有较大影响，对桩体下部影响相对较弱，并且下部出现了较小增加，分析原因可能是由于处于中上部(8-14m处)加固体作用于连续墙，使得基坑周围地层损失减小，很好的限制了上部土层的水平位移，使上部分地层损失转移了到下部土体导致前桩水平位移微小的增加。

图3所示为加固体龄期对桩身最大侧移的影响曲线，从图中可以看出桩基础的最大侧移随着被动区加固体龄期的增加而慢慢减小，并且0-7d加固效果最显著。7-14d其次，14d以后影响幅度逐渐变小，尤其是在60d后，桩身最大侧移变化量基本不变。进一步分析可知，当加固体龄期达到90d时，桩身侧移最大值较没有加固情况下可以减小90.5%，当加固体龄期为7d时，桩身侧移

最大值较不进行地基加固情况下减小83.9%，完成了加固体龄期为90d侧移所能减小量的92.7%；当加固体龄期达到14d时，桩水平侧移最大值较未坑底加固情况下减小87.6%，完成了加固体龄期为90d所能完成侧移减小量的96.8%；当加固体龄期达到了28d时，桩水平位移最大值较未坑底加固情况下减小89.4%，完成了加固体龄期为90d所能完成位移减小量的98.8%；剩余的1.2%，则需要再养护两个月才可以完成。

图2 龄期对桩身侧移影响

图3 龄期对桩身最大侧移影响

可见，当龄期为7d时，围护结构的位移已经得到一定程度的限制，继续增加水泥土的养护时间到28d，而桩身最大侧移相对变化量相对于14d仅仅增加了1.8%，所以说龄期增加到14d后是不能很好的继续减小桩身的最大侧移。原因如下：考虑到经济的原因，加固体的范围是有限，随着的龄期增加到14d，水泥土的各项物理力学参数有显著的提高，可以很好的限制挡土墙的位移、减少基坑底部隆起量，有效的减少地层损失，减小基坑开挖对桩基础的影响，继续增加加固体临期，水泥土的各项物理力学参数会继续增加，但对连续墙的限制作用是有限的，除非增加加固的范围，加固体只作用于连续墙的(8-14m)，不能很好的控制上部连续墙的侧向位移，所以说继续增加龄期对控制桩基础的侧向位移不明显。但对于类似基坑，围护结构位移控制严格，其被动区加固体龄期宜选则28d，这样既对位移有较大的限制作用，又可以明显缩短工期、节省费用。

(二)水泥掺入比对桩基础的影响分析

图4为加固体不同水泥掺入比0%、7%、10%、12%、15%、20%的桩身侧移随深度变化曲线。由图可见，进行坑内软土加固处理对于控制桩侧向变形具有十分显著的效果。其次随着加固体水泥掺入比的增长，桩身水平位移在逐渐减小，但减小的幅度越来越小。加固体对加固深度范围上部的桩身变形有较大影响，对桩体下部影响相对较弱，并且出现了较小的增加，原因和龄期对桩的影响一样。

图5所示为加固体不同掺入比对桩身最大侧移的影响曲线。由曲线可知，桩身的最大侧移随着加固体掺入比的不断增长而逐渐减小，并且0-7%影响最显著，加固效果最好。7-10%其次，12%以后影响幅度逐渐变缓。分析可知，当加固体掺入比达到20%时，桩身水平位移最大值较未加固情况下可以减小92%，当加固体掺入比达到7%时，桩身侧移最大值较未加固情况下减小82.8%，完成了加固体掺入比为20%所能完成位移减小量的90%；当加固体龄期达到10%时，桩身侧移最大值较未加固情况下减小87.7%，完成了加固体。

图4 掺入比对桩身侧移的影响

图5 掺入比对桩身最大侧移影响

龄期为90d所能完成位移减小量的95%；当加固体龄期达到12%时，桩身侧移最大值较未地基加固情况下减小89.5%，完成了加固体龄期为90d所能完成位移减小量的97%；剩下的3%，则需要再增加8%的水泥量才可以完成。

可见，当水泥掺入比为7%时，桩身的侧移已经得到一定程度的限制，但对于类似基坑，周边桩基侧移控制严格，其被动区加固体掺入比宜选则10-12%，因为加固体的范围有限，加固体的物理力学参数达到一定值后，对桩基的影响非常小，所以选择水泥掺入比10-12%。这样既对位移有较大的限制作用，又可以明显减少用料。

五、结语

通过有限元计算分析了基坑开挖时被动区加固对邻近桩基础的影响。不同于以往的从加固宽度、深度、加固位置对桩基础的影响，本文通过给已经得到的最优宽度、深度建立了被动区加固体加固龄期、水泥掺入比对桩基侧向变形的影响曲线，得出了一些有意义的结论，如出于经济安全考虑坑内加固加固体龄期可选择28d、加固体水泥掺入可选择在10-12%，这样既可以节省用料、也可减少工期，节省经费。需要指出的是，本文的结果都是在特定算例下得到的，具有一定的局限性。考虑到基坑工程变形影响因素的复杂性，在今后的工作中，有必要进一步从不同水泥标号，不同土层条件等加固体对邻近桩基变形控制的影响进行深入研究。

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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

兰雁雄(1993-)，男，汉族，重庆人，硕士研究生，中国地质大学(武汉)，主要研究地基与基础工程。