基坑粉黏土体在土钉锚固下力学特征变化研究

2023-08-31杨娜

水科学与工程技术 2023年4期

杨娜

（河北省迁安市水利局，河北迁安 064400）

基坑工程中，土体承载力学特征直接影响基坑支护、开挖工序等技术问题［1,2］，讨论基坑土体力学特性，有助于揭示基坑支护结构承载力较弱、土体沉降等内在原因。贾佳［3］、张岩等［4］为研究基坑土体的力学特征，借助离散元仿真建模方法，分析土体离散元模型的细观变化，分析不同尺寸的裂隙变化，从离散元细观计算的角度，分析土体裂隙的生成演变及裂隙对宏观破坏影响。崔宏环等［5］、朱伟崇等［6］为研究干湿、冻融等不同物理作用下土体力学特征变化，借助室内试验设备，开展物理场耦合作用下土体力学试验，分析试验数据间变化关系，从而归纳获得土体力学本构理论模型，为实际工程建设提供理论依据。岳建伟等［7］、胡焕校等［8］通过SEM、CT 扫描等设备，探讨土体的力学特征变化，分析土体在不同状态下宏、细观特征对比关系，从细观机理变化解释宏观应力、变形等特征。本文为研究土钉加固粉质黏土体在干湿交替下力学特征变化，分析土体宏观应力、应变的变化特征，也从SEM 扫描图像中探讨土体的细观变化，丰富基坑工程设计参考成果。

1 试验概况

1.1 工程介绍

在迁安市城西拟建一综合办公楼，基坑开挖深度为7.8～9.4 m，所在场地地层特征如图1，按照基坑平面设计布置方案，开挖坡度为1∶0.5，以倾斜土钉形式在开挖层中锚固，倾角为15°，长度依次为9，7.5，7.5，6 m，土钉配筋层按照加密区、非加密区进行设置，土层含水率为9%～12%，各阶段开挖中最大位移可达15 mm，中部粉质黏土层抗剪能力较差，易产生开挖滑动体，对基坑开挖安全带来较大挑战。在考虑基坑整体开挖稳定性的前提下，一方面设计开展土钉锚固处理，另一方面加大开挖支护面，保障作业安全可靠性。图2 为基坑另一处土钉锚固典型断面特征，主要针对含夹层软弱面的粉质黏土层，锚管直径均为48 mm，长度不同于图1 非加密区布置断面，自上而下共有5 根锚杆，分别为6，6，4.5，4.5，4.5 m，此断面土层含水率为18%～22%。整体上分析认为，该基坑粉质黏土作为持力层，所采用的土钉加固设计在水平、竖向间距均有一定差异，且土钉加固粉质黏土承载力学效果与原状（无钉）粉质黏土的差异，还值得进一步对比。在确定土钉加固方案的基础上，开展对土钉加固粉质黏土区、无钉原状粉质黏土区进行试验对比，并依托物理场作用，分析土钉加固粉质黏土力学特征影响变化。

图1 基坑土层分布特征

图2 土钉锚管分布特征

1.2 试验设计

为研究土钉加固粉质黏土承载力学特征，设计采用室内土体力学试验设备进行。在该基坑工程深度4～5 m 范围内取样，所钻取的试样覆盖基坑所有开挖断面，包括图1、图2 中所示的土层剖面，所得土样含水率分布为8%～22%。由于本试验中需要探讨有、无钉加固粉质黏土力学特性，故需在实验室开发土钉模拟试验装置，图3 为自研土钉加固土样力学试验装置，图3（a）为模拟倾角25°土钉加固粉质黏土试样，土钉依靠螺杆与底孔连接，构建起土钉加固粉质黏土试样模型，图3（b）为加载平台中放置入土钉加固土样模型后状态，基于该试验装置可完成土钉加固粉质黏土力学试验。试验中，所有试样直径、高度分别为50，100 mm，在试验前、后对试样分别进行SEM 细观扫描，以获得粉质黏土试样细观力学特征。

图3 试验设备

不仅于此，鉴于基坑工程施工受季节影响，开挖期土体易出现干湿交替物理作用，故三轴力学试验中需耦合干湿循环影响。试验中，试样在不同干湿交替环境下完成物理作用，干湿状态下含水率分别为22%～8%（A 组）、18%～8%（B 组）、14%～8%（C 组）、10%～8%（D 组），3 组试样交替过程中在干湿环境下保持4h，交替次数分别设定为0～10 次，梯次为2次。试验围压设定50，100，200 kPa，试验参数设计如表1。基于干湿交替路径差异化下力学试验，研究土钉加固粉质黏土力学特性。

表1 试验参数设计

2 干湿交替影响下土钉锚固土体力学试验

2.1 干湿路径影响

基于不同干湿路径下土钉锚固土体力学试验，获得土钉锚固复合土体试样的力学特征曲线，如图4。从图4 可看出，干湿路径不一致，则试样应力应变发展趋势具有较大差异：以围压50 kPa 下为例，当干湿路径为22%～8%时（A 组），试样加载应力应变呈应变软化特征，峰值应变后应力直接陡降，无明显残余应力；当干湿路径为18%～8%时（B 组），试样峰值应变后应力下降较快，在应变5.22%后由应力下降缓冲期；当干湿路径为14%～8%（C 组）、10%～8%（D 组）时，试样分别在峰值应变3.7%、3.9%后出现应力缓降，降幅弱于A、B 组干湿路径，且均出现了残余应力，分别为277.3，356.1 kPa。相比之下，当围压增大至100 kPa 后，各组试样仍保持一致的应力应变趋势特征，但峰值应变、应力下降缓冲节点应变值及残余应力等参数值均有较大提高。分析认为，干湿路径不同，土钉复合土试样应变破坏有明显差异，干湿程度差异愈大，则试样愈趋于应变脆性；围压增大，不会改变应力应变曲线特征，但会影响各节点应力、应变参数值。

图4 不同干湿路径下土钉复合土试样应力应变特征

总体对比应力、应变参数值可知，当干湿路径中干湿程度差愈小，则试样承载应力水平愈高：围压50 kPa 下A 组试样峰值应力为193.7 kPa，而B，C，D 组试样峰值应力较之前者分别提高了47.3%、79.4%、121.4%；围压增大至100 kPa 后，A～D 4 组试样峰值应力整体增幅为29.4%～43.5%，随干湿程度差幅增大，其峰值应力平均减小20.3%。控制土钉锚固土体干湿路径，有助于减少物理作用对试样承载能力的削弱。

2.2 干湿次数影响

同理，根据同一种类型干湿路径下、不同交替次数试验组的力学试验数据处理，获得干湿次数对土复合土试样应力、应变影响，由于各干湿路径下，交替次数对力学特征影响具有相似性，故本文给出干湿路径为18%～8%的试样组，如图5。分析图5 可知，同一围压下，不同干湿次数试样应力应变趋势变化呈一致，峰值应变均接近，围压50，200 kPa 下试样组的峰值应变分别为4.14%、15.3%。不仅于此，在围压50 kPa 下，各试样均为应变脆性，峰值应变后无应力缓冲下降区，应力降幅均超过60%；而围压200 kPa下，试样在应变5.5%后出现应力稳定、应变快速增大的特征，延塑性变形显著。基于试验数据分析表明，干湿次数不影响试样应变破坏特征，而围压作用会直接改变应力应变趋势。

图5 不同干湿次数下土钉复合土试样应力应变特征

由不同干湿次数下试样应力水平对比可知，干湿次数与承载应力为负相关，围压50 kPa 下交替0次时试样峰值应力为581.9 kPa，而干湿2，4，8 次试样峰值应力较前者分别减少了25.5%、45.2%、73%，当干湿作用每梯次增幅2 次，则试样峰值应力平均下降了29.2%。在围压200 kPa 下，由于峰值应力并不明显，以应变15%所指应力为代表，在湿干次数梯次变化时，峰值应力平均减少12.2%，围压增大，试样受干湿物理损伤影响效应会减弱。

3 土钉锚固土体变形破坏细观特征

土钉锚固土体的破坏特征不仅体现在宏观力学方面，试样细观特征上同样会受之影响。为此，本文在SEM 图像扫描基础上，对土钉锚固土体细观特征开展分析。

图6 为4 种不同干湿路径下试样破坏后SEM图像特征。分析可知，干湿程度差异愈大，土钉锚固土试样颗粒紧凑性愈差，颗粒骨架变得较松散，图6（d）中试样中小孔增多、延展较显著，颗粒内部的大、小孔隙分布更广泛，土颗粒团簇状显著，呈颗粒独立性分布，割裂了土颗粒与土钉之间的结构联系性，故土体试样承载能力受劣化影响。

图6 不同干湿路径下试样SEM 图像特征

基于各试样细观数据提取分析，获得干湿次数试验组试样裂隙分布变化特征，如图7。由图7 可看出，干湿次数与裂隙数量的关系可用指数函数表示；随干湿次数增多，裂隙数量显著增大，特别是在干湿次数为6 次后，裂隙数量增幅更高，在围压50 kPa下，干湿0 次时裂隙数量为5039 个，而随干湿梯次2 次变化，裂隙数量平均提高38.5%，而在围压100，200 kPa 下，裂隙数量随干湿次数变化，分别平均增幅29.2%、19.6%，即围压效应可约束试样内部部分裂隙的产生。分析认为，干湿交替作用随次数增多，本质上会促进试样内部微小裂隙的产生，从而形成贯通裂纹，而这种作用影响在交替6 次后尤为显著。