软土基坑被动区加固强度参数试验研究及变异性分析.pdf

文章编号：1007-2993（2024）01-0110-06软土基坑被动区加固强度参数软土基坑被动区加固强度参数试验研究及变异性分析试验研究及变异性分析徐伟太俊温永凯赵晨曦阎波胡科（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉430015）【摘要】基坑被动区加固是有效的变形控制手段，在软土深基坑工程中已广泛应用，但被动区加固体强度参数及其变异性的试验研究较少。武汉地区某软土深基坑被动区采用三轴水泥土搅拌桩加固，为深入研究被动区加固体强度参数及其变异性，进行原位静（动）力触探试验及室内无侧限抗压强度试验，建立被动区加固体原位测试指标与无侧限抗压强度参数的相关关系，并根据建立的经验公式将连续的原位测试数据转换为无侧限抗压强度值，通过数据统计分析探讨被动区加固体强度参数的变异性及分布规律。研究结果表明：被动区加固体的强度比原状土显著增加，但坑底以下 20%水泥掺量的实桩部分相比坑底以上10%水泥掺量的空桩部分的桩身强度增加幅度并不明显；被动区加固体不论是空桩段还是实桩段都具有显著的不均匀性，且空桩段变异系数比实桩段更大；空桩段水泥土强度采用指数分布拟合效果更好，而实桩段水泥土强度则近似满足对数正态分布。【关键词】被动区加固；水泥土；无侧限抗压强度；变异性【中图分类号】TU432 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2024.01.020Experimental Study and Variability Analysis of Strength Parameters in PassiveZone Reinforcement of Soft Foundation PitXu WeiTai JunWen YongkaiZhao ChenxiYan BoHu Ke(Central and Southern China Municipal Engineering Design&Research Institute Co.,Ltd.,Wuhan 430015,Hubei,China)【Abstract】Passive zone reinforcement is an effective deformation control method,which has been widely used in soft soil deepfoundation pit engineering,but there are few reports about the measured strength parameters and its variability analysis of the passivezone reinforcement.Based on a soft clay deep foundation pit in Wuhan area,in-situ cone penetration tests,dynamic penetration tests,and laboratory unconfined compressive strength tests were carried out,and its correlation between the laboratory unconfined compress-ive strength parameters and in-situ test indexes was established for the passive zone reinforcement.Through the established empiricalformula,the continuous in-situ test data were converted into unconfined compressive strength values,and the variability and distribu-tion of strength parameters of the passive zone reinforcement were discussed by statistical analysis.The results showed that there weresignificant differences between the strength of the passive zone reinforcement and the undisturbed clay,compared with the empty pilewith 10%cement content above the bottom of the pit,the strength of the solid pile with 20%cement content below the bottom of the pitwas not significantly increased.The strength of the passive zone reinforcement has strong nonuniformity in both empty and solid piles,and the variation coefficient of the empty pile was larger than that of the solid pile.The distribution of cement-soil strength for theempty pile with low cement content was fitted by an exponential distribution,while that of cement-soil strength for the solid pile withhigh cement content was approximately lognormal.【Key words】passive zone reinforcement；cement-soil；unconfined compressive strength；variability 0 引言基坑被动区加固是一种有效的变形控制手段，在软土深基坑工程中已广泛应用。基坑被动区加固主要通过深层搅拌法、高压旋喷桩等施工工艺对基底以下部分区域进行加固，从而提高土体强度及刚度，增强土体抗变形能力，达到控制基坑变形的目的。基金项目：中国市政工程中南设计研究总院有限公司科研项目（KY-N-J-2021-003）作者简介：徐伟，男，1982 年生，汉族，湖北洪湖人，硕士，高级工程师，主要从事岩土工程勘察、设计及项目管理工作。E-mail： 第 38 卷第 1 期岩土工程技术Vol.38 No.12024 年2 月Geotechnical Engineering TechniqueFeb，2024众多学者对被动区加固的加固机理、加固形式、加固参数、位移控制效果进行了充分的分析研究16。但现有研究多局限于数值模拟的方法，对被动区加固土体力学参数的试验研究还较为匮乏，对于被动区加固体的强度及其检测方法，各地规范的要求也并未统一和明确7。工程实践中常通过钻孔取芯试验进行检测，但实际操作过程中往往会选取完整性较好的岩芯进行取样，对于完整性较差的岩芯则被人为排除在外。对于水泥土的成桩质量、强度特性也可以采用静力触探、标准贯入、动力触探等原位测试方法进行检测。一些学者将标准贯入试验、静（动）力触探试验用到水泥加固土质量检测中，并建立了一系列的经验公式811，这些经验公式均可为被动区加固效果检测提供依据。李卓峰等12通过静力触探测试获得坑底土层加固前后的力学参数，从而研究坑底加固对基坑变形的影响，但并未考虑静探测试数据的分布特征及其离散性对加固土强度参数的影响。由于水泥土作为一种人工材料，其力学参数受到施工方法、施工参数等多因素的影响，尤其在深层施工条件下，水泥土搅拌均匀性、垂直度施工误差等因素均会导致加固体力学参数产生空间变异性13。Honjo14对日本广岛、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；Navin15对前人的研究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。这些统计数据均来源于钻探取芯试验，其统计分析结果往往受样本数量少、经济成本高等因素的制约，而静（动）力触探试验提供的实测数据不仅能够反映土体的力学性质，且能提供连续的测试数据，数据样本容量充足。因此，通过静（动）力触探试验数据来分析加固体强度及其变异性，对获取加固体的力学参数及其质量检测具有重要意义。武汉市某软土深基坑被动区采用三轴水泥土搅拌桩加固，为深入研究被动区加固体强度参数及其变异性，借助原位测试手段，进行了大量的原位静（动）力触探试验，同时选取部分点位进行钻探取样，通过室内土工试验获取土样的强度指标，从而在原位测试指标与强度参数之间建立关系，并依据原位测试数据研究被动区加固体强度参数的变异性。1 工程概况依托工程位于武汉经济技术开发区，场地地貌为长江冲洪积级阶地湖积区，分布有厚层的第四系湖积相淤泥层及第四系河流冲积相的淤泥质土层，软土层层顶埋深 4.07.3 m，厚度最大达 16 m。基坑开挖深度为 14.118.2 m，围护结构采用钻孔灌注桩+混凝土内支撑进行支护，基坑被动区采用850600 三轴水泥土搅拌桩进行裙边加固，加固深度最深达 23 m（见图 1）。加固范围内主要地层的物理力学指标如表 1 所示。三轴搅拌桩采用搭接施工，二搅二喷，下沉速度为 0.51.0 m/min，提升速度为1.02.0 m/min，采用 P.O 42.5 级普通硅酸盐水泥，水灰质量比为 1.52.0，坑底以下实桩段水泥掺量为20%，坑底以上的空桩段水泥掺量为 10%。2.105.607.9020.8022.2025.4028.3032.003碎石2-4粉质黏土2-3黏土2-2淤泥质黏土1-3淤泥1-2素填土1-1杂填土自然地面标高排水沟第一道内支撑第二道内支撑基底标高排水沟桩段水泥掺量 10%3a粉质黏土夹碎石、角砾850600 mm 三轴钻孔灌注桩 15001800 mm搅拌桩基底以上空桩段水泥掺量 20%850600 mm 三轴搅拌桩基底以下实 图 1 基坑支护结构典型剖面图（单位：m）表 1 原状土物理力学指标层号 土层名称/（kNm3）Es1-2/MPa直剪（快剪）有机质含量/%c/kPa/（）1-2素填土18.01191-3淤泥16.92.31043.472-1黏土17.63.420102-2淤泥质土16.82.41251.882-3黏土18.44.62312 2 试验方案 2.1 现场原位测试及取样为了研究被动区加固体强度参数的变异性，首先需建立室内试验指标与原位测试指标间的相关关系，再根据静（动）力触探试验的原位测试数据进行强度参数的变异性分析。具体原位测试方案为：在被动区加固体龄期达到 90 d 以后，沿基坑边按 20 m 左右间距进行单桥静力触探试验（CPT），当静探贯入阻力过大无法贯入时，改为重型圆锥动力触探（DPT）继续徐伟等：软土基坑被动区加固强度参数试验研究及变异性分析111连续贯入，同时选取部分原位测试区进行钻孔取样，采用双管单动取样器钻取芯样，芯样尺寸为 80 mm200 mm。原位测试及钻探取样点位平面布置见图 2。本研究共完成单桥静力触探试验 531.2 m，圆锥动力触探试验 84 m。单桥静力触探孔钻探取样孔圆锥动力触探试验孔 图 2 取样及原位测试孔平面布置图 2.2 室内试验按照土工试验方法标准（GBT 501232019）对各土样进行常规物理力学试验，包括密度、含水率、压缩试验、直接剪切试验以及无侧限抗压强度试验。无侧限抗压强度试验的试样尺寸为 39.1 mm80 mm，并在试样两端涂抹凡士林，采用 TSZ 型应变控制式三轴仪进行试验，应变速率控制在 1%/min，当轴向力达到峰值后，再进行 3%5%的轴向应变后停止试验，取峰值应力作为无侧限抗压强度 qu；若轴向力无峰值则轴向应变需达到 20%，取轴向应变15%时的应力作为无侧限抗压强度 qu。本次研究共完成无侧限抗压强度试验 74 组，水泥土试样及室内无侧限抗压强度试验见图 3。图 3 三轴仪及水泥土试样 3 试验结果与分析 3.1 原位测试结果图 4 为四种典型的原位测试曲线，分别为原状土的静力触探 Ps曲线、加固质量不良水泥土的静力触探 Ps曲线、加固质量较好水泥土的静力触探 Ps曲线及修正后动力触探 N63.5曲线。020151050510原状土静探曲线加固质量不良水泥土静探曲线加固质量较好水泥土静探曲线加固质量较好水泥土动探曲线基底标高比贯入阻力 Ps/MPa1520250510152025修正后动探击数 N63.5/击深度 H/m 图 4 典型原位测试曲线 由图 4 可以看出，静力触探试验（CPT）与动力触探试验（DPT）均能直观地反映水泥土搅拌桩桩身强度特性，水泥土搅拌桩加固体的比贯入阻力 Ps值比原状土显著增加，而坑底以下 20%掺量实桩部分相比坑底以上 10%掺量空桩部分的桩身强度增加幅度并不明显，这可能是由于三轴搅拌桩在施工过程中往往存在下部水泥浆液随钻杆上窜、注浆泵流量与成桩速度难以匹配等问题，导致成桩质量不均、桩身强度与设计参数不匹配的现象。3.2 室内试验结果水泥土的基本物理力学指标实测值按基底以上空桩段和基底以下实桩段分别进行统计，具体如表 2所示。根据无侧限抗压强度试验结果，绘制出原状软土与不同掺量的被动区加固体钻孔芯样的典型应力应变关系曲线（见图 5）。表 2 水泥土的实测物理力学指标土层名称/(kNm3)Es1-2/MPa直剪（快剪）无侧限抗压强度qu/MPac/kPa/（）空桩段水泥土13.519.8 1.6616.98 12.086.5 3.137.9 0.0401.43实桩段水泥土14.120.2 3.3612.19 38.3121.2 13.726.7 0.0481.05 由表 2 可以发现，空桩段与实桩段的水泥土试样的各项物理力学指标均具有很强的离散性，反映出被动区的加固质量是非常不均匀的，且部分水泥土的重度相比原状软土有明显的降低，土样中分布有大量肉眼可见的气孔，呈现出“酥松”的状态（见图 6），这是由于三轴搅拌机施工时左右两轴注浆，中间轴注入压缩空气切削土体，高压气体留存在土体中形成密集112岩土工程技术2024 年第 1 期的气孔所导致的。同时也可以发现基底以下 20%掺量实桩段相比坑底以上 10%掺量的空桩段芯样的各项力学指标增加幅度均不明显，这与原位测试结果的规律是类似的。0100200300400500600700800900100005101520应变 1/%原状软土芯样加固质量不良水泥土芯样加固质量较好水泥土芯样应力 1/kPa 图 5 原状土与加固体芯样典型应力应变关系曲线 (a)原状软土芯样(b)加固质量不良芯样(c)加固质量较好芯样 图 6 原状软土与加固体芯样典型破坏形态 图 5 中典型原状软土的无侧限抗压强度 qu仅为 33.6 kPa，应力应变关系曲线表现为应变硬化型，试样破坏形态呈塑性鼓胀破坏（见图 6（a）；而加固体芯样的强度相对原状土要大得多，典型加固质量较好芯样的 qu达到 860.2 kPa，应力应变关系曲线表现为应变软化型，试样破坏形态为脆性破坏（见图 6（c），破坏应变约为 1.3%；加固质量不良芯样的 qu值介于原状土与加固质量较好芯样之间，其应力应变关系曲线表现为由应变硬化型向应变软化型过渡，试样破坏形态见图 6（b）。原状土与加固体芯样典型抗剪强度与垂直应力关系曲线如图 7 所示。由图 7 可以看出，典型原状软土的内摩擦角和黏聚力仅为 3.47和 14.93 kPa，而典型加固质量较好水泥土芯样的内摩擦角可达37.18，黏聚力可达 73.76 kPa，表明在水泥的水化胶结作用下，不仅大幅提高了土体的黏聚力，其内摩擦角也得到显著增长。4 原位测试指标与加固体强度参数间的关系对于水泥土的原位测试指标与强度参数之间的相关关系，现有文献中已有大量的经验公式，表 3 收集整理了相关的研究成果。从现有研究成果可以看出，目前原位测试指标与水泥土强度之间关系的建立多采用数据拟合的方法，但能否在武汉地区直接套用仍有待验证，且已有研究尚未建立重型圆锥动力触探击数 N63.5与水泥土强度之间的经验公式。为此，本研究利用室内试验数据与原位测试数据，建立了武汉地区软土水泥土的比贯入阻力 Ps、修正后动力触探击数 N63.5与无侧限抗压强度 qu之间的相关关系（见图 8、图 9）。=tan3.47+14.93R2=0.8645=tan18.43+46.19R2=0.9786=tan37.18+73.76R2=0.98970501001502002503003504000100200300400500抗剪强度/kPa垂直应力/kPa原状软土芯样加固质量不良水泥土芯样加固质量较好水泥土芯样 图 7 原状土与加固体芯样典型抗剪强度垂直应力关系曲线 表 3 现有文献中经验公式汇总经验公式地区适用土层公式来源R=0.2048qc+0.232广东软土水泥土钟献科8Ps=10qut90上海软土水泥土杨龙才等9qu=(62.04N10+146)/t0.5软土水泥土崔家立16R=0.138(N3.6)0.5连云港软土水泥土邓小宁等17qt=8Nt+162lnt286连云港软土水泥土刘松玉等11qt=0.0034Nt2+0.0035Nt+0.172武汉软土水泥土和礼红等18注：qc为 7 天静力触探锥尖阻力；R 为 28 天龄期无侧限抗压强度；Ps为 t 天静力触探比贯入阻力；qu为 90 天龄期无侧限抗压强度；qt为 t 天龄期无侧限抗压强度；t 为试验时的成桩龄期；N10为 t 天龄期的轻便动力触探击数；Nt为 t 天龄期的标贯击数；N为 7 天龄期修正后的标贯击数。000.10.20.30.40.51.01.52.02.53.0无侧限抗压强度 qu/MPaqu=0.1266PsR2=0.9121比贯入阻力 Ps/MPa 图 8 比贯入阻力Ps与无侧限抗压强度qu的关系曲线由图 8、图 9 可以看出，水泥土无侧限抗压强度qu与比贯入阻力 Ps呈线性正相关关系，其相关关系为徐伟等：软土基坑被动区加固强度参数试验研究及变异性分析113qu=0.1266Ps（1）而无侧限抗压强度 qu与修正后动力触探击数N63.5，采用幂函数进行拟合后具有较好的相关性，其相关关系为qu=0.1493(N63.5)0.8676（2）通过建立的水泥土无侧限抗压强度 qu与比贯入阻力 Ps、修正后动力触探击数 N63.5的相关关系，可以较为简便地获取被动区加固体的强度分布情况。000.51.01.5123456789 10 11 12 13 14 15 16无侧限抗压强度 qu/MPaqR2=0.8768修正后动力触探击数 N63.5=0.1493(N)0.8676 图 9 动力触探击数N63.5与无侧限抗压强度qu的关系曲线 5 基于原位测试数据的加固体强度参数变异性分析基于原位测试的大量实测数据，通过相关关系式（1）和式（2）将原位测试数据均转换为无侧限抗压强度值，而后再进行数据统计分析，统计结果如图 10、图 11 所示。002004006008000.51.01.52.0频次无侧限抗压强度 qu/MPa指数分布样本数:2115平均值:0.3805标准差:0.3458变异系数:0.9090 图 10 基底以上空桩段水泥土强度分布 统计结果表明：基底以上空桩段水泥土强度 qu均值为 0.38 MPa，变异系数为 0.909；基底以下实桩段水泥土强度 qu均值为 0.504 MPa，变异系数为0.6896；被动区加固体不论是空桩段还是实桩段都具有较强的不均匀性，且空桩段变异系数比实桩段更大，这可能与空桩段水泥掺量较低、成桩速率过快导致搅拌不够充分有关。目前对于水泥土的强度分布规律，一般认为近似正态分布或对数正态分布14,1920，但以往的统计对象均针对的是地基处理工程中的水泥搅拌桩，此类水泥搅拌桩的水泥掺量一般是均匀一致的，而基坑被动区加固体的水泥掺量是随深度变化的，空桩段水泥土强度采用指数分布拟合效果更好，实桩段水泥土强度近似满足对数正态分布，通过实测获取的加固体强度变异性及分布规律可为后期被动区加固的理论研究和数值模拟提供数据基础。样本数:890平均值:0.5044标准差:0.3478变异系数:0.689600501001502000.51.01.52.0频次无侧限抗压强度 qu/MPa正态分布对数正态分布 图 11 基底以下实桩段水泥土强度分布 6 结论（1）被动区加固体的强度指标较原状土有显著提升，但坑底以下 20%掺量实桩部分相比坑底以上10%掺量空桩部分的桩身强度增加幅度并不明显，这可能与三轴搅拌桩在施工过程中存在下部水泥浆液随钻杆上窜、注浆泵流量与成桩速度难以匹配等因素有关。（2）原状软土的应力应变关系曲线表现为应变硬化型，试样破坏形态呈塑性鼓胀破坏；加固质量较好芯样的应力应变关系曲线表现为应变软化型，试样破坏形态为脆性破坏，加固质量不良芯样的应力应变关系曲线表现为由应变硬化性向应变软化型过渡的形态。（3）建立了水泥土无侧限抗压强度 qu与比贯入阻力 Ps、修正后动力触探击数 N63.5的相关关系，据此可以较为简便地获取被动区加固体的强度分布情况。（4）被动区加固体，不论是空桩段还是实桩段都具有显著的不均匀性，基底以上空桩段水泥土强度的变异系数达 0.909，而基底以下实桩段水泥土强度的变异系数达 0.6896。（5）基坑被动区加固体的空桩段水泥土强度采用指数分布拟合效果更好，实桩段水泥土强度近似满足114岩土工程技术2024 年第 1 期对数正态分布。参考文献 郑俊杰，章荣军，丁烈云，等.基坑被动区加固的位移控制效果及参数分析J.岩石力学与工程学报，2010，29（5）：1042-1051.1 秦爱芳，胡中雄，彭世娟.上海软土地区受卸荷影响的基坑工程被动区土体加固深度研究J.岩土工程学报，2008，（6）：935-940.2 马郧，屈若枫，周兴涛，等.基坑被动区加固参数对支护结构位移影响分析J.岩土工程学报，2012，34（S1）：190-196.3 刘溢，李镜培，陈伟.被动区深层搅拌桩加固对超大深基坑变形的影响J.岩土工程学报，2012，34（S1）：465-469.4 康志军，谭勇，邓刚，等.被动区土体加固对深基坑变形影响的研究J.长江科学院院报，2017，34（6）：119-123.5 马海龙.基坑被动区加固对支护影响的研究J.岩土工程学报，2013，35（S2）：573-578.6 梁志荣，李忠诚，刘江，等.三轴水泥土搅拌桩强度分析及试验研究J.地下空间与工程学报，2009，5（S2）：1562-1567.7 钟献科.高速公路水泥搅拌桩工程质量快速检测方法研究D.广州:华南理工大学,2013.8 杨龙才，张师德.静力触探在水泥土搅拌桩检测中的应用J.西部探矿工程，1996，8（3）：10-12.9 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