内置支撑的基坑在水泥土搅拌排桩作用下的响应
摘要：本文介绍了两个足尺试验的试验方法、试验过程以及表现情况，在试验中，一个与若干排相互重叠的干喷混凝土搅拌桩相互作用的支撑钢板桩被挖掘出来，然后加载至破坏。试验的目的是为了提供位于被动区域并与挡土结构相互作用的多排深层搅拌桩的相关响应知识。两个试验都在其支挡结构的主动和被动区域有大量仪器记录。在两个试验中，支挡结构都发生了失稳，导致基坑底部产生隆起以及钢板桩背部的地表大幅沉陷。水泥-石灰板桩之间间隔为3m的情形下，在板桩之间的黏土中，在破坏之前就伴随着微小变形产生了突发性的明显脆性破坏。在第二个试验中，石灰-水泥板桩之间的间隔为1．5m，板桩以及板状之间的黏土均产生了破坏。虽然有类似的破坏机制产生，记录所得的水平位移、水平向应力以及孔隙水压力，在两个试验中破坏前的响应情况并不相同。
关键词：干法深层搅拌法 现场试验 基坑支护 破坏机理 孔压响应
引言：
在软弱沉积黏土基坑中进行的试验看，在支挡结构和地面发生大变形过程中产生会巨大结构内力，它们可以破坏周边结构，这是首先要考虑的。在需要开挖基坑时，利用深层搅拌法复合地基来增加软粘土的强度以及刚度，已取得较好的效果。这项应用在近些年来的采用有所增加，以改善支挡结构被动区域的土体。在开挖区内部土体中装设了嵌板、格栅以及块体，而桩体则布置在这些加固体之间，以增强土体被动抗力，有时也可以减少永久结构物的沉降。
复合地基的破坏机理是通过离心模型试验测得的，这种试验采用某种重力加速度，对单根柱体进行原比例静载荷试验，并且对所产生的破坏进行分析，这些研究揭示了在改善土体中各种各样的破坏机制，如：柱体的弯曲破坏挤压破坏、断裂破坏等。我们已经明确证实，加大柱体直径以及使用柱体重叠可以增强弯矩抗力以及改善加固后土体稳定性。
这些年发表了一些研究案例，他们报道了由装设在被动区域的深层搅拌柱体加固的支挡结构的表现。有很多基坑由不同类型的土体改善技术加以支护，他们的响应也都通过离心模型试验和数值分析做了研究。在这些研究里，最重大的发现就是，通过改善被动区域土体，在挡土结构面部可达到的被动土压力值显著增大。这就证明可减少由开挖引起的支挡结构背部的挠曲，减小基坑内部土体的竖向位移（比如：隆起），减小结构受力（如在支挡结构、支杆、锚杆内的弯矩）以及改善抵抗基坑隆起破坏的安全性。然而，在大多数进行过的实验研究中最重要的焦点在于支挡结构的响应，并且在改善过的土体对于支挡结构被动区域的反应上的应力-应变表现和破坏机理方面，相关的可用文献资料是最少的。
在2014年春夏期间的这项研究包含有原始比例试验，中钢板桩支挡结构墙体被加载至破坏。在两种情况下，在深层搅拌排桩支护基坑中被动区域土体都被改善了。在石灰-水泥桩与钢结构中的两个试验都被广泛的记录了下来，这方便于记录黏土体中应力与变形的发展。这是首次桩型地基加固的基坑在破坏前后的响应以原始比例试验的方式记录了下来。试验的目的是为了提供一种案例记录，包括变形、应力、孔隙水压力反应以及通过聚焦改善土体而得到的破坏机理。本文描述了所做两个实验中的试验设置、仪器、执行以及最终获得的结果。
方法和材料
试验场地的地质条件：
两个原始比例试验都在一个开放的未开发的场地完成，该场地位于斯维顿北部， Enkoping镇附近且位于斯德哥尔摩西北方70km处。试验场地的面积大概为100times;200m，其地面高出海平面5．9-6．2m。两个试验区域的尺寸都是20times;30m，并且相互之间的距离大概为35m。为了确定每个试验场所的土壤性质，在进行实验之前就做了大量的土壤研究项目。每个场地的土壤研究包括含有孔隙水压计的圆锥贯入试验以及十字板剪切试验，以确定粘土层的厚度以及不排水抗剪强度并且研究在粘土层内阻滞土的渗透层的情况。从每个场地的两个钻孔中得到土样用于实验室研究。用螺旋钻杆采集扰动土样，用Swedish标准活塞取样器采集深度分别为2、5、7m深的直径50mm的未扰动土样。在同样的位置以及深度处同时进行孔隙水压得测量。自由地表水面是通过装在黏土下进入阻滞土深度为1m的开放管道测量的。两个实验场所的土壤条件非常相似，底层情况总结如下：1．2-1．5m厚的干壳层，下面是7-9m的软弱解冻土层。该层下方为3-7m后的沙土层，该土层完全覆盖在一个与基岩最紧密的图层上，而基岩位于地表以下14-20m。自由地表水面（在沙土层中测得的）位于地表以下0．5m，而测得的黏土层中的孔隙水压比在自由水面中的静力水头压力低3-5kPa。由一个试验场地所测得的黏土的一般特性如表一所在两个区域，黏土最上部的2m土归类均为有机质粘土，硫化物透镜体位于大概5m深处。从6-7m起黏土就变成了薄水平层的粉细砂，这在该区域为常见。在5m深以下，土体归类为高灵敏度土壤，灵敏度gt;30。实验室测试包括各向异性固结不排水压缩实验、扩展三轴试验以及固结不排水简单剪切试验，此外，灵敏度如图一所示。
图1 试验场地一的土层性质
试验平面布置:
两个试验的地质方面的安排都忽略了水泥石灰桩之间的间距，而这个选择是基于Ignat et al的研究，该研究就是对深层搅拌桩支护基坑的期望响应所做的分析。在第一个试验区，即test1，桩间距为3．0m，而在第二个试验区，桩间距为1．5m。每个试验都包含两根钢SPW,型号为Vl604，其长度最大为19．8m，相互平行安装以保证每个基坑的宽度都为12m。基坑区域底部的大小为14times;12m。SPW安装在加载侧地表下深度大概为7m处，在对侧深度则为7．5m。安装深度的选择是因为扭转稳定失效是预期失效机制。SPW用HEB00的钢梁加以支撑，他们安装在地表下大概1m深处，并且中心距大概为3-3．5m。试验1的安排如图2所示。
在SPW之间的开挖体到预计的地标以下4．5m处是开放的斜面。为了改善斜面的稳定性，单根柱设置在斜面顶部的0-4．5m范围处。
柱的设置是通过Scandinavian 干法分社混凝土来完成的，干粘结剂与土体搅拌在一起。粘结剂掺量为120kg/msup3;，50%石灰，50%波兰特水泥。在试验1里，安装了5排重叠的柱体，而试验2则为9排。每排包含有24根直径0．6m、中心距0．5m，试验1的面积置换率为17．5%而试验2为35%。柱体设置在软弱粘土层下方的阻滞土体中，试验1中他们的平均长度为8．8m，试验2中长度为9．0m。为了保证SPW与排桩之间的接触，在设置了柱体后两试验场地中SPW才安装，并且穿过每排桩的最后一根（图3）。
桩体贯入测试：
图2 地面高度以及石灰水泥桩的平面布置图
图3 石灰-水泥桩的设置
在斯维顿，柱体原位测试的质量控制通常通过桩的贯入度试验来进行。一个桩的贯入度测试在每一排桩设置完成后的10-12天内进行。不排水抗剪强度的评估结果如图四所示。这个结果表明两个试验场地的不排水抗剪强度有着类似的趋势，在2．5-5．5米深处都相当低，为100-200Kpa，而强度最低数据大概在3．5m深处测得。抗剪强度在7米深之后开始增加。不排水抗剪强度评估结果与软粘土层中的情况基本一致，该土层中2-5m深处有硫化物透镜体，6-7m深以下处有粉细砂。
仪器设备：
在石灰-水泥桩和SPW安装完成之后，直接就在SPW被动区域和主动区域的关键位置安装测量仪器。为了比较两个试验的结果，两个设施中的测量仪器实际上都是一样的。每个试验中安装的仪器类型、数量以及位置如表1和图5所示。
图4桩体贯入度测试结果
图5 原位测试仪器的位置以及高程
试验步骤：
两个试验中从开挖起的一般工作程序都差不多，并且如下所示：
步骤1----开挖至地表以下2m深处；
步骤2----在地表以下1m深处安装支撑系统以及安装支撑梁；
步骤3----开挖至4m深处；
步骤4----除了有仪器的区域周边0．5范围内，其他区域同意开挖至4．5m深；
步骤5----建造一个刚性荷载分布平台以及在分布平台上增设钢材盛放工具，如图6所示；
步骤6----逐步进行增加荷载直至出现破坏。
表1 场地试验仪器设置
图6 LPD的安置
对于试验2，第三步以及第四步结合成一个步骤。开挖工作的进行采用了长度很大（达16m）的开挖机械，这使得所有开挖工作可以自安装了仪器的板桩的对侧开始进行。通过用土填充盛放器来增加荷载，盛放器的规格是6．2times;2．6times;2．5m。每个盛放器其中心都放在用 HEB340焊接钢梁架设而成的框架上，这个框架放在大小6times;6m的刚性LDP上。LDP的建造是在压实了的砂砾石土层的场地进行的，两层木制梁以及钢制平台在两个实验中分别施加9kPa（试验1）以及11kPa（试验2）的均布荷载。盛放器里的荷载通过布置在每个容器框架正下方的传力计测量。在每一级荷载之间的间隔时间里，每个容器里的荷载也在一步步地增长。
试验一
开挖到第一级即地表以下2m的深度的时候是在2014年五月13到15日之间。在这次开挖之后直接完成整个支护系统。内支撑的安装是在五月20日完成的。第二级开挖的深度为4m是在五月21日开始并且第二天完成。最后一级开挖到4．5m深度是在26日进行的并且LDP也在当天设置完成。27日将荷载盛放器放置在荷载框架上，施加荷载是在当天13：30开始。荷载分级施加，其随时间的变化如图7所示。
图7 荷载随时间变化图
从一开始（t=0）的时候到第四级荷载施加（t=6：20）期间，水平位移有微小的线性增长，土压力也在增长，这些在主动区域和被动区域都有所记录，在这期间，几乎没有产生超孔隙水压力，这在柱间或者石灰水泥桩间的土层中有测量。在第四级荷载中所施加的均布荷载为37．9kPa，比前一级的25． 1kPa增加了50%。后来最后一级荷载是在t=7：40施加的，如表8a所示，其荷载值达到了40．6 kPa，结构失稳发生在2小时15分钟后的9：55．在结构失稳的时候，从压力记录仪的记录中发现压力有所下降（从1140降到950），这是由于因容器而产生的巨大的水平以及竖向位移导致的。这种破坏机制，如表8b所示，是SPW的扭转稳定失效，这导致同时在基坑的底部（隆起）和地表SPW的主动区域（沉陷）都产生了巨大的位移。在失效的时候随着一个距SPWm左右的起始点产生了一个滑动面，该滑面在LDP主动区域的边缘远处其滑动底部位于距SPW被动区域-3．5m的地方。
图8 （a）试验1最后一级荷载加载后的照片，（b）试验1SPW破坏后的照片
设置在主动区域中的测斜仪中最大倾斜都变化是在离SPW底部最近的两个仪表之间测出来的，这表明滑动面正好产生在SPW下方。由于在破坏时产生的巨大位移，在主动区域以及距SPW1．5m的被动区域土层中排桩之间的测斜仪被破坏了，并且水平位移在t=9．55后便不可测量了。测量表明在破坏前伴随着微小变形产生了脆性破坏，并且在开始后的大概30-40分钟内快速发展达到屈曲，最终结构完全破坏。
实验二
开挖到第一级即地面以下两米深处，该处据记录仪器最近此次开挖2014年5月15开始16日结束。开挖工作又遇到了周末而暂时搁置，第一级基坑的整体开挖在19日才完成。类似于试验一，在基坑开挖之后就直接开始安装支护系统，并且在五月28日完成。开挖到最后一级即地面以下4．5m深度处是一级就进行并且在六月3日完成。LDP的建设、荷载测量计的安装以及容器的加设在第二天开始进行。容器的加载在六月9日上午开始，并且其荷载随着时间而一级一级的增加，如图9所示。
图9 试验二中荷载随时间变化图
容器的装填进行了一整天（1-6级），然后在晚上14：00终止，此时荷载达到了52．9kPa。在第六级荷载15：00施加后一个小时左右，从测量数据中找不到任何突发性破坏的征兆。由于最后一小时以及迅速发展的脆性破坏风险，这些都与试验一类似，都在晚上发生，所以决定在夜间使容器卸载一部分然后第二天上午继续测试。第二天早上，，在t=26：30的时候，荷载又被重新施加到与原来相同大小。在t=30：00，即荷载重新施加的3．5小时后，测量出来的孔隙水压和水平位移仅有微小增加，并且也没有即将发生破坏的征兆。由于不会再施加其他的附加荷载，因为容器已经装不下了，唯一可能导致结构破坏的是进一步加大开挖深度。大概卸载达到最大荷载的70%的时候，开挖深度增加0．5m，达到最终开挖深度即5．0m，这个过程是在t=31：30和t=34：30之间完成的。为了保护仪器设备，在测量仪器0．5m范围内不进行开挖。在t=48：35和t=49：05之间施加最后的荷载（其荷载达到56．2 kPa）进行之前，接下来的时间对附加开挖部分的所有量测仪器进行了为期14小时的监测记录。荷载施加后的10-15分钟，即t=49：15到t=49：20之间，在基坑底部产生了若干破裂，这些破裂由SPW向基坑中心发展。15分钟内裂缝的长度和宽度迅速增加并且长度达到2．5-3m。在这一个阶段，在LDP的位置观察到SPW的倾斜，与此同时，柱轴的底部产生了竖向位移LDP下部的土体产生了沉降。
几乎在最后一级荷载施加的同时，随着在满载的容器的顶部部分钢材滑落，荷载测量计的数值开始下降，这是由于地面沉降以及容器的倾斜造成的，这时候在荷载测量计中的数值从t=49：05时的1627kN降低到了t=49：50时的1420kN。在t=49：50和t=49：52之间，破坏期间仍然保持测量，荷载突然下降到1180Kn而且继续下降到1034Kn，此时时49：55，在这之后荷载维持恒定，一直到基坑回填。实验二的破坏机制与试验一中类似，由SPW扭转稳定性破坏而导致的基坑底部隆起以及LDP下部地表沉降。与试验一相反的是，试验二中的破坏远不及试验一中那么脆性，它的破坏伴随着逐
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[140441]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
