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摘要：为研究桩间土挤出发生的机理，自主设计了桩间土挤出试验箱并进行了模拟试验，直观观测桩间土底部挡板慢慢移除过程中，桩间土在自重作用下沿中间挤出变形过程，揭示了桩间土体在不平衡压力差条件下的受力变形过程，并进行两种含水量条件下变形差异性，可为基坑工程中采用钻孔灌注桩+三轴水泥搅拌桩竖向围护结构设计中，三轴水泥搅拌桩从基坑底向下插入深度的选取提供一定的参考。
关键词：桩间土挤出；土拱效应；含水率；模拟试验
1 引言
城市建设发展过程中，邻近盾构隧道的基坑开挖等工程越来越多，从而会不可避免地对既有隧道的功能性和结构性造成一定的影响[1]。实际工程大量应用地下连续墙和钻孔灌注桩等加固措施，在外界荷载等因素影响下会产生土拱效应[2-3]，引起塑形应力重分布。目前对于土拱效应的研究主要集中在数值模拟和理论解析层次[4-5]，本文从室内试验对其作用机理和规律进行探究。
2 试验概况
由于土拱一般具有对称性，因此取其中一半作为研究并设计了桩间土挤出试验。为了更加直观准确的模拟基坑开挖过程中的变形等情况，自主设计了桩间土挤出试验箱。本次桩间土挤出试验的主要步骤包括：
（1）制作试验模型箱体
该箱体主要包括土体箱和土拱板。其中土体箱尺寸为270 mm×300mm×700 mm。该箱体为上端开口的半封闭箱体并由钢板焊接而成，其中正面由透明的有机玻璃组成。有机玻玻璃能够满足强度要求，并且方便试验现象的观察。土拱板由钢材焊接制成，在其中部设置一个半圆形拱圈来模拟实际工程中的桩或挡土墙对土体塑性内力重分布。通过其左侧配套的螺栓调节拱跨的长度来模拟不同桩距。
（2）试验前的准备工作
1）将试验土体箱安放稳定后，调节土拱板的位置，其初始位置及各部分尺寸如图1所示。将土拱板缓缓放置在箱体内，并且通过螺栓将土拱板固定在箱体左侧钢板上。
2）根据施工现场土体的含水率制作试验用土，然后将其填入模型箱内，达到设计标高以后，进行适当振捣、整平，在保证密实的情况下为下一步加载提供良好的工作面。
3 试验过程
本次试验主要是观察桩间土的挤出过程，从受力本质上讲桩间土的挤出是由于桩前和桩后的不平衡力造成。因此本次试验采用底部设置可移动板，见图2所示。
待准备就绪后，将该试验箱置于水平试验平台上，使有机玻璃面正对试验人员。此外，为了让土体受力均匀特根据土体横截面积制作相应的矩形压头板，而且保证土体几何中心与压力机压头对中。在正式试验前，先进行预压并保持30s，随后地洞底板并观察土体变形情况。
图1 土拱板初始位置及各部分尺寸参数图2 底部移动板土拱试验
4 计算结果及分析
本次试验主要是观察桩间土的挤出过程，从受力本质上讲桩间土的挤出是由于桩前和桩后的不平衡力造成。因此本次试验采用底部设置可移动板。
试验的土体采用淤泥质粘土和细砂按1:1拌和而成砂质粘土，主要是减小土的粘聚力，从而有利于试验的顺利进行。进行两种含水量条件下试验，试验过程中进行录像，截取不同时间的图像可得到图3和图4所示的试验结果。由图3可见，在模型底部板移除以后，土体在自重作用下，下部土体逐步发生向下位移，直至完全与上部土体脱开，从中可以看出支撑板移除卸载后，桩间土土体的变形过程。对于含水量相对较低的土体，裂缝集中为单条裂缝，由桩下部位移开始演化，且具有水平方向发展演化的特点。
图3 含水量为40%时桩间土体卸载变形 图4 含水量为50%时桩间土体卸载变形
而对于土体含水量较高时，土体具有明显的软土特征即变形较高，且土体中产生了多条裂缝，具有弥散裂缝分布特点，如图4所示。
由此可知，对于含水率较低的土体进行加固时，需要着重确定破裂面的位置，而对于含水率较高的土体加固则需要确定整体的加固措施。
5 结论
（1）本试验开创性的采用竖向试验装置，模拟了桩两侧土体受力的不均匀性，从而可以直观观测不平衡力作用下桩间土的卸载变形及破坏形式。
（2）土体变形随着土体含水量提高而提高，含水量较高时土体中产生弥散分布的多条裂缝，而土体含水量相对较低时集中为单条裂缝，由桩下部位移开始演化，且具有水平方向发展演化的特点。
（3）对于含水率较低的土体进行加固时，需要着重确定破裂面的位置，而对于含水率较高的土体加固则需要确定整体的加固措施。
（4）本试验很大程度上真实的反映了桩间土在不平衡力作用下变形及破坏规律，可为外界荷载等因素影响下土拱效应研究提供依据。
参考文献
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论文作者:周奇辉,曲勰,刘尊景
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第9期
论文发表时间:2017/8/21
标签：含水量论文; 箱体论文; 基坑论文; 裂缝论文; 较高论文; 效应论文; 岩土论文; 《建筑学研究前沿》2017年第9期论文;