地下空間增層開挖支護樁與基樁工作特性模型試驗研究

孔德森,吳紹娟,馬順順,王 凱

(1.山東科技大學 土木工程與建筑學院,山東 青島 266590;2.山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室,山東 青島 266590)

由于土地資源有限,城市規劃設計缺乏創新性與前瞻性,導致部分建筑不能滿足人們的多方面需求。因此,城市地下空間擴增成為緩解城市用地緊張的必要手段。既有基坑二次開挖會使原有支護樁的嵌固深度變小,進而打破原有的樁-土平衡狀態。隨著開挖深度的增加,既有支護樁難以承受樁后的土壓力而發生傾覆破壞,從而導致基坑倒塌,造成嚴重的工程事故。為避免此類事故的發生,需要在既有基坑二次開挖前,在原有支護樁外側新增一排支護樁,形成既有-新增雙層排樁支護體系[1],不僅能夠提高基坑支護能力,而且可以充分利用既有支護樁的承載能力,保證上部建筑物的穩定。 龔曉南等[2]采用理論分析和數值模擬方法研究了增層開挖后樁基的承載力,分析了增層開挖條件下樁側極限摩阻力損失比隨不同增層開挖寬度和深度的變化規律。伍程杰[3]利用有限元軟件建立地下空間向下增層開挖的三維有限元模型,研究了群樁基礎的樁身軸力、樁側摩阻力、土體回彈等在二次開挖過程中的變化規律。單華峰等[4]采用有限元軟件模擬地下空間二次開挖過程,并對群樁基礎中的樁基沉降特性進行了研究,發現樁頂沉降量與地下空間二次開挖深度呈正比,當開挖深度不變時,不同位置的樁頂沉降量不同。馮若峰[5]對二次開挖過程中役樁的豎向承載特性進行研究,對比分析受荷單樁和群樁的承載特性差異,建立了在役樁的荷載傳遞模型。Lee等[6]利用有限元軟件,對基坑內單樁和群樁的工作機理進行研究,分析了基坑開挖過程中單樁和群樁的受力、變形規律。Wan等[7-9]對基坑開挖過程中樁身拉力的產生和樁身拉力的變化規律進行了研究,認為基坑開挖的卸荷作用是導致樁身拉力產生的主要原因。王相閣等[10]通過室內大比尺模型試驗,研究了h型雙排樁中的既有樁與新增樁樁身受力隨開挖深度的變化規律。唐德琪等[11]通過室內模型試驗方法,研究了被動區土體側移作用下坑內樁基的受力特性,重點分析了基坑開挖深度、支護結構與坑內樁基的距離、樁頂豎向荷載以及承臺約束高度等對樁基彎矩和剪力的影響。

上述研究分析了基坑中樁基礎的承載能力和變形特性以及既有基坑二次開挖時雙層支護排樁與既有受荷樁的承載特性,而對地下空間二次開挖時雙層排樁支護體系與受荷基樁共同工作特性的研究較少。為探究既有-新增雙層支護樁與受荷基樁在不同基坑開挖深度下的受力特性,建立室內試驗模型,以分析基坑內支護樁和基樁的樁頂位移與樁身彎矩的變化規律。

1 工程背景

某建筑平面呈近似正方形,長和寬均為33 m,占地面積為1 089 m2,主體為框架剪力墻結構,每層樓單位荷載為18.96 kPa,各樓層自重一致。該建筑只有一層地下室,原基坑開挖深度為5 m,采用直徑為0.8 m的鉆孔灌注樁支護,樁長為15 m,樁間距為1.5 m。擬向下增層開挖,新建一層地下車庫。由于增建的地下二層車庫的層高較高,新增開挖深度為13 m,需在地下室周邊增設排樁支護結構。新增支護樁為直徑0.8 m的鉆孔灌注樁,樁長25 m,樁間距1.5 m,既有排樁支護結構與新增排樁支護結構的間距為3 m?；觾鹊臉痘A為鉆孔灌注樁,樁徑為0.8 m,樁長為37.5 m,樁間距為6.6 m,呈正方形布置,共16根,樁基礎混凝土的強度等級為C30,與既有支護樁的最小間距為6.6 m。

2 試驗方案

2.1 模型設計

圖1 模型平面示意圖

圖2 過模型中心線剖面圖Fig. 2 Section through the model centerline

圖3 模型樁示意圖Fig. 3 Diagram of model pile

2.2 面積置換

由于基樁的布樁密度較高,引入置換率的概念進行簡化計算,采用大面積規則布樁中的正方形布樁形式進行置換。根據置換率的定義,按照有限范圍內所有樁的面積除以有限范圍的總面積即可得到置換率[12]。

m=n·Ap/A=16π×0.0162/1.322=0.007 4。

(1)

其中:m為面積置換率;n為基樁的數量;Ap為單根樁的截面積,m2;A為有限范圍的總面積,m2。

按正方形布樁劃分單元體,單元體面積內樁的截面積為半個樁面積,此時面積置換率

(2)

其中:d為置換后的基樁直徑,m;s為置換后的基樁樁間距,m。根據置換率相等,有

(3)

d/s=0.096 97。

(4)

據試驗要求,基樁模型樁外徑為0.05 m,厚度為0.002 m,則基樁的樁間距為0.516 m。

2.3 試驗工況

室內模型試驗共分9次開挖,試驗參數設定及開挖深度如表1所示。

表1 實驗開挖各樁及深度信息

2.4 試驗步驟

1) 模擬既有工程階段。經過測量放線,確定基樁位置,將基樁垂直放置于基坑內并進行填土,當坑內土體距離基坑頂部65 cm時,埋入既有支護樁,繼續填土至距樁頂5 cm位置處,靜置24 h。

2) 新增支護樁階段。將基坑向下開挖20 cm,即原有一層地下室的幾何相似高度,靜置24 h,打入新增支護樁。

3) 監測儀器放置階段。采用百分表測試新增支護樁的樁頂水平位移時,將測量桿與新增支護樁抵觸,使測量桿有一定的壓縮量,記錄初始數值。百分表安裝完成后接入高速靜態應變儀,應變片采用半橋連接,實時記錄樁身應變數據。

4) 開挖階段。采用分層開挖,開挖深度為10～20 cm時,每10 cm開挖一步;開挖深度為20～30 cm時,每5 cm開挖一步;開挖至30 cm后再開挖2 cm,然后繼續向下開挖3 cm,此時開挖深度達到35 cm。在開挖深度為35～50 cm時,每5 cm開挖一步,即總開挖深度為50 cm。每一步開挖完成,待土體穩定后檢測樁身應變值、樁頂水平位移。

3 樁身位移及彎矩分析

由于樁呈正方形布置,四邊受力及變形相同,故取基坑一邊中點位置的支護樁(既有支護樁Y1、新增支護樁Y7)和基樁YT2為研究對象,如圖4所示,研究支護樁及受荷基樁的相互作用。

圖4 測試樁編號平面圖Fig. 4 Test pile number plan

3.1 樁頂位移分析

增層開挖時既有支護樁Y1與新增支護樁Y7以及基樁YT2的樁頂水平位移如圖5所示。從圖5可以看出,支護樁的樁頂水平位移與二次開挖深度呈正比,隨著開挖深度的增加,樁頂水平位移的增長幅度越大;基樁的樁頂水平位移變化幅度很小。另外,既有支護樁和新增支護樁的樁頂水平位移都隨二次開挖深度的增加而增大,但新增支護樁的樁頂水平位移增長趨勢沒有既有支護樁明顯;在同一開挖深度時,既有支護樁的樁頂水平位移要大于新增支護樁,說明在二次開挖時,水平位移主要發生在既有支護樁上。因此,當開挖到一定深度時,既有支護樁可能會先產生傾覆破壞。隨著增層開挖深度的增大,基樁的樁頂水平位移增長幅度不大,其主要原因是基樁的嵌固深度較深,說明基樁在開挖過程中一般不會發生傾覆破壞。

圖5 樁頂位移圖

3.2 樁身彎矩分析

Y1、Y7及YT2的樁身彎矩分布曲線分別如圖6和圖7所示。由圖6(a)可知,埋深5～15 cm時既有支護樁的樁身彎矩基本不變,最大彎矩位于埋深25 cm處,最大彎矩值為168.43 N·cm。隨著開挖深度的增大,彎矩逐漸減小,說明在既有支護樁外圍補入新增支護樁能夠分擔一大部分由于開挖產生的側向土壓力,減少既有支護樁的受力。因此,從樁身彎矩方面分析,新增支護樁能夠有效承擔土壓力,具有一定的支護能力。由圖6(b)可知,新增支護樁的樁身彎矩在開挖深度H=25 cm和H=40 cm時突增;另外,新增支護樁的最大彎矩值均在埋深60 cm處,即既有支護樁失效處,說明既有支護樁傾覆后,樁間土對新增支護樁的彈性支撐作用減弱。

圖6 支護樁彎矩圖

圖7 基樁彎矩圖

如圖6所示,開挖深度H為10 cm時,既有支護樁的最大彎矩值為96.60 N·cm,H分別為20、25、30、32、35、40 cm時,既有支護樁的最大彎矩值分別為168.43、160.45、134.87、120.27、120.27、107.39 N·cm;H為10、20 cm時,新增支護樁的最大彎矩值分別為12.85、39.86 N·cm;H分別為25、30、32、35、40 cm時,新增支護樁的最大彎矩值分別為131.45、175.74、182.63、175.74、198.43 N·cm?？梢?在開挖10 cm之后,既有支護樁的彎矩開始急劇增長,而在開挖20 cm后,新增支護樁的彎矩才開始急劇增長,并且隨著開挖深度的增加,新增支護樁的樁身彎矩要大于既有支護樁。說明既有基坑二次開挖時,中心位置處的新增支護樁能夠有效承擔側向土壓力和樁間土的剪應力,分擔土壓力的作用較強。從圖7可以看出,基樁的樁身彎矩變化大致呈“S”形,彎矩最小值位于埋深65 cm處,即既有支護樁失效處,說明在既有支護樁失效前,基樁幾乎不承擔側向土壓力。隨著開挖深度的增大,基樁的樁身彎矩呈負增長趨勢,此時新增支護樁承擔大部分土壓力,因此新增支護樁起到至關重要的作用。既有支護樁傾覆破壞后,基樁和新增支護樁共同作用,此時基樁的彎矩開始增長?；鶚稄澗氐淖畲笾滴挥诼裆?05 cm處,即新增支護樁失效處,此時既有-新增支護體系失去作用。

4 空間效應分析

二次開挖時,由于空間效應的影響,試驗中同一開挖深度下,沿基坑一邊分布的支護樁的工作特性會有明顯差別。沿基坑的寬度方向上,樁體的最大水平變形、彎矩峰值的大小隨距坑角的距離增大而增大[13]。取中心樁(Y1、Y7)、邊樁(Y3、Y9)、角樁(Y5、Y11)為研究對象,分析在空間效應作用下不同位置的支護樁承載特性的變化規律。在室內模型試驗中,基坑平面為邊長132 cm的正方形,中心樁位于基坑邊中點,邊樁距中心樁24 cm,角樁距中心樁48 cm。

不同位置支護樁的樁頂水平位移變化規律如圖8所示。由圖8(a)可知,既有支護樁的樁頂水平位移增速隨二次開挖深度的增加而逐漸增大,且中心樁的樁頂水平位移增長速度最快,角樁的增長速度最慢,邊樁位于中心樁和角樁之間。由圖8(b)可知,同一開挖深度下,新增支護樁的樁頂水平位移變化規律與既有支護樁相同。與既有支護樁不同的是,隨著二次開挖深度的增加,新增支護樁的樁頂水平位移增長速率沒有明顯提升。從中心樁到邊角樁,既有支護樁和新增支護樁的樁頂水平位移都呈減少的趨勢,說明基坑兩側壁土體具有一定的限制作用,使支護樁在二次開挖作用下產生的樁頂水平位移呈現中間大、兩邊小的趨勢,且空間效應對既有支護樁的影響較大,對新增支護樁的影響較小。

圖8 不同位置處支護樁樁頂水平位移

模型試驗得到不同位置既有支護樁和新增支護樁的樁身彎矩分布規律,如圖9和圖10所示。由圖9可知,在同一開挖深度,不同位置既有支護樁的樁身彎矩大小不同,表現為中心樁的樁身彎矩最大,邊樁其次,角樁的樁身彎矩最小,雖然不同位置既有支護樁的樁身彎矩相差不大,但其樁身彎矩的分布規律較為相似,都呈中間大、兩邊小的趨勢[14]。由圖10可以看出,不同位置新增支護樁的樁身彎矩分布類似于既有支護樁,但中心樁與角樁的最大樁身彎矩相差較大。不同位置支護樁的樁身彎矩不同主要是受到空間效應的影響,支護樁在同一基坑邊受到的側向土壓力不同,土壓力沿基坑邊方向呈拋物線分布,因此中心樁受力最大,角樁受力最小,邊樁介于兩者之間。從支護樁受力角度分析,中間區域為支護樁受力的薄弱區域[15],可推斷出開挖到一定深度時中心樁可能最先倒塌破壞,而邊角樁的支護效果較好?？傮w上,在中心位置處新增支護樁的樁身彎矩大于既有支護樁,而在邊角位置處彎矩值比既有支護樁小,說明新增支護樁為主要的受力支護體系,在中心位置處分擔土壓力的作用更強,在邊角位置處分擔土壓力的能力較弱。

圖9 不同位置處既有支護樁樁身彎矩

圖10 不同位置處新增支護樁樁身彎矩

5 結論

1) 在中心位置,隨著開挖深度的增加,既有、新增支護樁的樁頂水平位移不斷增大。開挖深度40 cm以內,樁頂水平位移增長緩慢,開挖深度超過40 cm,支護樁樁頂位移急劇增長,但新增支護樁的樁頂水平位移增長速度比既有支護樁緩慢,基樁的樁頂水平位移隨開挖深度增加變化不大。

2) 在中心位置,開挖深度較小時,既有支護樁和新增支護樁樁身彎矩相差不大,但隨著開挖深度的增加,新增支護樁的樁身彎矩要遠大于既有支護樁,且在開挖10 cm后,既有支護樁樁身彎矩急劇增長,而新增支護樁在開挖20 cm后,樁身彎矩隨開挖深度急劇增長?；鶚稑渡韽澗爻省癝”型分布,在既有支護樁退出工作前,樁身彎矩呈負向緩慢增長,而在既有支護樁失效后,樁身彎矩呈正向且迅速增長,樁身最大彎矩出現在新增支護樁失效時。

3) 受空間效應的影響,從中心樁到邊角樁位置,支護體系的樁頂水平位移逐漸減小,但既有支護樁的減小趨勢要遠大于新增支護樁。隨著二次開挖深度的增大,中心樁的樁頂位移增長速度最快,角樁的增長速度最慢,邊樁位于中心樁和角樁之間。

4) 既有基坑二次開挖條件下,支護樁的樁身彎矩呈中間大、兩邊小的趨勢。既有支護樁和新增支護樁的樁身最大彎矩值都呈線性增長;受到空間效應的影響,中心樁的樁身彎矩最大,其次是邊樁,角樁最小,在中心位置處新增支護樁的樁身彎矩大于既有支護樁,而在邊角位置處小于既有支護樁。