砂土地層懸臂傾斜長短樁支護性能模型試驗研究

袁聰聰， 袁宗義， 詹剛毅， 徐長節， 石鈺鋒， 龔宏華

(1. 華東交通大學 江西省巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室， 江西 南昌 330013；2. 華東交通大學 江西省地下空間技術開發工程研究中心， 江西 南昌 330013；3. 中交第四航務工程勘察設計院有限公司， 廣東 廣州 510230； 4. 中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070； 5. 江西地方鐵路開發有限公司， 江西 南昌 330001)

0 引言

排樁經常作為基坑工程的圍護結構出現，傳統排樁為直型等長樁，依靠錨撐結構提供水平向承載力。將排樁傾斜一定角度變為傾斜樁，可以通過排樁本身提供水平承載力，以避免內支撐的使用，降低工程造價，同時提供足夠的施工作業面。根據對排樁受力特性研究發現，排樁上部所受荷載要遠大于排樁下部所受荷載，因此可以通過設置長短樁，減少一部分排樁下端樁長，來減少工程造價。

對于傾斜樁，孔德森等[1]、劉濤[2]通過模型試驗、現場足尺試驗和數值模擬等方法研究了不同傾斜角度下單排樁的受力特性；鄭剛等[3]依托天津某基坑工程，利用數值模擬結合模型試驗的方法，發現傾斜樁的支護效果與斜樁樁側摩阻力和傾斜角度成正比關系，并且從支護效果而言，認為傾斜樁是強于直樁的，而傾斜樁中，斜直交替的樁型強于全斜樁樁型；Wang等[4]建立了T-P模型，估算水平荷載作用下傾斜樁的水平動力阻抗和相互作用系數； Zhou等[5]借助數值模擬方法，研究了斜交PCP樁基礎的變形特性，提出了斜向樁的加固方案，并與豎向基樁加固方案進行了比較；王建[6]對前排樁傾斜的雙排樁研究指出，隨著傾斜角度增大，樁身正負彎矩的最大值之間的差值增大，其中，開挖面以上的最大彎矩增大，開挖面以下的最大彎矩減小。

長短樁在工程中已有較多使用[7-9]，鄭剛等[10]通過模型試驗研究了基坑開挖過程中不同排樁間距對懸臂長短樁的變形和力學特性影響，并對比了等長樁與長短樁的支護效果；徐力[11]通過數值模擬與模型試驗對不同形式的長短樁組合圍護結構的受力特性進行了深入探討；成守澤[12]通過數值模擬方法研究了不同嵌固深度和樁間距組合情況下，短樁樁長變化對圍護樁受力及變形、坑底隆起和地表沉降的影響；王恒力等[13]依托珠海某長短樁圍護結構的深基坑工程，通過數值模擬方法對長短樁進行了研究，指出應注意長短樁之間變形協調，不可使短樁出現“踢腳”等現象；Xu等[14]結合實際工程，利用數值模擬方法探討了短樁長度和不同長短樁組合形式對樁身受力變形的影響。

由上述分析可知，目前對長短樁及傾斜樁研究較多，但是傾斜長短組合樁屬于新型支護結構，尚未見對其支護效果的研究。本文通過重力式室內常規物理模型試驗模擬傾斜長短樁圍護結構在基坑開挖過程中的受力變形特性，研究不同傾斜角度、長短樁配比對傾斜長短樁的工作性狀影響，以期為類似基坑工程設計、施工提供參考。

1 室內模型試驗方案

通過重力式室內常規物理模型試驗，觀察不同傾斜角度、長短樁配比下基坑開挖對圍護結構及周邊土體的影響，研究不同傾斜長短樁的支護效果。

1.1 試驗方案

試驗模型由模型箱、試驗土、支護樁和測量傳感系統組成。根據對稱原則，模型箱取基坑一半進行模擬，設計不同的傾斜角度與長短樁配比進行基坑開挖，試驗方案見表1。測量開挖過程中的樁頂水平位移、地表沉降、樁身彎矩，以此分析傾斜角度與長短樁配比對傾斜長短樁支護效果的影響。排樁如圖1所示。

表1 試驗方案

圖1 排樁示意圖

1.2 模型箱及支護樁制備

1.2.1 模型箱

對于模型試驗來說，其尺寸規格影響著試驗效果[15]。為減小邊界效應等因素對試驗結果的影響，本文模型箱內部空間尺寸設計為1.74 m×1.74 m×1.2 m(長×寬×高)。模型箱主體框架為防銹鋼材，在四周布置10 mm厚的透明鋼化玻璃以便于觀察試驗現象。模型箱見圖2。

(a) 模型箱實物

1.2.2 冠梁

本試驗主要為研究長短傾斜樁的受力特性，對于冠梁并未嚴格按照相似關系進行模擬，冠梁模型只需將離散的圍護樁連接為一個整體，不作強度、剛度要求，在此基礎上應當便于試驗排樁傾斜角度施工、試驗進行，因此，冠梁選用重量較輕、便于加工的木梁模擬。冠梁模型由底板與頂板組成，如圖3所示。底板預留樁孔，直徑為32 mm、孔位中心間距54 mm，并按各工況所需的傾斜角度挖孔； 頂板預留直徑為15 mm的小孔，便于電阻應變片導線穿過。

圖3 冠梁

1.2.3 支護樁

原型的基坑支護樁為鉆孔灌注樁，采用C30混凝土，密度為2.4 g/cm3，樁徑及樁中心距分別為0.8 m和1.3 m?？紤]試驗選材及模型相似合理性，模型幾何相似比定為24。通過相似比理論對支護樁等比例縮小，最終選定外徑32 mm、壁厚2 mm的PVC管(彈性模量E=2.993 GPa)模擬支護樁。其中，模型幾何相似比CL=24,支護樁彈性模量、樁身應力相似比為CE=Cσ=30/2.993=10.02，樁身彎矩相似比為CM=CσCL3=10.02×243=138 516.48。

在試驗前對模型樁進行標定，在圖4所示刻度線位置布設應變片，在中心位置施加集中力，通過反算獲取樁身應變與樁身所受彎矩之間的關系。

圖4 模型樁標定試驗(單位： cm)

依據材料力學，簡支梁受跨中集中力荷載時有：

(1)

式中：σ為應力；E為彈性模量；ε為應變；M為彎矩；W為截面慣性矩。

對于PVC管型簡支梁，由于其截面為圓環，故有：

(2)

式中：D為PVC管外徑；d為PVC管內徑。

則

(3)

1.2.4 試驗用砂

試驗用砂選用南昌地區河砂，為去除大顆粒雜物，保證土體均勻性，采用5 mm篩對河砂進行篩分，隨后對其進行顆粒級配試驗、直剪試驗等基礎土工試驗，得到土體參數(見表2)和砂土顆粒級配曲線(見圖5)。

表2 試驗用砂土體參數

圖5 試驗用砂土顆粒級配曲線

1.3 測量系統

1.3.1 樁身彎矩測量

通過在支護樁內粘貼電阻應變片來測量樁身應變，然后通過式(3)計算樁身彎矩。

本試驗電阻應變儀選用江蘇東華測試有限公司生產的DH3816N靜態應變儀，應變片選用BFH120-3AA-D150高精度電阻應變片，靈敏系數為2.0±1%，按每10 cm一組應變片對稱布設。因試驗選用1/4橋接線法，故另需準備溫度補償片1個。布設應變片步驟如圖6所示。

(a) 整理所需PVC管

1.3.2 樁頂水平位移測量

在冠梁中部布設電子百分表以測量不同開挖深度時的樁頂水平位移。

1.3.3 地表沉降測量

在冠梁外側地表處，按距冠梁0、10、20、30、40、50、60 cm布置電子百分表，共布置7個。由于電子百分表測頭較為尖銳，容易陷入砂層中，在砂層發生變形時不能準確反映其變形大小，故在百分表測頭下墊1個輕質硬塊。

1.4 試驗實施過程

在進行試驗前，用馬克筆在模型箱上標記樁位置、冠梁位置、樁底高度、電子百分表位置、每層開挖位置等，以盡可能減少誤差，并在模型箱內壁涂抹凡士林以減小砂土與箱壁的摩擦，減小邊界效應。

向模型箱中填入砂土至預定樁底位置，放入預制好的冠梁與支護樁，隨后保證支護樁短樁豎直狀態下，使用落雨法填入砂土，砂土總厚度為1.2 m。填土完成后，將表面輕輕刮平并靜止至少24 h，以保證土體變形穩定。為方便試驗進行，在本試驗中未考慮地下水的影響。

土體穩定后，在預定位置架設電子百分表，并連接電阻應變儀，調試好儀器。如圖2(c)所示逐層開挖，每層10 cm； 每次開挖完一層后，等待一段時間(不少于20 min)至儀器讀數穩定，再進行下一層基坑開挖；共開挖4層，總開挖深度為40 cm，樁身插入深度為20～30 cm(短樁/傾斜長樁)。

在試驗完成后，以聚乙烯薄膜覆于模型箱，避免試驗用砂由于外界環境變化導致砂樣性質及其力學參數浮動過大。

2 試驗結果分析

2.1 不同傾斜角度

本節選取傾斜長短樁中一長兩短與等長長樁試驗結果作為對比，分析不同傾斜角度下(長樁傾斜角度分別為0°、10°、20°)傾斜長短樁的支護性能優劣。

2.1.1 樁頂水平位移與地表沉降

圖7和圖8分別示出0°、10°、20°傾斜角度下一長兩短組合與等長長樁的樁頂水平位移、地表沉降。由圖可知，在進行對比的4種工況中，0°、10°、20°傾斜角度下的一長兩短組合與等長長樁的樁頂水平位移最大值分別為-4.98、-2.96、-1.28、-3.17 mm，地表沉降最大值分別為-10.73、-7.15、-3.13、-8.21 mm。

圖7 不同傾斜角度時樁頂水平位移

圖8 不同傾斜角度時地表沉降

傾斜角度為0°的長短樁變形最大，這是因為相比等長長樁，其減少了部分支護樁的樁長，造成了支護能力減弱。

通過將長短樁中的長樁傾斜一定角度，能夠有效減少樁頂水平位移與地表沉降，在傾斜10°、20°的時候樁頂水平位移最大值減少了40.72%、74.23%，地表沉降最大值減小了11.0%、61.8%。樁頂水平位移與地表沉降隨著傾斜角度增加而減小，說明支護樁的水平承載力隨著傾斜角度增加而增大。這是因為傾斜長短樁中傾斜長樁的軸力具有水平分量，可以增強排樁的水平承載能力，抵抗土壓力，減小支護樁水平位移。因此，在一定范圍內，隨著傾斜樁傾斜角度增加，其支護效果會提高。

隨著基坑開挖深度的增加，所有工況的樁頂水平位移均增大，且等長長樁與長樁傾斜角度為0°、10°的長短傾斜樁在開挖超過30 cm后，樁頂水平位移的增長速率明顯加快，原因是當開挖深度較大、土壓力較大時，樁身插入比減小，導致被動區土體變形過大，產生了塑性變形，導致位移變化加快。

2.1.2 樁身彎矩

不同傾斜角度時樁身彎矩最大值見表3。圖9示出開挖至坑底時0°、10°、20°傾斜角度下的一長兩短與等長長樁的樁身彎矩結果。

表3 不同傾斜角度時樁身彎矩最大值

(a) 長樁彎矩

傾斜角度為0°的長短樁與等長長樁相比，基坑開挖面以上，長樁、短樁的最大彎矩值增長率分別為37.7%、34.2%；基坑開挖面以下，長樁、短樁的最大彎矩值增長率分別為23.8%、-7.9%。當等長長樁中部分樁的樁長減小時，一長兩短樁型中的長樁在基坑開挖面上、下彎矩均呈增長趨勢；而短樁在基坑開挖面以上彎矩略微增加，在開挖面以下彎矩減小。

當傾斜角度為10°、20°時，與傾斜角度為0°時相比，在開挖面以上長樁的樁身最大彎矩分別減小9.6%、14.6%，在開挖面以下長樁的樁身最大彎矩分別減小15.4%、34.0%。由此可知，當傾斜角度增大時，一長兩短樁型中的長樁在基坑開挖面以上樁身彎矩會略微減小，而開挖面以下彎矩減幅更大。

當傾斜角度為10°、20°時，在基坑開挖面以上，長樁的最大彎矩略小于短樁，而在基坑開挖面以下，長樁彎矩明顯大于短樁彎矩。

2.2 不同長短樁配比

本節選取傾斜長短樁中一長一短(長樁傾斜角度為10°、20°)、一長兩短(長樁傾斜角度為10°、20°)與等長長樁相互對比，分析不同長短樁配比時傾斜長短樁的支護特點及規律。

2.2.1 樁頂水平位移與地表沉降

圖10和圖11分別示出一長一短(10°、20°)與一長兩短(10°、20°)與等長長樁的樁頂水平位移與地表沉降。不同長短樁配比時樁頂水平位移與地表沉降值見表4。

圖10 不同長短樁配比時樁頂水平位移

圖11 不同長短樁配比時地表沉降

表4 不同長短樁配比時樁頂水平位移與地表沉降值

在相同傾斜角度時，一長兩短樁型對支護結構變形控制能力要弱于一長一短樁型，而隨著傾斜角度增加，兩者之間差距會逐漸縮小。在開挖深度較小時，不同樁型之間差距不大，隨著不斷開挖，樁頂水平位移差距越來越大，傾斜角度為20°的傾斜長短樁在開挖深度較大時，其支護效果明顯優于其他樁型。

2.2.2 樁身彎矩

圖12示出開挖至坑底時10°、20°傾斜角度下2種樁型的樁身彎矩結果。由圖可知： 傾斜角度為10°、20°時，一長兩短樁型相比于一長一短樁型，在開挖面以上樁身最大彎矩增長率分別為10.1%、9.8%，而開挖面以下分別為10%、9.6%。說明在傾斜角度相同時，增加短樁的占比，長樁、短樁的樁身彎矩小幅度增加。

(a) 長樁彎矩

3 結論與討論

本文利用室內縮尺模型試驗研究了基坑開挖下傾斜長短樁的支護效果，對比了不同傾斜角度和長短樁配比對傾斜長短樁支護效果的影響，得出如下結論：

1)對于傾斜長短樁而言，在傾斜樁傾斜角度范圍為0°～20°時，其支護效果隨著傾斜角度增大而提高。

2)隨著傾斜樁傾斜角度增大，長樁與短樁彎矩都逐漸減小，且開挖面以下的樁身彎矩較開挖面以上的樁身彎矩減小幅度更大。

3)對于傾斜長短樁，長樁與短樁彎矩最大值在開挖面以上相近；而開挖面以下，長樁彎矩顯著大于短樁彎矩。

4)傾斜長短樁中，短樁占比越大，其支護效果越弱，長短樁所受彎矩越大。

5)通過模型試驗研究發現，傾斜長短樁能夠在不增加支護樁的前提下，提高支護樁的支護效果。在實際工程中，可考慮作為不設置內支撐的圍護結構方案。

在工程中一般采用長短樁穿越深厚軟土地層，后續可考慮以長樁穿越深厚軟土來研究傾斜長短樁的受力特性。