鎖扣鋼管樁在基坑圍護結構中的變形特性

韓士釗，陳義乾

(1.中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 101300；2.西安交通大學 人居環境與建筑工程學院，陜西 西安 710049)

0 引言

隨著經濟社會的快速發展以及城市化進程的大力推進，目前各種用途的地下空間已在世界各大中城市陸續得到開發利用，地下工程建設項目的數量和規模也迅速增大，如超高層建筑物的基坑、大型地下綜合管廊、地鐵工程的車站深基坑等。目前，我國基坑的支護樁支護體系主要以鉆孔灌注樁為主，作為臨時性支護工程，在基坑開挖以及上部建筑物建設完成后，這些支護結構將會被回填永埋地下，造成極大的資源浪費。

目前，一種新型的支護結構形式鎖扣鋼管樁可以有效避免鉆孔灌注樁施工效率較低、不可回收利用等缺點，鎖扣鋼管樁樁身之間通過鎖扣相互連接，可以有效地形成擋土和防滲結構，近年來在一些擋土圍堰工程中被廣泛利用。目前，一些學者對鎖扣鋼管樁的受力與變形特性開展了相關研究。陳艷平[1]和INAZUMI S等[2]對鎖扣鋼管樁的力學特性以及防滲性能進行了研究，結果表明，鎖扣鋼管樁具有良好的抗彎性能和防滲性能。EMI S等[3]對鎖扣鋼管樁和混凝土界面間剪切力進行了研究，并提出了一種新型鉸鏈，可以很好的傳遞兩者界面上的剪切力。邵志豪等[4]和楊森焱[5]對鎖扣鋼管樁在具體工程中的應用情況進行了研究。嚴佳梁[6]對鋼管樁在軟土地區中作為支護樁的適用性進行了探討。此外，張世明等[7-10]對不同鎖扣鋼管樁的鏈接形式和施工工法進行了研究。高森亞[11]在總結前人研究的基礎上，歸納出了鋼管樁的受力以及變形機理，針對研究的不足，在試驗的基礎上提出了改進的方法。周小龍[12]針對青島地鐵某基坑鋼管樁超前支護進行了重點研究，通過現場監測，表明鋼管樁在基坑支護中對土體的側向位移有著明顯的約束作用。李富榮等[13]以鹽城地區大型軟土基坑為工程背景，通過室內大模型試驗，研究了靜壓樁在沉入過程中的擠土效應，并對比了單樁和排樁樁周土的孔隙水壓力，定量研究了擠土效應與孔隙水壓力的影響。李智[14]通過室內模型試驗，研究了鋼管樁排樁支護力學和變形特性，以及開挖過程中對基坑穩定性的影響，并探討了鋼管樁代替鉆孔灌注樁的可行性。劉思楠等[15]利用Midas GTS NX有限元軟件對昆明某基坑工程鋼管樁沉樁過程進行了模擬，研究發現鋼管樁在沉樁的過程中，樁周土體的水平位移向外擴張以及變化速率逐漸增大。楊代喜[16]利用ANSYS模擬軟件對鎖扣型鋼管樁在圍堰中的應用性進行了研究，結果表明鎖扣鋼管樁的受力特性是滿足要求的。梁榮柱等[17]對鎖扣鋼管樁在基坑圍護過程中的土體變形、樁體力學和變形特性進行了協調性分析。張楷等[18]對鋼管樁的抗承載性能進行了研究。

綜上所述，目前的研究成果大多是針對傳統的鋼管樁排樁的支護性能進行研究，少部分涉及了鎖扣鋼管結構力學特性及施工工法。然而，針對鎖扣鋼管樁圍護結構在基坑開挖卸載后應力與變形特性卻鮮有報道。在不同類型的鎖扣樁中，C-O型鎖扣具有獨特的優勢，其鎖扣連接處的O型圓孔可以作為注漿管，達到止水的效果，從而在基坑支護中實現支擋與止水的結合。因此，將選擇C-O型鎖扣鋼管樁作為研究對象，以相似理論為基礎，通過室內模型試驗與數值模擬相結合的方法，以探明基坑開挖下鎖扣鋼管樁圍護結構的力學及變形特性，為今后鎖扣鋼管樁基坑圍護結構的應用和優化提供理論依據。

1 模型試驗

1.1 模型相似比

根據相似理論以及相似準則，目前相似理論通常有3條定理[19]，即相似第1定理、第2定理(π定理)、第3定理。對于長度遠大于厚度的桿件，變形主要以彎曲變形為主，因此在進行模型試驗相似材料的制作，主要考慮材料的抗彎剛度，對于材料的軸向變形與剪切變形應盡量滿足相似關系即可[20]，本次試驗的相似參數為:Cl=30,Cγ=1,CE=Cσ=30。

1.2 模型箱

模型試驗采用可拼接式模型箱，尺寸為2.0 m×1.0 m×1.7 m(長×寬×高)，模型箱四周用厚2 cm的透明有機玻璃圍護，玻璃外部用角鋼焊接，角鋼厚10 cm，其中模型箱正面用可拆卸的有機玻璃用螺絲連接，可根據試驗需要進行拆解，方便填土以及試驗中基坑開挖。

1.3 模型土體的制作

目前對模型試驗中相似土體的選取，不同學者有不同的思路，在進行模型試驗過程中，大多研究者對支護結構以及監測裝置進行了重點研究，而對于相似土體的選取大致有3種類型：純砂土，現場原型土過篩重塑，以及加入不同物質調節土體物理參數法。本次試驗為了與現場實際工程土體物理性質盡可能相似，現采用第3種方法，不同配合比環刀試樣如圖1所示。

圖1 不同配合比土樣

1.4 模型樁以及支撐的選擇

在基坑支護中，支護樁的作用主要是抵抗樁側土體，影響支護樁整體穩定性的主要因素是樁體的抗彎剛度，為了盡可能使模型材料的屬性與鋼管樁屬性相似，本次試驗主要考慮抗彎剛度的相似。

根據強度相似準則

(1)

式中:EI為材料抗彎截面模量，根據材料力學中有關計算公式，材料抗彎截面模量與樁體直徑D4成正比，則原型管樁的彈性模量約為模型樁的20倍，綜合考慮對比后本次模型管樁外徑為50 mm，壁厚2 mm，長1 000 mm。

C-O型鎖扣樁模型樁截面示意圖如圖2所示，實物圖如圖3所示。

圖2 C-O型鎖扣樁模型樁截面示意(mm)

圖3 C-O型鎖扣樁實物圖

冠梁和圍檁采用硬質PVC板模擬1 000 mm×400 mm×8mm(長×寬×厚)，在固定位置用環氧樹脂膠將其與排樁連接。在實際基坑中，支撐主要起抗壓的作用，因此本次支撐的選取主要考慮EA相似，綜合分析后選取PVC空心管作為基坑支撐材料，直徑33 mm，壁厚2.4 mm。由于購買的PVC管材為標準管，長度1 000 mm。因此需要根據實際寬度進行截取，此外還購買有PVC管帽可調節支撐長度。

1.5 裝填土樣

根據配比試驗，每次在模型箱中裝填15 cm隨即壓實一次，壓實完成后對土樣表面進行刮毛處理，以便進行下一層土樣的裝填，土樣裝填完成如圖4所示。在填筑模型土體的過程中進行監測儀器的埋設，監測儀器如圖5所示。

圖4 土樣裝填完成

圖5 監測儀器

2 數值模擬

2.1 基坑模型的建立

采用Midas GTS數值模擬軟件，結合室內試驗得到的土體參數及圍護結構參數，進行基坑開挖全過程數值模擬。通過土體變形和圍護結構變形等與模型試驗進行對比，研究C×O型鎖扣鋼管樁基坑開挖對周邊環境及支護結構變形的影響規律。

建立基坑實際尺寸為22.77 m×15.20 m(長×寬)，開挖深度25.34 m。為了降低和消除邊界對模擬結果的影響，在有限差分軟件中，根據圣維南原理及大量實踐經驗，本次選取的模型的尺寸為174.81 m×110 m×101.36 m，計算模型三維軸側圖如圖6所示，圍護結構網格劃分如圖7所示。

圖6 有限元計算模型三維軸側圖

圖7 圍護結構網格劃分

2.2 計算工況

工況1：自應力平衡。

工況2：施加圍護樁，保存計算結果。

工況3：開挖2.3 m，并在距離基坑地表1.9 m架設第1道支撐。

工況4：開挖10.2 m，在第1道支撐架設完成后，向下開挖7.9 m，并在坑底以上2 m處架設第2道鋼支撐，保存工況4計算結果。

工況5：開挖15.5 m，在第2道支撐架設完成后，向下開挖5.3 m，并在坑底以上1.7 m處架設第3道鋼支撐，保存工況5計算結果。

工況6：開挖20.5 m，在第3道支撐架設完成后，由坑底繼續向下第4步開挖5 m，并在坑底以上1.7 m處架設第4道鋼支撐，保存工況6計算結果。

工況7：開挖25.3 m，在第4道支撐架設完成后，基坑開挖直至設計標高-25.3 m處，保存工況7計算結果。

3 試驗數據與分析

基坑地表沉降隨距離的變化曲線如圖8所示。如圖8所示，不同工況下，e-f路徑和g-h路徑地表沉降z隨距基坑邊線距離s的變化趨勢基本一致。在工況4過程中，2條路徑上的最大沉降均發生緊鄰基坑邊線處，模擬結果約為3 mm，略小于實測結果的4.5 mm。隨著基坑開挖深度的增加，沉降量逐漸增大，地表沉降曲線變為下凹的“勺形”；當開挖到坑底(工況7)時地表沉降達到最大，e-f路徑上最大地表沉降約為20 mm，g-h路徑上最大地表沉降約為15 mm。

圖8 基坑地表沉降隨距離的變化曲線

圖9為地表豎向位移云圖。由圖可知，基坑開挖引起的地表沉降具有明顯的空間效應，地表沉降曲面形狀隨著基坑開挖而發生改變。當基坑開挖小于2.3 m，見圖9(a)，未架設首道支撐時，地表沉降最大值為3.27 mm，發生在基坑長邊跨中緊鄰圍護樁后，基坑短邊附近地表沉降略小于長邊。隨著基坑開挖深度的增加，基坑短邊附近地表沉降與長邊附近沉降的差距逐漸拉大，當基坑開挖到坑底(工況7，圖9(d))后，地表沉降達到最大值21.4 mm，位于e-f路徑上，小于地表沉降控制值(37.95 mm)，在鋼支撐組合支護體系下，基坑周邊地表沉降得到了很好的控制。

圖9 不同工況下地表沉降云圖

圖10所示分別為基坑長邊跨中(c-d路徑)和短邊跨中(a-b路徑)圍護樁水平位移與樁體深度的監測及模擬結果。由圖10可知，在基坑開挖各工況下，基坑長邊跨中和短邊跨中圍護結構水平位移的數值計算結果與實測結果稍有不同，這是由于數值模擬忽略了基坑周邊施工車輛的活載影響。工況3(開挖至2.3 m)之前圍護樁為懸臂結構，樁體變形曲線前傾，頂部位移最大(圖10(a))。隨著進一步的開挖，圍護樁水平位移逐漸增大，上部變形在架設支撐后受到限制，后續開挖引起的樁體最大水平位移點隨之下移，圍護樁變形逐漸變為弓形，見圖10(b)～(d)。最終，開挖到坑底時，c-d路徑樁體水平位移達到最大，模擬結果為28.80 mm，發生在0.68倍基坑深度的17.13 m處，略大于實測最大水平位移26.76 mm(圖10(e))。圍護結構模擬變形曲線在內支撐架設深度處發生斜率突變，實測變形曲線沒有該現象，這是由于數值模型中未記入鋼圍檁局部受壓變形以及鋼圍檁與圍護結構間縫隙的影響。

圍護結構水平變形空間效應明顯，基坑短邊圍護結構變形略小于長邊，在同一深度上的圍護結構變形呈中間大、兩頭小的分布情況。當基坑開挖到2.3 m時(工況3)，基坑長邊跨中樁頂處位移最大為0.6 mm。在架設首道支撐后(工況4后)，圍護樁的主要變形位置隨著開挖的加深而逐漸沿樁身下移。在開挖到坑底(工況7)后，圍護結構水平變形達到最大，最大水平位移的模擬結果為28.76 mm，發生在圍護結構長邊對稱軸深17.13 m位置，接近最大水平位移實測結果26.76 mm(圖10(e))，小于設計控制值30 mm，說明在鋼支撐組合支護體系下，圍護結構變形得到了較好的控制。

圖10 基坑長邊中心圍護樁水平變形曲線

在基坑短邊圍護結構17.13 m深度處，水平位移沿基坑邊線方向的變化曲線呈拋物線形。基坑長邊圍護結構17.13 m深度處沿k-l路徑的水平變形曲線呈“盆形”，跨中8 m長度范圍內的水平位移均等于最大水平位移，空間效應對基坑圍護結構變形的影響主要發生在距離基坑陰角小于8 m的范圍內。

圖11 圍護結構17.13 m深度處水平位移曲線

4 結論

1)基坑地表沉降曲線隨著開挖深度的變化，呈略微凸起的三角形曲線形式，基坑短邊和長邊路徑上的最大沉降均發生緊鄰基坑邊線處，模擬結果約為3 mm，略小于實測結果(約為4.5 mm)。隨著基坑開挖深度的增加，沉降量逐漸增大，地表沉降曲線變為下凹的“勺形”變化。

2)隨著基坑開挖深度的增加，樁體變形曲線前傾，頂部位移最大。隨著進一步的開挖，圍護樁水平位移逐漸增大，上部變形在架設支撐后受到限制，后續開挖引起的樁體最大水平位移點隨之下移，圍護樁變形逐漸變為弓形，樁身位移在基坑開挖完成時最大。

3)圍護結構水平變形空間效應明顯，基坑短邊圍護結構變形略小于長邊，在同一深度上的圍護結構變形呈中間大、兩頭小，圍護樁的主要變形位置隨著開挖的加深而逐漸下移，向坑內凸起的區域范圍逐漸變大。