富水軟弱地層雙排樁深基坑力學(xué)特性研究

孫劍平孟祥旭何天武江宗寶韓健勇

(1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東建筑大學(xué)工程鑒定加固研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

對(duì)于富水軟弱場(chǎng)地，在基坑開挖時(shí)常遇到兩個(gè)問題:(1) 地下水位高，土體軟弱，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的水、土壓力大，結(jié)構(gòu)自身的內(nèi)力和變形量大；(2) 基坑降水會(huì)引起周邊場(chǎng)地的土體固結(jié)及不均勻沉降現(xiàn)象，對(duì)周圍環(huán)境的安全和周邊建筑的正常使用造成影響。 為了解決上述問題，通常需要提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度、設(shè)置止水帷幕及采用回灌等措施。

雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種由兩排鋼筋混凝土樁、樁頂連梁和樁頂冠梁構(gòu)成的空間門架結(jié)構(gòu)。 相較于單排懸臂樁，雙排樁具有更高的抗側(cè)移剛度，可以有效地控制側(cè)向變形；與樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，可以有效地防止因鉆孔而引起的滲漏和涌水流砂的風(fēng)險(xiǎn)；而對(duì)比內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其施工更方便且工期更短。因此，采用雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合水泥土攪拌樁進(jìn)行截水、帷幕外回灌的支護(hù)技術(shù)，已廣泛用于富水軟弱場(chǎng)地的基坑開挖。 考慮到土層軟弱，為了更好地控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，可以在樁頂加一道預(yù)應(yīng)力錨桿。

學(xué)者們針對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)體系力學(xué)特性的研究已開展了大量工作，在計(jì)算模型[1-5]、模型試驗(yàn)[6-8]、數(shù)值模擬[9-12]等方面均取得了一定的研究成果，JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[13]中也給出了雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。 聶慶科等[14]研究了某一雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力、樁身內(nèi)力、冠梁內(nèi)力、土體位移，分析了基坑開挖的空間效應(yīng)、冠梁剛度對(duì)土壓力的影響、支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與土壓力分布的關(guān)系。 左殿軍等[15]研究了某一非等長(zhǎng)雙排樁的樁身內(nèi)力，并通過規(guī)范法計(jì)算后排樁不同嵌固深度下的樁身內(nèi)力變化，但其開挖深度較淺。周鵬華等[16]監(jiān)測(cè)了雙排樁的樁身內(nèi)力、樁頂連梁內(nèi)力、土體深層位移，并結(jié)合Midas 有限元軟件展開了分析。 雙排樁-錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)在工程實(shí)踐中也有應(yīng)用，學(xué)者們采用數(shù)值模擬的方法研究了受力機(jī)理和變形特征等[17-22]，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)例開展了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析，但尚未有系統(tǒng)的理論研究和較為完整的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，亟需對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)體系支護(hù)力學(xué)特性進(jìn)行深入研究。

針對(duì)聊城市某富水軟弱場(chǎng)地深基坑的工程特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)了雙排樁樁身內(nèi)力、樁頂位移、土壓力、土體深層位移、錨桿應(yīng)力等，得出了不同工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征及變化規(guī)律；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過數(shù)值模擬分析了不同工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形規(guī)律，為同類支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算提供了參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 基坑工程介紹及場(chǎng)地周邊環(huán)境條件

某基坑工程位于黃河下游沖積平原，地下結(jié)構(gòu)外墻線長(zhǎng)為172.0 m、寬為68.7 m，基底自天然地面算起為12.6 m。 地下室外墻線北側(cè)距紅線18.5 m，距4 棟4～6 層砌體結(jié)構(gòu)住宅樓(天然地基、淺基礎(chǔ))外墻最近處19.6 m；西側(cè)邊線距紅線20.5 m，距5 層砌體結(jié)構(gòu)住宅樓(天然地基、淺基礎(chǔ))外墻30.9 m；東側(cè)距人行道邊緣線24.6 m；南側(cè)距已建建筑物地下室外墻線6.8 m，南側(cè)已建建筑物地上19 層，地下1 層(樁筏基礎(chǔ))。 基坑平面布置圖如圖1 所示。

圖1 基坑平面布置圖(單位:m)

1.2 場(chǎng)地工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地工程地貌單元單一，地形較為平坦。 場(chǎng)地內(nèi)土層主要為雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、粉細(xì)砂等，各土層厚度及物理、力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各層土物理參數(shù)

場(chǎng)地地下水為上部第四紀(jì)孔隙潛水和粉細(xì)砂中的弱承壓水，場(chǎng)地地下水位埋深為3.0 m。

1.3 基坑支護(hù)方案選擇及設(shè)計(jì)概況

基坑工程存在的難點(diǎn)有:(1) 上部5 層土體較軟；(2) 地下水位偏高，下部有弱承壓水；(3) 基坑西側(cè)和北側(cè)受紅線控制；(4) 西、北邊的居民樓基礎(chǔ)埋深淺、建造時(shí)間較長(zhǎng)、整體性差。 若采用樁錨支護(hù)，由于預(yù)留肥槽和上部土層條件不佳，錨桿長(zhǎng)度難以達(dá)到要求，而在粉砂、粉土層中鉆孔后，在鉆孔后易出現(xiàn)滲漏、涌水、流砂等風(fēng)險(xiǎn)，而帷幕滲漏則會(huì)因水位降低，導(dǎo)致居民樓開裂的風(fēng)險(xiǎn)。 如果采取支護(hù)樁(設(shè)止水帷幕)、咬合樁、地下連續(xù)墻結(jié)合內(nèi)支撐等支護(hù)方案，施工周期將延長(zhǎng)3 個(gè)月，成本也將成倍增長(zhǎng)。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和周邊環(huán)境的情況，采取了雙排樁-錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)；選用了三軸攪拌樁止水帷幕，帷幕內(nèi)管井降水，帷幕外設(shè)置回灌井的地下水控制方案，止水帷幕設(shè)置在坑壁外10 m 處，在后排樁處及坑內(nèi)設(shè)降水井。 采用該方法可有效地改善坑壁與帷幕之間的土體的物理力學(xué)性能，并提高坑后土體的穩(wěn)定性。 由于采用了雙排樁支護(hù)方式，且錨桿在后排樁頂，故基坑未設(shè)肥槽，在前排樁采用混凝土噴面用作防水基層，可減少挖土量、增加基坑與周邊建筑物的距離。

支護(hù)樁樁徑為0.8 m、樁排距為4.0 m、樁間距為1.6 m，樁頂冠、連梁尺寸分別為0.8 m×0.8 m 和0.9 m×0.8 m；支護(hù)樁、冠梁和連梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。 預(yù)應(yīng)力錨桿長(zhǎng)22.0 m、自由段5.0 m、預(yù)加力180 kN、間距為1.6 m。 場(chǎng)地地層及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2 所示。

圖2 支護(hù)剖面圖(單位:m)

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

測(cè)試了不同開挖階段的支護(hù)樁的鋼筋應(yīng)力、土壓力、錨桿內(nèi)力、土體深層位移、樁頂水平位移、樁頂豎向位移，并根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果計(jì)算支護(hù)樁的彎矩，研究了不同開挖階段雙排樁-錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、土壓力和位移之間的關(guān)系，為雙排樁-錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了可靠資料，并為雙排樁-錨桿設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化提供了依據(jù)。

沿著基坑周邊布設(shè)樁頂變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每間隔20～25 m設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。 為了盡可能減少基坑空間效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)的影響，以基坑邊的中部為試驗(yàn)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置(圖1 已標(biāo)明)。 在試驗(yàn)樁處設(shè)置深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并在雙排樁后埋設(shè)測(cè)斜管，測(cè)斜管底與樁底處于同一標(biāo)高。

支護(hù)樁的鋼筋應(yīng)力用振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)測(cè)試。樁身鋼筋計(jì)設(shè)于前、后兩排樁的內(nèi)側(cè)外側(cè)，也就是沿開挖側(cè)及迎土側(cè)的主筋，從樁頂2.30 m 起，每隔2.25 m設(shè)一對(duì)鋼筋計(jì)，共設(shè)9 對(duì)18 支鋼筋應(yīng)力計(jì)。支護(hù)樁主筋和鋼筋計(jì)之間用套管連接。

樁間土壓力測(cè)點(diǎn)從樁頂8.0 m 處每隔5.0 m 設(shè)置一個(gè)土壓力計(jì)；被動(dòng)區(qū)土壓力測(cè)點(diǎn)在距基坑底部3.7 m處每隔2.0 m 設(shè)置一個(gè)土壓力計(jì)。 測(cè)試儀器布置情況如圖3 所示。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 位移測(cè)試分析

樁頂位移曲線圖如圖4 所示，其中，He為基坑開挖深度。 在基坑開挖前，預(yù)降水并將基坑的水位降至開挖面以下6.0 m，而基坑開挖后，保證水位處在施工面以下2.0 m。 由于進(jìn)行了預(yù)降水，故在基坑開挖之前已有一定的豎向位移。 試驗(yàn)點(diǎn)的水平和豎向位移遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定值。 測(cè)點(diǎn)處開挖到基坑底一段時(shí)間后，樁頂水平位移、豎向位移、樁身彎矩、連梁彎矩都在持續(xù)增加，同時(shí)測(cè)點(diǎn)附近土體的卸載也會(huì)對(duì)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生影響，這反映了基坑的時(shí)空效應(yīng)。

雙排樁后土體深層位移如圖5 所示。 在相同位置上，測(cè)斜管所得到的支護(hù)結(jié)構(gòu)的頂部位移與相同部位的冠梁頂水平位移相近，說明試驗(yàn)結(jié)果是可靠的。 深層水平位移集中在基坑底部以下0 ～5 m 范圍內(nèi)。 由于樁頂預(yù)應(yīng)力錨桿的限制作用，最大變形發(fā)生在樁頂以下4.5 m 處，而不是在樁頂處。

3.2 樁身內(nèi)力測(cè)試分析

樁身的鋼筋軸力圖如圖6 所示。 由圖6(a)和(b)可看出，在前排樁迎土側(cè)鋼筋在開挖面上以上為受壓，而在開挖面以下則是受拉，并且拉壓界限有向下移動(dòng)的趨勢(shì)；最大壓應(yīng)力發(fā)生在6.8 m 處，最大拉應(yīng)力發(fā)生在15.8 m 處；鋼筋應(yīng)力圖的形狀為S形。 當(dāng)開挖深度為4.0 和6.5 m 時(shí)，2.30 m 處鋼筋承受的壓應(yīng)力＞4.55 m 處鋼筋的壓應(yīng)力，而隨著開挖深度的增加，4.55 m 處鋼筋的壓應(yīng)力逐漸＞2.30 m處的壓應(yīng)力。 當(dāng)開挖深度為4.0 和6.5 m時(shí)，6.80 和9.05 m處的鋼筋為受拉鋼筋，而當(dāng)開挖深度為10.5 m時(shí)，鋼筋由受拉轉(zhuǎn)為受壓。 前排樁開挖側(cè)的鋼筋在開挖深度為4.0 m 時(shí)，除了2.30 m處為受壓鋼筋外，其他均為受拉鋼筋。 在13.05、15.80、18.05 m處，隨著開挖深度的增加，鋼筋從受拉轉(zhuǎn)為受壓并逐漸增大；在基坑開挖面以上的區(qū)域，單排樁在開挖側(cè)為受拉，而在該工程中，由于樁頂冠梁的限制作用，相當(dāng)于樁頂處施加了一個(gè)橫向約束力和轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩，使樁頂不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)整體剛度大；由于頂部設(shè)置了一道錨桿，在其共同作用下，雙排樁開挖側(cè)樁頂處受壓；其最大拉應(yīng)力發(fā)生在6.80 m 處。

由圖6(c)和(d)可知，后樁樁開挖側(cè)鋼筋主要為受拉，其最大拉力點(diǎn)在4.55 m 處。 當(dāng)開挖深度為4.0、6.5 m 時(shí)，9.05 m 處鋼筋為受壓鋼筋；當(dāng)開挖深度繼續(xù)增加，轉(zhuǎn)為受拉鋼筋且拉應(yīng)力逐漸增大。 當(dāng)開挖深度為4.0、6.5 m 時(shí)，13.55 m 處鋼筋為受拉鋼筋；當(dāng)開挖深度為10.5 m 后，鋼筋從受拉轉(zhuǎn)為受壓。后排樁的迎土側(cè)鋼筋主要受壓，其最大的壓力點(diǎn)在2.30 m處。 由于錨桿設(shè)在后排樁頂，當(dāng)開挖深度增加時(shí)，2.30 m 處鋼筋的應(yīng)力增大幅度明顯高于4.55 m處鋼筋的應(yīng)力。

根據(jù)材料力學(xué)關(guān)于梁的彎曲變形和應(yīng)力分析理論，樁身彎矩的換算由式(1)表示為

式中M為樁身彎矩，kN·m；E為樁體的復(fù)合模量，kPa；I為樁截面的慣性矩，m4；b0為拉壓測(cè)點(diǎn)的間距，m；Δε為支護(hù)樁同一截面上兩個(gè)鋼筋計(jì)之間的軸向應(yīng)變差，由式(2)表示為

式中σs為鋼筋計(jì)測(cè)得的應(yīng)力，kPa；Eg為鋼筋彈性模量，MPa。

如圖7 所示，與雙排樁樁頂不設(shè)置錨桿時(shí)相比，設(shè)置了錨桿的前、后排樁樁身應(yīng)力出現(xiàn)明顯變化。

圖7 樁身彎矩圖

由圖7(a)可知，前排樁的樁身彎矩呈S 形，其反彎點(diǎn)隨開挖深度的增加逐漸下移至開挖面附近。前排樁的最大正彎矩在前排樁上部的1/3 處，而最大負(fù)彎矩在前排樁下部1/4 處，最大正彎矩是最大負(fù)彎矩的1.78 倍。

由圖7(b)可知，后排樁樁身彎矩基本表現(xiàn)為正彎矩，即其前側(cè)受拉。 當(dāng)開挖深度為4.5 m 時(shí)，由于錨桿的限制作用，2.30 m 處的彎矩＜4.55 m 處的彎矩，樁身彎矩呈S 形，在開挖6.5 m 后，樁身彎矩呈拋物線形。

在樁排距較小時(shí)，雙排樁表現(xiàn)出懸臂樁特性，且前、后排樁的受力特征相似。 樁排距較大時(shí)，后排樁有拉錨的特征[10]。 工程的樁排距為5D(D為樁徑)，前排樁彎矩為S 形，后排樁為拋物線形，具有拉錨的特征。 與后排樁彎矩相比，前排樁彎矩顯著大于后排樁彎矩。 在測(cè)點(diǎn)處開挖至坑底后，繼續(xù)向南側(cè)挖土，樁身彎矩仍在增加，而后排樁彎矩的變化更加顯著，因此雙排樁的受力并非單純的平面應(yīng)力狀態(tài)，而是具有顯著的空間效應(yīng)，在測(cè)點(diǎn)附近的開挖會(huì)對(duì)測(cè)點(diǎn)處支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生一定影響。

3.3 土壓力測(cè)試分析

雙排樁的土壓力如圖8 所示。 隨著開挖深度的增加，樁間土壓力整體呈下降趨勢(shì)，在土體開挖6.5 m后第15 天土壓力最小，土體開挖11.1 m 時(shí)土壓力增大，在其后第6 天土壓力逐漸降低，并隨后土壓力略微增大并逐漸穩(wěn)定。 被動(dòng)區(qū)土壓力總體上呈減小趨勢(shì)，土體開挖6.5 m 后第15 天土壓力最小，開挖11.1 m后的土壓力持續(xù)增大并逐漸穩(wěn)定。 坑內(nèi)土體的卸載和土體回彈是導(dǎo)致土壓力下降的主要原因。 當(dāng)開挖至11.1 m 時(shí)，土壓力急劇增大，其原因是基坑中土體卸載作用引起了樁身變形增加，從而使土體受到擠壓，導(dǎo)致土壓力變大，之后土壓力趨于穩(wěn)定。

圖8 雙排樁土壓力圖

基坑未開挖時(shí)的土壓力對(duì)比圖如圖9 所示，不同開挖深度土壓力對(duì)比如圖10 所示。 土壓力的分布呈三角形。 從未開挖到開挖4.0 m 時(shí)的土壓力減小，可看作從靜止土壓向主動(dòng)土壓力的轉(zhuǎn)化。 被動(dòng)區(qū)土壓力基本呈三角形，但比極限平衡條件下的被動(dòng)土壓力(398 kPa)小得多。 對(duì)比同一時(shí)間的被動(dòng)區(qū)和樁間土壓力，可看出未開挖時(shí)樁間土壓力比被動(dòng)區(qū)的土壓力要大，而在開挖后樁間土壓力小于被動(dòng)區(qū)的土壓力，表明在開挖過程中，樁與被動(dòng)區(qū)土體產(chǎn)生擠壓，從而導(dǎo)致被動(dòng)區(qū)土壓力比樁間土壓力大。

圖9 未開挖土壓力對(duì)比圖

圖10 不同開挖深度土壓力對(duì)比圖

4 有限元模型

采用ABAQUS 有限元程序模擬了基坑的動(dòng)態(tài)開挖過程。 黃河典型沖積土的強(qiáng)度特征與莫爾庫倫屈服準(zhǔn)則相一致，且莫爾庫倫模型的材料參數(shù)易于獲得，故文章中土體選用莫爾庫倫模型。 數(shù)值模擬中土體的力學(xué)參數(shù)參照巖土工程勘察報(bào)告取值。 根據(jù)已有研究成果，基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境的影響范圍是3～5 倍開挖深度，因此在建立模型時(shí)，土體采用4 倍開挖深度的方法。 在考慮了支護(hù)結(jié)構(gòu)的布置和計(jì)算資源的前提下，選擇了5 對(duì)支護(hù)樁(2 跨連梁)建立模型，模型尺寸為60 m×8 m×50 m。

土體參數(shù)和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)按照實(shí)際工程參數(shù)取值。 支護(hù)樁樁徑為0.8 m、樁排距為4 m、樁間距1.6 m；冠、連梁截面尺寸分別為0.8 m×0.8 m 和0.9 m×0.8 m；預(yù)應(yīng)力錨桿的預(yù)加力為180 kN；基坑的開挖深度為11.1 m。 有限元分析模型圖如圖11 所示，樁后的超載取10 kPa、建筑物荷載為45 kPa，其與基坑邊的距離為30.9 m。 模型分為5 步實(shí)現(xiàn)開挖，除了第一步開挖為3.1 m 外，其余每一步均開挖2 m，通過對(duì)土體的分步鈍化，實(shí)現(xiàn)了基坑的動(dòng)態(tài)開挖過程。開挖至基坑底部的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖12 所示。

圖11 有限元分析模型

數(shù)值模擬彎矩圖如圖13 所示。 對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬，二者之間的規(guī)律大致相同。 隨著基坑的開挖，前、后排樁和連梁的彎矩逐漸增大，其排樁和連梁的彎矩形狀與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大致相同。

5 結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及相關(guān)研究得到以下結(jié)論:

(1) 雙排樁-錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁頂位移為5.5 mm，土體深層最大位移為6.3 mm，均遠(yuǎn)小于規(guī)范限制值，對(duì)于黃河沖積形成的富水軟弱地層的深基坑工程，雙排樁-錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)具有較好的支護(hù)效果。

(2) 雙排樁-錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)中，由于樁頂錨桿的作用，加之冠梁和連梁的存在，改變了雙排樁的受力特性；前排樁彎矩呈S 形，反彎點(diǎn)位置在開挖面附近，后排樁彎矩主要為正彎矩，其數(shù)值小于前排樁。樁后土壓力受基坑開挖深度與樁體變形影響顯著，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形會(huì)對(duì)雙排樁的受力產(chǎn)生影響，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形受多種因素共同影響。