王麗，楊文彬，鄭剛

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072； 2.大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

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基坑開(kāi)挖對(duì)坑底樁基礎(chǔ)工作性狀影響

王麗1,2，楊文彬2，鄭剛1

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072； 2.大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

逆作法具有對(duì)周邊環(huán)境影響小、不影響地面交通等優(yōu)點(diǎn)，在大中型城市基坑開(kāi)挖中被越來(lái)越廣泛的使用.逆作法施工過(guò)程中，坑底工程樁既承擔(dān)地下室及上部結(jié)構(gòu)的重量，同時(shí)又受到開(kāi)挖卸荷的影響，其工作性狀有待進(jìn)一步研究.通過(guò)模型試驗(yàn)及有限元分析方法，研究了逆作法對(duì)坑底樁基礎(chǔ)工作性狀的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明由于重力二階效應(yīng)(P-Δ效應(yīng))，逆作法基坑開(kāi)挖引起的樁身彎矩比順作法基坑開(kāi)挖的樁身彎矩大很多.有限元計(jì)算結(jié)果表明：在基坑開(kāi)挖工程中擴(kuò)底樁有很好的限制樁頂回彈的作用；通過(guò)對(duì)坑下土體進(jìn)行注漿加固可以有效限制墻身側(cè)移，但是注漿加固對(duì)限制樁頂回彈的作用不明顯；分區(qū)開(kāi)挖要同時(shí)安置支護(hù)結(jié)構(gòu)，這樣才能發(fā)揮限制擋土墻側(cè)移的作用；雖然上部結(jié)構(gòu)可以增加結(jié)構(gòu)的空間剛度，但在基坑開(kāi)挖過(guò)程中由于重力二階效應(yīng)會(huì)增加擋土墻的側(cè)移；將支盤(pán)直徑增大1.2倍，減小樁頂回彈的作用不明顯.

模型試驗(yàn)；有限元；逆作法；樁基礎(chǔ)；擋土墻

0　引言

逆作法施工期間，基坑開(kāi)挖土體應(yīng)力釋放，坑內(nèi)土體回彈，帶動(dòng)工程樁上移；地下室及上部結(jié)構(gòu)施工后樁身承擔(dān)的豎向荷載增加.因此，逆作法施工中工程樁承受卸荷回彈及豎向的作用，工程樁工作性狀十分復(fù)雜，其工作機(jī)理有待于進(jìn)一步探討.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用離心機(jī)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值分析及有限元模擬等方法對(duì)逆作法差異沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程樁工作性狀等方面進(jìn)行了探討.鄭剛[1]提出墻外主動(dòng)區(qū)土壓力呈曲線分布，其土壓力分布及變化與墻體的撓曲形式和側(cè)移趨勢(shì)有關(guān).蘇卜坤[2]指出逆作法施工設(shè)計(jì)時(shí)側(cè)向土壓力的選取應(yīng)與順做法有所區(qū)別，一般采用靜止土壓力.宋青君[3]提出圓筒形地下連續(xù)墻的空間效應(yīng)顯著，大部分水、土壓力通過(guò)環(huán)向拱作用由地下連續(xù)墻自身承擔(dān)，內(nèi)支撐受力減小.王旭軍[4]指出在開(kāi)挖深度一定的情況下，墻體側(cè)移的變化隨開(kāi)挖寬度的增加而最終趨于收斂.鄭剛[5]指出逆作法基坑開(kāi)挖坑底以下土體的隆起除在引起樁發(fā)生較大的豎向位移外，在樁身還可引起一定的拉力.Wang Li[6- 7]利用有限元方法對(duì)逆作法基坑開(kāi)挖對(duì)坑底工程樁工作性狀進(jìn)行了變參數(shù)研究.Leung[8]對(duì)香港地區(qū)部分逆作法基坑工程監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究擋土墻側(cè)移與地表沉降之間的關(guān)系.Hong[9]利用離心機(jī)實(shí)驗(yàn)研究逆作法基坑開(kāi)挖過(guò)程中坑底樁基礎(chǔ)對(duì)減小坑底回彈的作用.Moormann[10]指出逆作法基坑支撐體系采用合理的剛度，額外增加支撐體系剛度對(duì)于減小擋土墻側(cè)移的作用有限.Li Pei-yong[11]研究砂土抗剪強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)物變形的影響.

本文首先利用室內(nèi)模型試驗(yàn)分別對(duì)順作法和逆作法兩種基坑開(kāi)挖方式下坑底樁基礎(chǔ)的工作性狀進(jìn)行研究.此外，本文利用有限元方法對(duì)單樁和群樁進(jìn)行了改變開(kāi)挖寬度、樁型、分區(qū)開(kāi)挖、注漿加固以及考慮上部結(jié)構(gòu)空間剛度等模擬分析.

1　模型實(shí)驗(yàn)概述

1.1模型試驗(yàn)幾何相似比

模型試驗(yàn)幾何相似比應(yīng)由模擬基坑開(kāi)挖的規(guī)模、實(shí)驗(yàn)室空間大小和人力條件等因素共同決定.幾何相似比較大時(shí)，需要制作較大的模型箱，需要的實(shí)驗(yàn)空間大，完成實(shí)驗(yàn)需要的人力成本較高.綜合考慮各方面因素，本試驗(yàn)最終確定此次模型試驗(yàn)幾何相似比為1∶50[12- 15].

1.2模型箱

依據(jù)幾何相似比，盡可能減少邊界效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞某叽玳L(zhǎng)×寬×高分別為：1 130 mm×780 mm×1 200 mm.模型箱由底座和箱壁兩部分組成.模型箱底座由鋼板和角鋼焊接而成，模型箱的四壁采用15 mm厚的鋼化玻璃.

1.3試驗(yàn)砂土

取直徑小于0.085 cm的砂土?xí)窀珊筮M(jìn)行試驗(yàn).干砂的密度為1.72×103kg/m3，摩擦角為28°，黏聚力為0.

1.4模型樁、擋土墻和支護(hù)結(jié)構(gòu)

為了確定模型試驗(yàn)制作模型樁的材料，先后采用薄鋼管、PVC管和白卡紙加乳白膠制作的模型樁進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基坑開(kāi)挖過(guò)程中，采用薄鋼管和PVC管制作的模型樁的樁身應(yīng)變的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本沒(méi)有變化，而采用白卡紙加乳白膠制作的模型樁能夠反應(yīng)開(kāi)挖過(guò)程中的樁身變形.因此，本次試驗(yàn)采用三層白卡紙加乳白膠制作的模型樁.

利用簡(jiǎn)支梁模型測(cè)出乳白膠粘貼三層白卡紙的模型樁的彈性模量為296.4 MPa.模型樁截面為15 mm×15 mm.按照幾何相似比1∶50，根據(jù)抗彎剛度等效，模型樁相當(dāng)于邊長(zhǎng)為0.25 m C30混凝土方樁.模型試驗(yàn)的擋土墻和支護(hù)結(jié)構(gòu)采用三層白卡紙加乳白膠制作，彈性模量均為296.4 MPa.

順作法和逆作法模型布置見(jiàn)圖1和圖2.先挖第1- 1分區(qū)，再挖第1- 2分區(qū)；其他各層依次類推.圖注尺寸單位為mm.逆作法的剖面圖見(jiàn)圖1(a).

(a)剖面圖

(b)俯視圖

圖2　逆作法模型俯視圖

1.5模型試驗(yàn)分組

模型試驗(yàn)分組見(jiàn)表1.

表1　模型試驗(yàn)分組

2　實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)采集

2.1試驗(yàn)步驟

(1)將模型樁、擋土墻預(yù)埋土中，位置見(jiàn)圖1和2.分層將砂土裝進(jìn)模型箱.在土體上放置砝碼進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓時(shí)間為24 h；

(2)預(yù)壓完成后，將預(yù)壓砝碼移除.將與模型樁不同位置應(yīng)變片連接的導(dǎo)線進(jìn)行編號(hào)，與數(shù)據(jù)采集儀器連接，檢查所有數(shù)據(jù)通道是否正常；

(3)按照計(jì)劃分層開(kāi)挖.開(kāi)挖的時(shí)候，要盡量減小對(duì)土體和模型樁的擾動(dòng)；

(4)順作法每層開(kāi)挖結(jié)束后，直接將3個(gè)支撐放在墻面的凹槽上.逆作法每層開(kāi)挖后按有地面向坑底順序設(shè)置地下室各層樓板；

(5)每一組試驗(yàn)完成后，將砂土挖出，需重新制作模型，重復(fù)以上步驟進(jìn)行新一組的實(shí)驗(yàn).

2.2數(shù)據(jù)采集

通過(guò)動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采集應(yīng)變片數(shù)據(jù).依據(jù)相同高度處樁身兩側(cè)的應(yīng)變差計(jì)算樁身彎矩：

(1)

ε2-ε1為同一截面處樁兩側(cè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變差.

3　模型試驗(yàn)結(jié)果

3.1順作法基坑開(kāi)挖時(shí)樁身彎矩

圖3為樁長(zhǎng)320 mm順作法基坑開(kāi)挖過(guò)程中模型樁樁身彎矩.第1步開(kāi)挖完成后，坑下樁身80、160和240 mm處產(chǎn)生的彎矩依次為0.25×10-3、0.80×10-3和0.14×10-3N·mm.隨后開(kāi)挖過(guò)程中，樁身彎矩逐漸變大，最大彎矩均在坑下160 mm處.例如：第2、3和4步開(kāi)挖結(jié)束后在坑下160 mm處產(chǎn)生的最大彎矩分別為1.69×10-3、2.04×10-3和2.19×10-3N·mm.

樁長(zhǎng)為220 mm第1步開(kāi)挖完成后，坑下60、110和160 mm處產(chǎn)生的樁身彎矩依次為0.31×10-3、1.53×10-3和0.52×10-3N·mm.隨后開(kāi)挖過(guò)程，樁身彎矩逐漸變大，最大彎矩均在坑下110 mm處.例如：第2、3和4步開(kāi)挖在坑下110 mm處產(chǎn)生的彎矩分別為1.80×10-3、2.83×10-3和3.19×10-3N·mm.

圖3　順作法基坑開(kāi)挖樁身彎矩曲線

3.2逆作法基坑開(kāi)挖時(shí)樁身彎矩

圖4為樁長(zhǎng)320 mm逆作法基坑開(kāi)挖過(guò)程中模型樁樁身彎矩.

圖4　逆作法基坑開(kāi)挖樁身彎矩曲線

隨著開(kāi)挖進(jìn)行，樁身彎矩逐漸變大，彎矩最大值均在坑下160 mm處.例如：第2、3和4步開(kāi)挖在坑下160 mm處產(chǎn)生的彎矩分別為17.26×10-3、27.77×10-3和33.88×10-3N·mm.樁長(zhǎng)為220 mm的樁身最大彎矩均在坑下樁身110 mm處.例如：第2、3和4步開(kāi)挖在坑下樁身110 mm處產(chǎn)生的彎矩分別為29.49×10-3、38.461 0×10-3和46.41×10-3N·mm.

3.3不同開(kāi)挖方法樁身彎矩比較

相同樁長(zhǎng)時(shí)，逆作法開(kāi)挖過(guò)程產(chǎn)生的樁身彎矩比順作法開(kāi)挖過(guò)程產(chǎn)生的樁身彎矩大很多.例如：坑下樁長(zhǎng)為320 mm時(shí)，第3步開(kāi)挖結(jié)束后，順作法和逆作法在坑下樁身16 mm處產(chǎn)生彎矩分別為2.04×10-3和25.77×10-3N·mm.

逆作法樁要承擔(dān)地下室樓板的重量，樁身產(chǎn)生彎曲變形以后，由于地下室樓板自重產(chǎn)生的重力二階效應(yīng)(P-Δ效應(yīng))導(dǎo)致樁身彎矩進(jìn)一步增加.

4　有限元模型

4.1模型參數(shù)選取

文獻(xiàn)[6]對(duì)上海地鐵基坑工程[16]進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)測(cè)結(jié)果[16]一致，說(shuō)明文獻(xiàn)[6]反演得到土體參數(shù)、接觸面模擬和邊界條件能夠反映基坑開(kāi)挖過(guò)程的實(shí)際情況.本文采用與文獻(xiàn)[6]相同的土體參數(shù)、接觸面模擬和邊界條件，土體參數(shù)及分層見(jiàn)表1[6].樁、擋土墻和地下室樓板的彈性模量為3×104MPa，泊松比為0.2.樁土之間采用庫(kù)侖摩擦模型，接觸面摩擦系數(shù)為0.25.

土體長(zhǎng)×寬×高分別為150 m×10 m×150 m.限制土體底邊的豎向、水平位移和四個(gè)側(cè)面水平位移.

4.2單樁有限元模擬工況

普通樁和擴(kuò)底樁模擬工況如表2～3.樁長(zhǎng)40 m，樁的直徑為0.85 m.有限元模型見(jiàn)圖5.

表2　普通樁有限元模擬工況

表3　擴(kuò)底樁有限元模擬工況

左側(cè)擋土墻長(zhǎng)×寬×厚為34 m×10 m×0.60 m.右側(cè)擋土墻長(zhǎng)×寬×厚為28 m×10 m×0.60 m.樓板長(zhǎng)17.4 m，寬10 m，厚0.85 m.

(a)擴(kuò)底樁 (b)支盤(pán)樁

圖5擴(kuò)底樁和支盤(pán)樁模型

5　有限元模擬結(jié)果

5.1不同類型樁的比較

圖6為基坑開(kāi)挖過(guò)程中普通樁、擴(kuò)底樁和支盤(pán)樁的樁頂回彈量. 基坑開(kāi)挖深度為23 m，第1步開(kāi)挖3 m，其余8步每步均開(kāi)挖2.5 m.

圖6　不同類型樁樁頂回彈

由圖6可知隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，三種樁型的樁頂回彈量都呈逐漸增加的趨勢(shì).在第1步和第2步開(kāi)挖過(guò)程中，普通樁的樁頂回彈量最大，擴(kuò)底樁次之，支盤(pán)樁回彈最小.從第2步到第4步開(kāi)挖后，支盤(pán)樁樁頂回彈增加量最大，為3.09 mm，普通樁和擴(kuò)底樁的樁頂回彈增加量分別為2.76 mm和1.37 mm.第4步到第9步開(kāi)挖結(jié)束，支盤(pán)樁回彈增加量最大，為13.88 mm.普通樁和擴(kuò)底樁樁頂回彈增加量分別為8.83和8.28 mm.

5.2改變基坑開(kāi)挖寬度不同類型樁比較

基坑開(kāi)挖寬度分為17.4 m和22.4 m，坑下樁基礎(chǔ)為普通樁和擴(kuò)底樁，基坑開(kāi)挖深度為18 m，分7步開(kāi)挖，第一步開(kāi)挖3 m，其余6步每步均開(kāi)挖2.5 m.

圖7為基坑開(kāi)挖寬度為17.4和22.4 m時(shí)普通樁和擴(kuò)底樁的樁頂回彈曲線.

圖7　不同基坑寬度樁頂回彈曲線

第2步開(kāi)挖結(jié)束后，普通樁樁頂回彈量大于擴(kuò)底樁樁頂回彈量.基坑開(kāi)挖寬度為22.4 m的樁頂回彈量大于基坑開(kāi)挖寬度為17.4 m的樁頂回彈量.例如：基坑開(kāi)挖寬度為22.4 m時(shí)，普通樁樁頂回彈為12.15 mm，擴(kuò)底樁樁頂回彈為9.43 mm；基坑開(kāi)挖寬度為17.4 m時(shí)，普通樁樁頂回彈10.10 mm，擴(kuò)底樁樁頂回彈為8.12 mm.

第3步到第7步開(kāi)挖過(guò)程中，基坑開(kāi)挖寬度為17.4 m的工程樁回彈量持續(xù)增大，基坑開(kāi)挖寬度為22.4 m的工程樁回彈出現(xiàn)波動(dòng).第7步開(kāi)挖結(jié)束后，基坑開(kāi)挖寬17.4 m的樁頂回彈量大于基坑開(kāi)挖寬22.4 m的樁頂回彈量.

基坑寬為17.4 m時(shí)，每步開(kāi)挖結(jié)束后，普通樁與擴(kuò)底樁樁頂回彈差隨基坑開(kāi)挖過(guò)程逐漸增大.例如：第2、4和6步開(kāi)挖結(jié)束后，兩者之間的回彈差分別為2.10、3.50和4.41 mm.基坑寬為22.4 m時(shí)，第1步到第5步開(kāi)挖過(guò)程中，普通樁與擴(kuò)底樁樁頂回彈量之間的差距隨基坑開(kāi)挖過(guò)程逐漸增大.第6步到第7步開(kāi)挖過(guò)程中普通樁與擴(kuò)底樁樁頂回彈量之間的回彈差隨基坑開(kāi)挖過(guò)程逐漸減小.例如：第6和7步開(kāi)挖結(jié)束后，兩者之間的回彈差分別為2.39和1.16 mm.由此可見(jiàn)，基坑寬度增大時(shí)，樁頂回彈量受樁型的影響減小.

5.3坑內(nèi)土體注漿加固時(shí)不同類型樁比較

通過(guò)對(duì)基坑內(nèi)土體注漿加固達(dá)到減小坑內(nèi)土體回彈和擋土墻側(cè)移的目的.注漿加固為地面下-16～-19 m，加固土體物理參數(shù)見(jiàn)表1[6].

計(jì)算結(jié)果表明基坑內(nèi)土體注漿加固后基坑開(kāi)挖過(guò)程中樁頂回彈與無(wú)注漿加固的樁頂回彈幾乎相同，注漿加固對(duì)減小樁的回彈作用效果不明顯.

注漿加固的墻身最大側(cè)移小于無(wú)注漿加固的墻身最大側(cè)移，且兩者之間的差距隨著開(kāi)挖深度增加.例如：第7步開(kāi)挖結(jié)束后，注漿加固的墻身最大側(cè)移為30.63 mm，無(wú)注漿加固墻身最大側(cè)移為24.61 mm，兩者差距為6.01 mm.隨著基坑開(kāi)挖深度增加注漿加固對(duì)于限制墻身側(cè)移效果越來(lái)越明顯.

5.4分區(qū)開(kāi)挖情況下不同類型樁比較

采用兩種分區(qū)開(kāi)挖方案，見(jiàn)圖8.圖中①- ⑦或⑧為對(duì)應(yīng)7或8步開(kāi)挖過(guò)程要挖掉的土體，基坑深18 m，坑下樁基礎(chǔ)為普通樁和擴(kuò)底樁.采用不同分區(qū)開(kāi)挖樁頂最終回彈量幾乎相同，分區(qū)開(kāi)挖對(duì)于減小樁頂回彈的作用不明顯.

分區(qū)開(kāi)挖方案二擋土墻墻身側(cè)移最大，分區(qū)開(kāi)挖方案一次之，常規(guī)開(kāi)挖最小.例如：在地下面14.5 m處，分區(qū)開(kāi)挖方案一和二擋土墻側(cè)移量分別為35.63和39.06 mm，常規(guī)開(kāi)挖擋土墻側(cè)移量為29.76 mm.

(a)分區(qū)開(kāi)挖方案一 (b)分區(qū)開(kāi)挖方案二

圖8分區(qū)開(kāi)挖方案

5.5上部結(jié)構(gòu)空間剛度對(duì)擋土墻側(cè)移的影響

上部樓層共7層，每層高3 m，樓板厚度0.85 m，基坑每完成一步開(kāi)挖，上面生成一層樓板.

隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，由于P-Δ效應(yīng)，考慮上部結(jié)構(gòu)擋土墻側(cè)移逐漸大于沒(méi)有考慮上部結(jié)構(gòu)擋土墻側(cè)移.例如，開(kāi)挖結(jié)束后，地下面18 m處，考慮上部結(jié)構(gòu)擋土墻側(cè)移為38.26 mm，沒(méi)有考慮上部結(jié)構(gòu)擋土墻側(cè)移為26.23 mm.

5.6支盤(pán)大小對(duì)支盤(pán)樁的影響

采用支盤(pán)直徑分別為1.8 m和2.16 m的支盤(pán)樁進(jìn)行模擬.大支盤(pán)直徑為小支盤(pán)直徑的1.2倍，相鄰兩支盤(pán)間距相同，見(jiàn)圖5.

基坑開(kāi)挖過(guò)程中，支盤(pán)較大的支盤(pán)樁樁頂回彈與支盤(pán)較小的支盤(pán)樁樁頂回彈相近，可見(jiàn)將支盤(pán)增大1.2倍對(duì)于限制樁頂回彈效果不明顯.

6　結(jié)論

本文利用模型試驗(yàn)和有限元模擬方法對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中坑底樁基礎(chǔ)工作性狀的影響進(jìn)行了研究，得到下結(jié)論：

(1)由于重力二階效應(yīng)，逆作法開(kāi)挖方式下樁身彎矩大于順作法開(kāi)挖方式的樁身彎矩;

(2)在基坑開(kāi)挖工程中擴(kuò)底樁有很好的限制樁頂回彈的作用：通過(guò)對(duì)坑下土體進(jìn)行注漿加固可以有效限制墻身側(cè)移，但是注漿加固對(duì)限制樁頂回彈的作用不明顯；改變分區(qū)開(kāi)挖方式不能改變樁頂回彈量.分區(qū)開(kāi)挖要同時(shí)安置支護(hù)結(jié)構(gòu)，這樣才能發(fā)揮限制擋土墻側(cè)移的作用；雖然上部結(jié)構(gòu)可以增加結(jié)構(gòu)的空間剛度，但在基坑開(kāi)挖過(guò)程中由于重力二階效應(yīng)會(huì)增加擋土墻的側(cè)移；將支盤(pán)直徑增大1.2倍，減小樁頂回彈的作用不明顯.

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Effect of Pit Excavation on Behavior of Pile Foundation Buried in the Pit

WANG Li1,2,YANG Wenbin2,ZHENG Gang1

(1.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.School of Civil and Safety Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Behavior of piles under basal during bottom-up excavation is discussed in detail herein by means of model experiments and finite element analysis. Results from model experiments show that bending moments along pile in bottom-up method are greater than those in top-down method. Results from finite element analyses of single pile show that uplift at the top of pile with enlarged toe is comparatively small during excavation.When soil in the pit is reinforced through jet grouting, lateral displacement of retaining wall decreases apparently, but its effect on uplift at pile top is small. When jump layered excavation is adopted to reduce deflection of retaining wall, the struts must be installed promptly. Although structures above the ground increase the stiffness of the whole structure (the basement and the top structures), it increases the lateral deformation of retaining wall as well because of P-Δ effect. For squeezed branch pile, there is no evident change in the uplift at pile top when the diameter of squeezed branch is increased by 1.2 times.

model tests；finite element method；top-down excavation；pile foundation; retaining wall

1673- 9590(2016)05- 0093- 06

2016- 06- 12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51208071)

王麗(1974-)，女，副教授，博士，主要從事巖土工程教學(xué)與科研工作

E-mail:jiaoda_tina@163.com.

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