韓士釗，陳義乾

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

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的大力推進(jìn)，目前各種用途的地下空間已在世界各大中城市陸續(xù)得到開(kāi)發(fā)利用，地下工程建設(shè)項(xiàng)目的數(shù)量和規(guī)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(chē)站深基坑等。目前，我國(guó)基坑的支護(hù)樁支護(hù)體系主要以鉆孔灌注樁為主，作為臨時(shí)性支護(hù)工程，在基坑開(kāi)挖以及上部建筑物建設(shè)完成后，這些支護(hù)結(jié)構(gòu)將會(huì)被回填永埋地下，造成極大的資源浪費(fèi)。

目前，一種新型的支護(hù)結(jié)構(gòu)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(diǎn)，鎖扣鋼管樁樁身之間通過(guò)鎖扣相互連接，可以有效地形成擋土和防滲結(jié)構(gòu)，近年來(lái)在一些擋土圍堰工程中被廣泛利用。目前，一些學(xué)者對(duì)鎖扣鋼管樁的受力與變形特性開(kāi)展了相關(guān)研究。陳艷平[1]和INAZUMI S等[2]對(duì)鎖扣鋼管樁的力學(xué)特性以及防滲性能進(jìn)行了研究，結(jié)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(duì)鎖扣鋼管樁和混凝土界面間剪切力進(jìn)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(duì)鎖扣鋼管樁在具體工程中的應(yīng)用情況進(jìn)行了研究。嚴(yán)佳梁[6]對(duì)鋼管樁在軟土地區(qū)中作為支護(hù)樁的適用性進(jìn)行了探討。此外，張世明等[7-10]對(duì)不同鎖扣鋼管樁的鏈接形式和施工工法進(jìn)行了研究。高森亞[11]在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，歸納出了鋼管樁的受力以及變形機(jī)理，針對(duì)研究的不足，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的方法。周小龍[12]針對(duì)青島地鐵某基坑鋼管樁超前支護(hù)進(jìn)行了重點(diǎn)研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，表明鋼管樁在基坑支護(hù)中對(duì)土體的側(cè)向位移有著明顯的約束作用。李富榮等[13]以鹽城地區(qū)大型軟土基坑為工程背景，通過(guò)室內(nèi)大模型試驗(yàn)，研究了靜壓樁在沉入過(guò)程中的擠土效應(yīng)，并對(duì)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(yīng)與孔隙水壓力的影響。李智[14]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了鋼管樁排樁支護(hù)力學(xué)和變形特性，以及開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)基坑穩(wěn)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(duì)昆明某基坑工程鋼管樁沉樁過(guò)程進(jìn)行了模擬，研究發(fā)現(xiàn)鋼管樁在沉樁的過(guò)程中，樁周土體的水平位移向外擴(kuò)張以及變化速率逐漸增大。楊代喜[16]利用ANSYS模擬軟件對(duì)鎖扣型鋼管樁在圍堰中的應(yīng)用性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明鎖扣鋼管樁的受力特性是滿(mǎn)足要求的。梁榮柱等[17]對(duì)鎖扣鋼管樁在基坑圍護(hù)過(guò)程中的土體變形、樁體力學(xué)和變形特性進(jìn)行了協(xié)調(diào)性分析。張楷等[18]對(duì)鋼管樁的抗承載性能進(jìn)行了研究。

綜上所述，目前的研究成果大多是針對(duì)傳統(tǒng)的鋼管樁排樁的支護(hù)性能進(jìn)行研究，少部分涉及了鎖扣鋼管結(jié)構(gòu)力學(xué)特性及施工工法。然而，針對(duì)鎖扣鋼管樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開(kāi)挖卸載后應(yīng)力與變形特性卻鮮有報(bào)道。在不同類(lèi)型的鎖扣樁中，C-O型鎖扣具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其鎖扣連接處的O型圓孔可以作為注漿管，達(dá)到止水的效果，從而在基坑支護(hù)中實(shí)現(xiàn)支擋與止水的結(jié)合。因此，將選擇C-O型鎖扣鋼管樁作為研究對(duì)象，以相似理論為基礎(chǔ)，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，以探明基坑開(kāi)挖下鎖扣鋼管樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)及變形特性，為今后鎖扣鋼管樁基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 模型試驗(yàn)

1.1 模型相似比

根據(jù)相似理論以及相似準(zhǔn)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(duì)于長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于厚度的桿件，變形主要以彎曲變形為主，因此在進(jìn)行模型試驗(yàn)相似材料的制作，主要考慮材料的抗彎剛度，對(duì)于材料的軸向變形與剪切變形應(yīng)盡量滿(mǎn)足相似關(guān)系即可[20]，本次試驗(yàn)的相似參數(shù)為:Cl=30,Cγ=1,CE=Cσ=30。

1.2 模型箱

模型試驗(yàn)采用可拼接式模型箱，尺寸為2.0 m×1.0 m×1.7 m(長(zhǎng)×寬×高)，模型箱四周用厚2 cm的透明有機(jī)玻璃圍護(hù)，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(jī)玻璃用螺絲連接，可根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行拆解，方便填土以及試驗(yàn)中基坑開(kāi)挖。

1.3 模型土體的制作

目前對(duì)模型試驗(yàn)中相似土體的選取，不同學(xué)者有不同的思路，在進(jìn)行模型試驗(yàn)過(guò)程中，大多研究者對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)以及監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行了重點(diǎn)研究，而對(duì)于相似土體的選取大致有3種類(lèi)型：純砂土，現(xiàn)場(chǎng)原型土過(guò)篩重塑，以及加入不同物質(zhì)調(diào)節(jié)土體物理參數(shù)法。本次試驗(yàn)為了與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程土體物理性質(zhì)盡可能相似，現(xiàn)采用第3種方法，不同配合比環(huán)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(hù)中，支護(hù)樁的作用主要是抵抗樁側(cè)土體，影響支護(hù)樁整體穩(wěn)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(yàn)主要考慮抗彎剛度的相似。

根據(jù)強(qiáng)度相似準(zhǔn)則

(1)

式中:EI為材料抗彎截面模量，根據(jù)材料力學(xué)中有關(guān)計(jì)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(duì)比后本次模型管樁外徑為50 mm，壁厚2 mm，長(zhǎng)1 000 mm。

C-O型鎖扣樁模型樁截面示意圖如圖2所示，實(shí)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(shí)物圖

冠梁和圍檁采用硬質(zhì)PVC板模擬1 000 mm×400 mm×8mm(長(zhǎng)×寬×厚)，在固定位置用環(huán)氧樹(shù)脂膠將其與排樁連接。在實(shí)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(gòu)買(mǎi)的PVC管材為標(biāo)準(zhǔn)管，長(zhǎng)度1 000 mm。因此需要根據(jù)實(shí)際寬度進(jìn)行截取，此外還購(gòu)買(mǎi)有PVC管帽可調(diào)節(jié)支撐長(zhǎng)度。

1.5 裝填土樣

根據(jù)配比試驗(yàn)，每次在模型箱中裝填15 cm隨即壓實(shí)一次，壓實(shí)完成后對(duì)土樣表面進(jìn)行刮毛處理，以便進(jìn)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(guò)程中進(jìn)行監(jiān)測(cè)儀器的埋設(shè)，監(jiān)測(cè)儀器如圖5所示。

圖4 土樣裝填完成

圖5 監(jiān)測(cè)儀器

2 數(shù)值模擬

2.1 基坑模型的建立

采用Midas GTS數(shù)值模擬軟件，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)得到的土體參數(shù)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行基坑開(kāi)挖全過(guò)程數(shù)值模擬。通過(guò)土體變形和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形等與模型試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，研究C×O型鎖扣鋼管樁基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律。

建立基坑實(shí)際尺寸為22.77 m×15.20 m(長(zhǎng)×寬)，開(kāi)挖深度25.34 m。為了降低和消除邊界對(duì)模擬結(jié)果的影響，在有限差分軟件中，根據(jù)圣維南原理及大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本次選取的模型的尺寸為174.81 m×110 m×101.36 m，計(jì)算模型三維軸側(cè)圖如圖6所示，圍護(hù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖7所示。

圖6 有限元計(jì)算模型三維軸側(cè)圖

圖7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

2.2 計(jì)算工況

工況1：自應(yīng)力平衡。

工況2：施加圍護(hù)樁，保存計(jì)算結(jié)果。

工況3：開(kāi)挖2.3 m，并在距離基坑地表1.9 m架設(shè)第1道支撐。

工況4：開(kāi)挖10.2 m，在第1道支撐架設(shè)完成后，向下開(kāi)挖7.9 m，并在坑底以上2 m處架設(shè)第2道鋼支撐，保存工況4計(jì)算結(jié)果。

工況5：開(kāi)挖15.5 m，在第2道支撐架設(shè)完成后，向下開(kāi)挖5.3 m，并在坑底以上1.7 m處架設(shè)第3道鋼支撐，保存工況5計(jì)算結(jié)果。

工況6：開(kāi)挖20.5 m，在第3道支撐架設(shè)完成后，由坑底繼續(xù)向下第4步開(kāi)挖5 m，并在坑底以上1.7 m處架設(shè)第4道鋼支撐，保存工況6計(jì)算結(jié)果。

工況7：開(kāi)挖25.3 m，在第4道支撐架設(shè)完成后，基坑開(kāi)挖直至設(shè)計(jì)標(biāo)高-25.3 m處，保存工況7計(jì)算結(jié)果。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

基坑地表沉降隨距離的變化曲線(xiàn)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(mì)隨距基坑邊線(xiàn)距離s的變化趨勢(shì)基本一致。在工況4過(guò)程中，2條路徑上的最大沉降均發(fā)生緊鄰基坑邊線(xiàn)處，模擬結(jié)果約為3 mm，略小于實(shí)測(cè)結(jié)果的4.5 mm。隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，沉降量逐漸增大，地表沉降曲線(xiàn)變?yōu)橄掳嫉摹吧仔巍?；?dāng)開(kāi)挖到坑底(工況7)時(shí)地表沉降達(dá)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(xiàn)

圖9為地表豎向位移云圖。由圖可知，基坑開(kāi)挖引起的地表沉降具有明顯的空間效應(yīng)，地表沉降曲面形狀隨著基坑開(kāi)挖而發(fā)生改變。當(dāng)基坑開(kāi)挖小于2.3 m，見(jiàn)圖9(a)，未架設(shè)首道支撐時(shí)，地表沉降最大值為3.27 mm，發(fā)生在基坑長(zhǎng)邊跨中緊鄰圍護(hù)樁后，基坑短邊附近地表沉降略小于長(zhǎng)邊。隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，基坑短邊附近地表沉降與長(zhǎng)邊附近沉降的差距逐漸拉大，當(dāng)基坑開(kāi)挖到坑底(工況7，圖9(d))后，地表沉降達(dá)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(hù)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(zhǎng)邊跨中(c-d路徑)和短邊跨中(a-b路徑)圍護(hù)樁水平位移與樁體深度的監(jiān)測(cè)及模擬結(jié)果。由圖10可知，在基坑開(kāi)挖各工況下，基坑長(zhǎng)邊跨中和短邊跨中圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果稍有不同，這是由于數(shù)值模擬忽略了基坑周邊施工車(chē)輛的活載影響。工況3(開(kāi)挖至2.3 m)之前圍護(hù)樁為懸臂結(jié)構(gòu)，樁體變形曲線(xiàn)前傾，頂部位移最大(圖10(a))。隨著進(jìn)一步的開(kāi)挖，圍護(hù)樁水平位移逐漸增大，上部變形在架設(shè)支撐后受到限制，后續(xù)開(kāi)挖引起的樁體最大水平位移點(diǎn)隨之下移，圍護(hù)樁變形逐漸變?yōu)楣?，?jiàn)圖10(b)～(d)。最終，開(kāi)挖到坑底時(shí)，c-d路徑樁體水平位移達(dá)到最大，模擬結(jié)果為28.80 mm，發(fā)生在0.68倍基坑深度的17.13 m處，略大于實(shí)測(cè)最大水平位移26.76 mm(圖10(e))。圍護(hù)結(jié)構(gòu)模擬變形曲線(xiàn)在內(nèi)支撐架設(shè)深度處發(fā)生斜率突變，實(shí)測(cè)變形曲線(xiàn)沒(méi)有該現(xiàn)象，這是由于數(shù)值模型中未記入鋼圍檁局部受壓變形以及鋼圍檁與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間縫隙的影響。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形空間效應(yīng)明顯，基坑短邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形略小于長(zhǎng)邊，在同一深度上的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形呈中間大、兩頭小的分布情況。當(dāng)基坑開(kāi)挖到2.3 m時(shí)(工況3)，基坑長(zhǎng)邊跨中樁頂處位移最大為0.6 mm。在架設(shè)首道支撐后(工況4后)，圍護(hù)樁的主要變形位置隨著開(kāi)挖的加深而逐漸沿樁身下移。在開(kāi)挖到坑底(工況7)后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形達(dá)到最大，最大水平位移的模擬結(jié)果為28.76 mm，發(fā)生在圍護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊對(duì)稱(chēng)軸深17.13 m位置，接近最大水平位移實(shí)測(cè)結(jié)果26.76 mm(圖10(e))，小于設(shè)計(jì)控制值30 mm，說(shuō)明在鋼支撐組合支護(hù)體系下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形得到了較好的控制。

圖10 基坑長(zhǎng)邊中心圍護(hù)樁水平變形曲線(xiàn)

在基坑短邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)17.13 m深度處，水平位移沿基坑邊線(xiàn)方向的變化曲線(xiàn)呈拋物線(xiàn)形?；娱L(zhǎng)邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)17.13 m深度處沿k-l路徑的水平變形曲線(xiàn)呈“盆形”，跨中8 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)的水平位移均等于最大水平位移，空間效應(yīng)對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響主要發(fā)生在距離基坑陰角小于8 m的范圍內(nèi)。

圖11 圍護(hù)結(jié)構(gòu)17.13 m深度處水平位移曲線(xiàn)

4 結(jié)論

1)基坑地表沉降曲線(xiàn)隨著開(kāi)挖深度的變化，呈略微凸起的三角形曲線(xiàn)形式，基坑短邊和長(zhǎng)邊路徑上的最大沉降均發(fā)生緊鄰基坑邊線(xiàn)處，模擬結(jié)果約為3 mm，略小于實(shí)測(cè)結(jié)果(約為4.5 mm)。隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，沉降量逐漸增大，地表沉降曲線(xiàn)變?yōu)橄掳嫉摹吧仔巍弊兓?/p>

2)隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，樁體變形曲線(xiàn)前傾，頂部位移最大。隨著進(jìn)一步的開(kāi)挖，圍護(hù)樁水平位移逐漸增大，上部變形在架設(shè)支撐后受到限制，后續(xù)開(kāi)挖引起的樁體最大水平位移點(diǎn)隨之下移，圍護(hù)樁變形逐漸變?yōu)楣?，樁身位移在基坑開(kāi)挖完成時(shí)最大。

3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形空間效應(yīng)明顯，基坑短邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形略小于長(zhǎng)邊，在同一深度上的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形呈中間大、兩頭小，圍護(hù)樁的主要變形位置隨著開(kāi)挖的加深而逐漸下移，向坑內(nèi)凸起的區(qū)域范圍逐漸變大。