孔德森,吳紹娟,馬順順,王 凱

(1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院,山東 青島 266590;2.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266590)

由于土地資源有限,城市規(guī)劃設(shè)計(jì)缺乏創(chuàng)新性與前瞻性,導(dǎo)致部分建筑不能滿足人們的多方面需求。因此,城市地下空間擴(kuò)增成為緩解城市用地緊張的必要手段。既有基坑二次開(kāi)挖會(huì)使原有支護(hù)樁的嵌固深度變小,進(jìn)而打破原有的樁-土平衡狀態(tài)。隨著開(kāi)挖深度的增加,既有支護(hù)樁難以承受樁后的土壓力而發(fā)生傾覆破壞,從而導(dǎo)致基坑倒塌,造成嚴(yán)重的工程事故。為避免此類事故的發(fā)生,需要在既有基坑二次開(kāi)挖前,在原有支護(hù)樁外側(cè)新增一排支護(hù)樁,形成既有-新增雙層排樁支護(hù)體系[1],不僅能夠提高基坑支護(hù)能力,而且可以充分利用既有支護(hù)樁的承載能力,保證上部建筑物的穩(wěn)定。 龔曉南等[2]采用理論分析和數(shù)值模擬方法研究了增層開(kāi)挖后樁基的承載力,分析了增層開(kāi)挖條件下樁側(cè)極限摩阻力損失比隨不同增層開(kāi)挖寬度和深度的變化規(guī)律。伍程杰[3]利用有限元軟件建立地下空間向下增層開(kāi)挖的三維有限元模型,研究了群樁基礎(chǔ)的樁身軸力、樁側(cè)摩阻力、土體回彈等在二次開(kāi)挖過(guò)程中的變化規(guī)律。單華峰等[4]采用有限元軟件模擬地下空間二次開(kāi)挖過(guò)程,并對(duì)群樁基礎(chǔ)中的樁基沉降特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)樁頂沉降量與地下空間二次開(kāi)挖深度呈正比,當(dāng)開(kāi)挖深度不變時(shí),不同位置的樁頂沉降量不同。馮若峰[5]對(duì)二次開(kāi)挖過(guò)程中役樁的豎向承載特性進(jìn)行研究,對(duì)比分析受荷單樁和群樁的承載特性差異,建立了在役樁的荷載傳遞模型。Lee等[6]利用有限元軟件,對(duì)基坑內(nèi)單樁和群樁的工作機(jī)理進(jìn)行研究,分析了基坑開(kāi)挖過(guò)程中單樁和群樁的受力、變形規(guī)律。Wan等[7-9]對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中樁身拉力的產(chǎn)生和樁身拉力的變化規(guī)律進(jìn)行了研究,認(rèn)為基坑開(kāi)挖的卸荷作用是導(dǎo)致樁身拉力產(chǎn)生的主要原因。王相閣等[10]通過(guò)室內(nèi)大比尺模型試驗(yàn),研究了h型雙排樁中的既有樁與新增樁樁身受力隨開(kāi)挖深度的變化規(guī)律。唐德琪等[11]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)方法,研究了被動(dòng)區(qū)土體側(cè)移作用下坑內(nèi)樁基的受力特性,重點(diǎn)分析了基坑開(kāi)挖深度、支護(hù)結(jié)構(gòu)與坑內(nèi)樁基的距離、樁頂豎向荷載以及承臺(tái)約束高度等對(duì)樁基彎矩和剪力的影響。

上述研究分析了基坑中樁基礎(chǔ)的承載能力和變形特性以及既有基坑二次開(kāi)挖時(shí)雙層支護(hù)排樁與既有受荷樁的承載特性,而對(duì)地下空間二次開(kāi)挖時(shí)雙層排樁支護(hù)體系與受荷基樁共同工作特性的研究較少。為探究既有-新增雙層支護(hù)樁與受荷基樁在不同基坑開(kāi)挖深度下的受力特性,建立室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?以分析基坑內(nèi)支護(hù)樁和基樁的樁頂位移與樁身彎矩的變化規(guī)律。

1 工程背景

某建筑平面呈近似正方形,長(zhǎng)和寬均為33 m,占地面積為1 089 m2,主體為框架剪力墻結(jié)構(gòu),每層樓單位荷載為18.96 kPa,各樓層自重一致。該建筑只有一層地下室,原基坑開(kāi)挖深度為5 m,采用直徑為0.8 m的鉆孔灌注樁支護(hù),樁長(zhǎng)為15 m,樁間距為1.5 m。擬向下增層開(kāi)挖,新建一層地下車庫(kù)。由于增建的地下二層車庫(kù)的層高較高,新增開(kāi)挖深度為13 m,需在地下室周邊增設(shè)排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)。新增支護(hù)樁為直徑0.8 m的鉆孔灌注樁,樁長(zhǎng)25 m,樁間距1.5 m,既有排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)與新增排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的間距為3 m?；觾?nèi)的樁基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁,樁徑為0.8 m,樁長(zhǎng)為37.5 m,樁間距為6.6 m,呈正方形布置,共16根,樁基礎(chǔ)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C30,與既有支護(hù)樁的最小間距為6.6 m。

2 試驗(yàn)方案

2.1 模型設(shè)計(jì)

圖1 模型平面示意圖

圖2 過(guò)模型中心線剖面圖Fig. 2 Section through the model centerline

圖3 模型樁示意圖Fig. 3 Diagram of model pile

2.2 面積置換

由于基樁的布樁密度較高,引入置換率的概念進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算,采用大面積規(guī)則布樁中的正方形布樁形式進(jìn)行置換。根據(jù)置換率的定義,按照有限范圍內(nèi)所有樁的面積除以有限范圍的總面積即可得到置換率[12]。

m=n·Ap/A=16π×0.0162/1.322=0.007 4。

(1)

其中:m為面積置換率;n為基樁的數(shù)量;Ap為單根樁的截面積,m2;A為有限范圍的總面積,m2。

按正方形布樁劃分單元體,單元體面積內(nèi)樁的截面積為半個(gè)樁面積,此時(shí)面積置換率

(2)

其中:d為置換后的基樁直徑,m;s為置換后的基樁樁間距,m。根據(jù)置換率相等,有

(3)

d/s=0.096 97。

(4)

據(jù)試驗(yàn)要求,基樁模型樁外徑為0.05 m,厚度為0.002 m,則基樁的樁間距為0.516 m。

2.3 試驗(yàn)工況

室內(nèi)模型試驗(yàn)共分9次開(kāi)挖,試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定及開(kāi)挖深度如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)開(kāi)挖各樁及深度信息

2.4 試驗(yàn)步驟

1) 模擬既有工程階段。經(jīng)過(guò)測(cè)量放線,確定基樁位置,將基樁垂直放置于基坑內(nèi)并進(jìn)行填土,當(dāng)坑內(nèi)土體距離基坑頂部65 cm時(shí),埋入既有支護(hù)樁,繼續(xù)填土至距樁頂5 cm位置處,靜置24 h。

2) 新增支護(hù)樁階段。將基坑向下開(kāi)挖20 cm,即原有一層地下室的幾何相似高度,靜置24 h,打入新增支護(hù)樁。

3) 監(jiān)測(cè)儀器放置階段。采用百分表測(cè)試新增支護(hù)樁的樁頂水平位移時(shí),將測(cè)量桿與新增支護(hù)樁抵觸,使測(cè)量桿有一定的壓縮量,記錄初始數(shù)值。百分表安裝完成后接入高速靜態(tài)應(yīng)變儀,應(yīng)變片采用半橋連接,實(shí)時(shí)記錄樁身應(yīng)變數(shù)據(jù)。

4) 開(kāi)挖階段。采用分層開(kāi)挖,開(kāi)挖深度為10～20 cm時(shí),每10 cm開(kāi)挖一步;開(kāi)挖深度為20～30 cm時(shí),每5 cm開(kāi)挖一步;開(kāi)挖至30 cm后再開(kāi)挖2 cm,然后繼續(xù)向下開(kāi)挖3 cm,此時(shí)開(kāi)挖深度達(dá)到35 cm。在開(kāi)挖深度為35～50 cm時(shí),每5 cm開(kāi)挖一步,即總開(kāi)挖深度為50 cm。每一步開(kāi)挖完成,待土體穩(wěn)定后檢測(cè)樁身應(yīng)變值、樁頂水平位移。

3 樁身位移及彎矩分析

由于樁呈正方形布置,四邊受力及變形相同,故取基坑一邊中點(diǎn)位置的支護(hù)樁(既有支護(hù)樁Y1、新增支護(hù)樁Y7)和基樁YT2為研究對(duì)象,如圖4所示,研究支護(hù)樁及受荷基樁的相互作用。

圖4 測(cè)試樁編號(hào)平面圖Fig. 4 Test pile number plan

3.1 樁頂位移分析

增層開(kāi)挖時(shí)既有支護(hù)樁Y1與新增支護(hù)樁Y7以及基樁YT2的樁頂水平位移如圖5所示。從圖5可以看出,支護(hù)樁的樁頂水平位移與二次開(kāi)挖深度呈正比,隨著開(kāi)挖深度的增加,樁頂水平位移的增長(zhǎng)幅度越大;基樁的樁頂水平位移變化幅度很小。另外,既有支護(hù)樁和新增支護(hù)樁的樁頂水平位移都隨二次開(kāi)挖深度的增加而增大,但新增支護(hù)樁的樁頂水平位移增長(zhǎng)趨勢(shì)沒(méi)有既有支護(hù)樁明顯;在同一開(kāi)挖深度時(shí),既有支護(hù)樁的樁頂水平位移要大于新增支護(hù)樁,說(shuō)明在二次開(kāi)挖時(shí),水平位移主要發(fā)生在既有支護(hù)樁上。因此,當(dāng)開(kāi)挖到一定深度時(shí),既有支護(hù)樁可能會(huì)先產(chǎn)生傾覆破壞。隨著增層開(kāi)挖深度的增大,基樁的樁頂水平位移增長(zhǎng)幅度不大,其主要原因是基樁的嵌固深度較深,說(shuō)明基樁在開(kāi)挖過(guò)程中一般不會(huì)發(fā)生傾覆破壞。

圖5 樁頂位移圖

3.2 樁身彎矩分析

Y1、Y7及YT2的樁身彎矩分布曲線分別如圖6和圖7所示。由圖6(a)可知,埋深5～15 cm時(shí)既有支護(hù)樁的樁身彎矩基本不變,最大彎矩位于埋深25 cm處,最大彎矩值為168.43 N·cm。隨著開(kāi)挖深度的增大,彎矩逐漸減小,說(shuō)明在既有支護(hù)樁外圍補(bǔ)入新增支護(hù)樁能夠分擔(dān)一大部分由于開(kāi)挖產(chǎn)生的側(cè)向土壓力,減少既有支護(hù)樁的受力。因此,從樁身彎矩方面分析,新增支護(hù)樁能夠有效承擔(dān)土壓力,具有一定的支護(hù)能力。由圖6(b)可知,新增支護(hù)樁的樁身彎矩在開(kāi)挖深度H=25 cm和H=40 cm時(shí)突增;另外,新增支護(hù)樁的最大彎矩值均在埋深60 cm處,即既有支護(hù)樁失效處,說(shuō)明既有支護(hù)樁傾覆后,樁間土對(duì)新增支護(hù)樁的彈性支撐作用減弱。

圖6 支護(hù)樁彎矩圖

圖7 基樁彎矩圖

如圖6所示,開(kāi)挖深度H為10 cm時(shí),既有支護(hù)樁的最大彎矩值為96.60 N·cm,H分別為20、25、30、32、35、40 cm時(shí),既有支護(hù)樁的最大彎矩值分別為168.43、160.45、134.87、120.27、120.27、107.39 N·cm;H為10、20 cm時(shí),新增支護(hù)樁的最大彎矩值分別為12.85、39.86 N·cm;H分別為25、30、32、35、40 cm時(shí),新增支護(hù)樁的最大彎矩值分別為131.45、175.74、182.63、175.74、198.43 N·cm?？梢?jiàn),在開(kāi)挖10 cm之后,既有支護(hù)樁的彎矩開(kāi)始急劇增長(zhǎng),而在開(kāi)挖20 cm后,新增支護(hù)樁的彎矩才開(kāi)始急劇增長(zhǎng),并且隨著開(kāi)挖深度的增加,新增支護(hù)樁的樁身彎矩要大于既有支護(hù)樁。說(shuō)明既有基坑二次開(kāi)挖時(shí),中心位置處的新增支護(hù)樁能夠有效承擔(dān)側(cè)向土壓力和樁間土的剪應(yīng)力,分擔(dān)土壓力的作用較強(qiáng)。從圖7可以看出,基樁的樁身彎矩變化大致呈“S”形,彎矩最小值位于埋深65 cm處,即既有支護(hù)樁失效處,說(shuō)明在既有支護(hù)樁失效前,基樁幾乎不承擔(dān)側(cè)向土壓力。隨著開(kāi)挖深度的增大,基樁的樁身彎矩呈負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì),此時(shí)新增支護(hù)樁承擔(dān)大部分土壓力,因此新增支護(hù)樁起到至關(guān)重要的作用。既有支護(hù)樁傾覆破壞后,基樁和新增支護(hù)樁共同作用,此時(shí)基樁的彎矩開(kāi)始增長(zhǎng)?；鶚稄澗氐淖畲笾滴挥诼裆?05 cm處,即新增支護(hù)樁失效處,此時(shí)既有-新增支護(hù)體系失去作用。

4 空間效應(yīng)分析

二次開(kāi)挖時(shí),由于空間效應(yīng)的影響,試驗(yàn)中同一開(kāi)挖深度下,沿基坑一邊分布的支護(hù)樁的工作特性會(huì)有明顯差別。沿基坑的寬度方向上,樁體的最大水平變形、彎矩峰值的大小隨距坑角的距離增大而增大[13]。取中心樁(Y1、Y7)、邊樁(Y3、Y9)、角樁(Y5、Y11)為研究對(duì)象,分析在空間效應(yīng)作用下不同位置的支護(hù)樁承載特性的變化規(guī)律。在室內(nèi)模型試驗(yàn)中,基坑平面為邊長(zhǎng)132 cm的正方形,中心樁位于基坑邊中點(diǎn),邊樁距中心樁24 cm,角樁距中心樁48 cm。

不同位置支護(hù)樁的樁頂水平位移變化規(guī)律如圖8所示。由圖8(a)可知,既有支護(hù)樁的樁頂水平位移增速隨二次開(kāi)挖深度的增加而逐漸增大,且中心樁的樁頂水平位移增長(zhǎng)速度最快,角樁的增長(zhǎng)速度最慢,邊樁位于中心樁和角樁之間。由圖8(b)可知,同一開(kāi)挖深度下,新增支護(hù)樁的樁頂水平位移變化規(guī)律與既有支護(hù)樁相同。與既有支護(hù)樁不同的是,隨著二次開(kāi)挖深度的增加,新增支護(hù)樁的樁頂水平位移增長(zhǎng)速率沒(méi)有明顯提升。從中心樁到邊角樁,既有支護(hù)樁和新增支護(hù)樁的樁頂水平位移都呈減少的趨勢(shì),說(shuō)明基坑兩側(cè)壁土體具有一定的限制作用,使支護(hù)樁在二次開(kāi)挖作用下產(chǎn)生的樁頂水平位移呈現(xiàn)中間大、兩邊小的趨勢(shì),且空間效應(yīng)對(duì)既有支護(hù)樁的影響較大,對(duì)新增支護(hù)樁的影響較小。

圖8 不同位置處支護(hù)樁樁頂水平位移

模型試驗(yàn)得到不同位置既有支護(hù)樁和新增支護(hù)樁的樁身彎矩分布規(guī)律,如圖9和圖10所示。由圖9可知,在同一開(kāi)挖深度,不同位置既有支護(hù)樁的樁身彎矩大小不同,表現(xiàn)為中心樁的樁身彎矩最大,邊樁其次,角樁的樁身彎矩最小,雖然不同位置既有支護(hù)樁的樁身彎矩相差不大,但其樁身彎矩的分布規(guī)律較為相似,都呈中間大、兩邊小的趨勢(shì)[14]。由圖10可以看出,不同位置新增支護(hù)樁的樁身彎矩分布類似于既有支護(hù)樁,但中心樁與角樁的最大樁身彎矩相差較大。不同位置支護(hù)樁的樁身彎矩不同主要是受到空間效應(yīng)的影響,支護(hù)樁在同一基坑邊受到的側(cè)向土壓力不同,土壓力沿基坑邊方向呈拋物線分布,因此中心樁受力最大,角樁受力最小,邊樁介于兩者之間。從支護(hù)樁受力角度分析,中間區(qū)域?yàn)橹ёo(hù)樁受力的薄弱區(qū)域[15],可推斷出開(kāi)挖到一定深度時(shí)中心樁可能最先倒塌破壞,而邊角樁的支護(hù)效果較好?？傮w上,在中心位置處新增支護(hù)樁的樁身彎矩大于既有支護(hù)樁,而在邊角位置處彎矩值比既有支護(hù)樁小,說(shuō)明新增支護(hù)樁為主要的受力支護(hù)體系,在中心位置處分擔(dān)土壓力的作用更強(qiáng),在邊角位置處分擔(dān)土壓力的能力較弱。

圖9 不同位置處既有支護(hù)樁樁身彎矩

圖10 不同位置處新增支護(hù)樁樁身彎矩

5 結(jié)論

1) 在中心位置,隨著開(kāi)挖深度的增加,既有、新增支護(hù)樁的樁頂水平位移不斷增大。開(kāi)挖深度40 cm以內(nèi),樁頂水平位移增長(zhǎng)緩慢,開(kāi)挖深度超過(guò)40 cm,支護(hù)樁樁頂位移急劇增長(zhǎng),但新增支護(hù)樁的樁頂水平位移增長(zhǎng)速度比既有支護(hù)樁緩慢,基樁的樁頂水平位移隨開(kāi)挖深度增加變化不大。

2) 在中心位置,開(kāi)挖深度較小時(shí),既有支護(hù)樁和新增支護(hù)樁樁身彎矩相差不大,但隨著開(kāi)挖深度的增加,新增支護(hù)樁的樁身彎矩要遠(yuǎn)大于既有支護(hù)樁,且在開(kāi)挖10 cm后,既有支護(hù)樁樁身彎矩急劇增長(zhǎng),而新增支護(hù)樁在開(kāi)挖20 cm后,樁身彎矩隨開(kāi)挖深度急劇增長(zhǎng)。基樁樁身彎矩呈“S”型分布,在既有支護(hù)樁退出工作前,樁身彎矩呈負(fù)向緩慢增長(zhǎng),而在既有支護(hù)樁失效后,樁身彎矩呈正向且迅速增長(zhǎng),樁身最大彎矩出現(xiàn)在新增支護(hù)樁失效時(shí)。

3) 受空間效應(yīng)的影響,從中心樁到邊角樁位置,支護(hù)體系的樁頂水平位移逐漸減小,但既有支護(hù)樁的減小趨勢(shì)要遠(yuǎn)大于新增支護(hù)樁。隨著二次開(kāi)挖深度的增大,中心樁的樁頂位移增長(zhǎng)速度最快,角樁的增長(zhǎng)速度最慢,邊樁位于中心樁和角樁之間。

4) 既有基坑二次開(kāi)挖條件下,支護(hù)樁的樁身彎矩呈中間大、兩邊小的趨勢(shì)。既有支護(hù)樁和新增支護(hù)樁的樁身最大彎矩值都呈線性增長(zhǎng);受到空間效應(yīng)的影響,中心樁的樁身彎矩最大,其次是邊樁,角樁最小,在中心位置處新增支護(hù)樁的樁身彎矩大于既有支護(hù)樁,而在邊角位置處小于既有支護(hù)樁。