基坑開挖對坑底樁基礎工作性狀影響

王麗，楊文彬，鄭剛

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

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基坑開挖對坑底樁基礎工作性狀影響

王麗1,2，楊文彬2，鄭剛1

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

逆作法具有對周邊環(huán)境影響小、不影響地面交通等優(yōu)點，在大中型城市基坑開挖中被越來越廣泛的使用.逆作法施工過程中，坑底工程樁既承擔地下室及上部結構的重量，同時又受到開挖卸荷的影響，其工作性狀有待進一步研究.通過模型試驗及有限元分析方法，研究了逆作法對坑底樁基礎工作性狀的影響.試驗結果表明由于重力二階效應(P-Δ效應)，逆作法基坑開挖引起的樁身彎矩比順作法基坑開挖的樁身彎矩大很多.有限元計算結果表明：在基坑開挖工程中擴底樁有很好的限制樁頂回彈的作用；通過對坑下土體進行注漿加固可以有效限制墻身側移，但是注漿加固對限制樁頂回彈的作用不明顯；分區(qū)開挖要同時安置支護結構，這樣才能發(fā)揮限制擋土墻側移的作用；雖然上部結構可以增加結構的空間剛度，但在基坑開挖過程中由于重力二階效應會增加擋土墻的側移；將支盤直徑增大1.2倍，減小樁頂回彈的作用不明顯.

模型試驗；有限元；逆作法；樁基礎；擋土墻

0　引言

逆作法施工期間，基坑開挖土體應力釋放，坑內土體回彈，帶動工程樁上移；地下室及上部結構施工后樁身承擔的豎向荷載增加.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雜，其工作機理有待于進一步探討.

國內外學者利用離心機實驗、數(shù)值分析及有限元模擬等方法對逆作法差異沉降、圍護結構設計和工程樁工作性狀等方面進行了探討.鄭剛[1]提出墻外主動區(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移趨勢有關.蘇卜坤[2]指出逆作法施工設計時側向土壓力的選取應與順做法有所區(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)墻的空間效應顯著，大部分水、土壓力通過環(huán)向拱作用由地下連續(xù)墻自身承擔，內支撐受力減小.王旭軍[4]指出在開挖深度一定的情況下，墻體側移的變化隨開挖寬度的增加而最終趨于收斂.鄭剛[5]指出逆作法基坑開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]利用有限元方法對逆作法基坑開挖對坑底工程樁工作性狀進行了變參數(shù)研究.Leung[8]對香港地區(qū)部分逆作法基坑工程監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行分析，研究擋土墻側移與地表沉降之間的關系.Hong[9]利用離心機實驗研究逆作法基坑開挖過程中坑底樁基礎對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于減小擋土墻側移的作用有限.Li Pei-yong[11]研究砂土抗剪強度對結構物變形的影響.

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

1　模型實驗概述

1.1模型試驗幾何相似比

模型試驗幾何相似比應由模擬基坑開挖的規(guī)模、實驗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，需要制作較大的模型箱，需要的實驗空間大，完成實驗需要的人力成本較高.綜合考慮各方面因素，本試驗最終確定此次模型試驗幾何相似比為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對試驗結果的影響，模型試驗模型箱的尺寸長×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試驗砂土

取直徑小于0.085 cm的砂土曬干后進行試驗.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、擋土墻和支護結構

為了確定模型試驗制作模型樁的材料，先后采用薄鋼管、PVC管和白卡紙加乳白膠制作的模型樁進行對比試驗.實驗結果表明基坑開挖過程中，采用薄鋼管和PVC管制作的模型樁的樁身應變的監(jiān)測數(shù)據(jù)基本沒有變化，而采用白卡紙加乳白膠制作的模型樁能夠反應開挖過程中的樁身變形.因此，本次試驗采用三層白卡紙加乳白膠制作的模型樁.

利用簡支梁模型測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，模型樁相當于邊長為0.25 m C30混凝土方樁.模型試驗的擋土墻和支護結構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模型試驗分組

模型試驗分組見表1.

表1　模型試驗分組

2　實驗步驟及數(shù)據(jù)采集

2.1試驗步驟

(1)將模型樁、擋土墻預埋土中，位置見圖1和2.分層將砂土裝進模型箱.在土體上放置砝碼進行預壓，預壓時間為24 h；

(2)預壓完成后，將預壓砝碼移除.將與模型樁不同位置應變片連接的導線進行編號，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)按照計劃分層開挖.開挖的時候，要盡量減小對土體和模型樁的擾動；

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

(5)每一組試驗完成后，將砂土挖出，需重新制作模型，重復以上步驟進行新一組的實驗.

2.2數(shù)據(jù)采集

通過動靜態(tài)應變測試系統(tǒng)采集應變片數(shù)據(jù).依據(jù)相同高度處樁身兩側的應變差計算樁身彎矩：

(1)

ε2-ε1為同一截面處樁兩側測點的應變差.

3　模型試驗結果

3.1順作法基坑開挖時樁身彎矩

圖3為樁長320 mm順作法基坑開挖過程中模型樁樁身彎矩.第1步開挖完成后，坑下樁身80、160和240 mm處產生的彎矩依次為0.25×10-3、0.80×10-3和0.14×10-3N·mm.隨后開挖過程中，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步開挖結束后在坑下160 mm處產生的最大彎矩分別為1.69×10-3、2.04×10-3和2.19×10-3N·mm.

樁長為220 mm第1步開挖完成后，坑下60、110和160 mm處產生的樁身彎矩依次為0.31×10-3、1.53×10-3和0.52×10-3N·mm.隨后開挖過程，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步開挖在坑下110 mm處產生的彎矩分別為1.80×10-3、2.83×10-3和3.19×10-3N·mm.

圖3　順作法基坑開挖樁身彎矩曲線

3.2逆作法基坑開挖時樁身彎矩

圖4為樁長320 mm逆作法基坑開挖過程中模型樁樁身彎矩.

圖4　逆作法基坑開挖樁身彎矩曲線

隨著開挖進行，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步開挖在坑下160 mm處產生的彎矩分別為17.26×10-3、27.77×10-3和33.88×10-3N·mm.樁長為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步開挖在坑下樁身110 mm處產生的彎矩分別為29.49×10-3、38.461 0×10-3和46.41×10-3N·mm.

3.3不同開挖方法樁身彎矩比較

相同樁長時，逆作法開挖過程產生的樁身彎矩比順作法開挖過程產生的樁身彎矩大很多.例如：坑下樁長為320 mm時，第3步開挖結束后，順作法和逆作法在坑下樁身16 mm處產生彎矩分別為2.04×10-3和25.77×10-3N·mm.

逆作法樁要承擔地下室樓板的重量，樁身產生彎曲變形以后，由于地下室樓板自重產生的重力二階效應(P-Δ效應)導致樁身彎矩進一步增加.

4　有限元模型

4.1模型參數(shù)選取

文獻[6]對上海地鐵基坑工程[16]進行模擬，計算結果與工程實測結果[16]一致，說明文獻[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挖過程的實際情況.本文采用與文獻[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.樁土之間采用庫侖摩擦模型，接觸面摩擦系數(shù)為0.25.

土體長×寬×高分別為150 m×10 m×150 m.限制土體底邊的豎向、水平位移和四個側面水平位移.

4.2單樁有限元模擬工況

普通樁和擴底樁模擬工況如表2～3.樁長40 m，樁的直徑為0.85 m.有限元模型見圖5.

表2　普通樁有限元模擬工況

表3　擴底樁有限元模擬工況

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

(a)擴底樁 (b)支盤樁

圖5擴底樁和支盤樁模型

5　有限元模擬結果

5.1不同類型樁的比較

圖6為基坑開挖過程中普通樁、擴底樁和支盤樁的樁頂回彈量. 基坑開挖深度為23 m，第1步開挖3 m，其余8步每步均開挖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.在第1步和第2步開挖過程中，普通樁的樁頂回彈量最大，擴底樁次之，支盤樁回彈最小.從第2步到第4步開挖后，支盤樁樁頂回彈增加量最大，為3.09 mm，普通樁和擴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步開挖結束，支盤樁回彈增加量最大，為13.88 mm.普通樁和擴底樁樁頂回彈增加量分別為8.83和8.28 mm.

5.2改變基坑開挖寬度不同類型樁比較

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

圖7為基坑開挖寬度為17.4和22.4 m時普通樁和擴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步開挖結束后，普通樁樁頂回彈量大于擴底樁樁頂回彈量.基坑開挖寬度為22.4 m的樁頂回彈量大于基坑開挖寬度為17.4 m的樁頂回彈量.例如：基坑開挖寬度為22.4 m時，普通樁樁頂回彈為12.15 mm，擴底樁樁頂回彈為9.43 mm；基坑開挖寬度為17.4 m時，普通樁樁頂回彈10.10 mm，擴底樁樁頂回彈為8.12 mm.

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

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

5.3坑內土體注漿加固時不同類型樁比較

通過對基坑內土體注漿加固達到減小坑內土體回彈和擋土墻側移的目的.注漿加固為地面下-16～-19 m，加固土體物理參數(shù)見表1[6].

計算結果表明基坑內土體注漿加固后基坑開挖過程中樁頂回彈與無注漿加固的樁頂回彈幾乎相同，注漿加固對減小樁的回彈作用效果不明顯.

注漿加固的墻身最大側移小于無注漿加固的墻身最大側移，且兩者之間的差距隨著開挖深度增加.例如：第7步開挖結束后，注漿加固的墻身最大側移為30.63 mm，無注漿加固墻身最大側移為24.61 mm，兩者差距為6.01 mm.隨著基坑開挖深度增加注漿加固對于限制墻身側移效果越來越明顯.

5.4分區(qū)開挖情況下不同類型樁比較

采用兩種分區(qū)開挖方案，見圖8.圖中①- ⑦或⑧為對應7或8步開挖過程要挖掉的土體，基坑深18 m，坑下樁基礎為普通樁和擴底樁.采用不同分區(qū)開挖樁頂最終回彈量幾乎相同，分區(qū)開挖對于減小樁頂回彈的作用不明顯.

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

(a)分區(qū)開挖方案一 (b)分區(qū)開挖方案二

圖8分區(qū)開挖方案

5.5上部結構空間剛度對擋土墻側移的影響

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

隨著基坑開挖的進行，由于P-Δ效應，考慮上部結構擋土墻側移逐漸大于沒有考慮上部結構擋土墻側移.例如，開挖結束后，地下面18 m處，考慮上部結構擋土墻側移為38.26 mm，沒有考慮上部結構擋土墻側移為26.23 mm.

5.6支盤大小對支盤樁的影響

采用支盤直徑分別為1.8 m和2.16 m的支盤樁進行模擬.大支盤直徑為小支盤直徑的1.2倍，相鄰兩支盤間距相同，見圖5.

基坑開挖過程中，支盤較大的支盤樁樁頂回彈與支盤較小的支盤樁樁頂回彈相近，可見將支盤增大1.2倍對于限制樁頂回彈效果不明顯.

6　結論

本文利用模型試驗和有限元模擬方法對基坑開挖過程中坑底樁基礎工作性狀的影響進行了研究，得到下結論：

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

(2)在基坑開挖工程中擴底樁有很好的限制樁頂回彈的作用：通過對坑下土體進行注漿加固可以有效限制墻身側移，但是注漿加固對限制樁頂回彈的作用不明顯；改變分區(qū)開挖方式不能改變樁頂回彈量.分區(qū)開挖要同時安置支護結構，這樣才能發(fā)揮限制擋土墻側移的作用；雖然上部結構可以增加結構的空間剛度，但在基坑開挖過程中由于重力二階效應會增加擋土墻的側移；將支盤直徑增大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

國家自然科學基金資助項目(51208071)

王麗(1974-)，女，副教授，博士，主要從事巖土工程教學與科研工作

E-mail:jiaoda_tina@163.com.

A