土巖深基坑微型鋼管樁承載性能試驗(yàn)研究

楊淑娟，馬加驍，張明義*，王永洪，孫紹霞

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，青島 266033；2.山東省高等學(xué)校藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，青島 266033)

隨著中國城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市地下空間得到大規(guī)模的開發(fā)和利用，基坑的開挖深度也越來越深，由于基坑支護(hù)的技術(shù)復(fù)雜、綜合性和區(qū)域性強(qiáng)，已逐漸成為當(dāng)今巖土工程的研究熱點(diǎn)之一,基坑支護(hù)的形式多樣，常用的有混凝土灌注樁支護(hù)、復(fù)合土釘支護(hù)、組合鋼板樁、地下連續(xù)墻等[1-4]。超前微型鋼管樁因具有安全性高、適用范圍廣、布置靈活、施工速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于基坑支護(hù)工程之中[5-7]。

為進(jìn)一步研究微型鋼管樁超前支護(hù)的受力特性，提高支護(hù)安全性、優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，國內(nèi)外眾多學(xué)者通過室內(nèi)外試驗(yàn)對其進(jìn)行了積極的探索。Bruce等[8-9]對11根不同樁長的鋼管樁進(jìn)行了不同注漿壓力的承載力試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)理論相比較，提出群樁效應(yīng)；何頤華等[10]以黏性土基坑懸臂樁支護(hù)項(xiàng)目為依托，對基坑開挖后的土壓力大小及分布規(guī)律進(jìn)行了研究，與朗肯土壓力理論、模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析；林希強(qiáng)等[11]在基坑周邊埋設(shè)水平位移觀測點(diǎn)、測斜管，在鋼管樁安裝應(yīng)變計(jì)、土壓力盒，通過監(jiān)測得到鋼管樁的內(nèi)力、變形、位移隨開挖深度的變化曲線；Awad[12]通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究了微型樁的樁長與所受橫向荷載之間的關(guān)系；朱安寧等[13]通過設(shè)置深層土體側(cè)向位移監(jiān)測點(diǎn)、地下水位監(jiān)測點(diǎn)，對微型鋼管樁的變形規(guī)律進(jìn)行了探究；黃雪峰等[14]對深基坑單排微型鋼管樁復(fù)合兩道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同工況下的內(nèi)力變形情況進(jìn)行監(jiān)測，并將試驗(yàn)結(jié)果與極限平衡法、彈性支點(diǎn)法進(jìn)行了對比分析；烏青松等[15]以紅黏土場地的基坑支護(hù)項(xiàng)目為依托，對微型鋼管樁的樁身內(nèi)力、樁頂水平位移進(jìn)行監(jiān)測，得出在上硬下軟地區(qū)應(yīng)采用微型鋼管樁和鋼筋混凝土排樁相結(jié)合的結(jié)論。

綜上可見，現(xiàn)有文獻(xiàn)對于微型鋼管樁超前支護(hù)的研究多為單排樁，且基坑多為土質(zhì)基坑，針對土巖結(jié)合地層的雙排微型鋼管樁超前支護(hù)的研究較少。為此，以青島地區(qū)某土巖結(jié)合地形的基坑工程為依托，此基坑開挖深度達(dá)40 m，采用雙排微型鋼管樁支護(hù)體系，通過在鋼管樁樁身表面安裝應(yīng)變片的方法對不同工況及開挖深度下的樁身應(yīng)變、受力特點(diǎn)及其變化規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測分析，以期為土巖地層微型鋼管樁的設(shè)計(jì)、理論計(jì)算和相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的制定提供參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 場地工程地質(zhì)情況

場區(qū)為典型的上土下巖的土巖結(jié)合地層，巖土層第四系主要為第四系全新統(tǒng)人工填土、上更新統(tǒng)沖洪積層，場地基巖以中生代燕山晚期深成相全晶質(zhì)粗?；◢弾r為主，煌斑巖、花崗斑巖等淺成相巖脈穿插其中，與花崗巖巖基組成復(fù)合巖體。土層分布從上至下分別為素填土、粉質(zhì)黏土、粗砂、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下壓帶、強(qiáng)風(fēng)化煌斑巖、塊狀碎裂巖、微風(fēng)化花崗巖，巖土層的物理力學(xué)如表1所示。

表1 巖土層物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of rock-soil layer

場區(qū)地下水位穩(wěn)定標(biāo)高為15.85～20.33 m，穩(wěn)定水位埋深為2.20～4.30 m，其中試樁處的地下水位標(biāo)高15.99 m。粗砂中的地下水屬于第四系孔隙潛水，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下壓帶、強(qiáng)微風(fēng)化巖中的地下水屬于基巖裂隙水，強(qiáng)風(fēng)化帶中透水性較差，富水性弱。

1.2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

此基坑施工方法為明挖順作法，采用微型鋼管樁超前支護(hù)體系，自上而下共三階。第一階采用雙排鋼管樁，鉆孔直徑200 mm，鋼管樁外徑168 mm，壁厚8 mm，樁長12.3 m，鋼管樁水平間距1 m，鋼管樁入巖層1.5 m。第二階、第三階采用單排鋼管樁，樁徑、壁厚與第一階相同，樁長分別為11.8、16.6 m。兩階鋼管樁分界處設(shè)錯(cuò)臺，臺寬1.0 m，鋼管樁注漿采用先下管后注漿工藝，出漿孔沿樁身呈梅花形交錯(cuò)布設(shè)，灌注水泥漿的水灰比為0.5。在微型鋼管樁之間采用預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合支護(hù)，編號為MS1～MS6，在巖層中使用HRB400級鋼筋的錨桿聯(lián)合支護(hù)，編號為MG1～MG9，支護(hù)結(jié)構(gòu)的剖面圖如圖1所示。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1 The vertical section of supporting structure

2 試驗(yàn)方法及測試

2.1 傳感器安裝

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，選取一根第一階的內(nèi)排樁微型鋼管樁為試驗(yàn)樁，通過在鋼管樁樁身表面對稱安裝共11對應(yīng)變片，自樁頂至樁端分別標(biāo)號為A1～A11、A1′～A11′，用于監(jiān)測不同工況下不同樁身位置處的應(yīng)變狀態(tài)，試驗(yàn)樁樁位及傳感器安裝位置如圖1所示。應(yīng)變片的安裝步驟為：①劃線定位應(yīng)變片的安裝位置，在每個(gè)安裝點(diǎn)的上側(cè)開孔，用于穿線[圖2(a)]；②在應(yīng)變片安裝前，應(yīng)先使用砂紙對安裝位置進(jìn)行打磨，酒精擦拭打磨處后用502膠水粘貼應(yīng)變片，并使用歐姆表對粘貼的應(yīng)變片進(jìn)行成活率檢測[圖2(b)]；③為提高試驗(yàn)過程中應(yīng)變片的存活率，在應(yīng)變片分別表面涂覆704膠和植筋膠進(jìn)行保護(hù)[圖2(c)]；④將應(yīng)變片與數(shù)據(jù)線相接，穿入鋼管樁內(nèi)部，固定于樁頂處[圖2(d)]。

2.2 數(shù)據(jù)采集

在試驗(yàn)樁沉樁完成且未開挖之前，使用DH3816N動態(tài)應(yīng)變采集儀，采集應(yīng)變片的微應(yīng)變作為初始值，通過初始值即可得到在不同工況下的應(yīng)變變化量，進(jìn)而得到樁身彎矩值，工況詳情如表2所示。

表2 各測試時(shí)間下的開挖工況Table 2 Excavation conditions at each test time

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 第一階開挖時(shí)樁身彎矩分析

第一階開挖時(shí)的樁身彎矩如圖3所示，隨著基坑的開挖，樁身彎矩逐漸增大，4.3～8.6 m區(qū)段內(nèi)的樁身彎矩變化最為顯著，A1-A1′截面位置處負(fù)彎矩較大，在基坑開挖至10.75 m時(shí)，此處彎矩值達(dá)15 kN·m。分析可知，樁頂位置承受土體側(cè)向推力作用，在開挖過程中起到懸臂式擋土樁的作用，故其彎矩逐漸增大，同時(shí)說明在基坑開挖過程中，鋼管樁頂部位置最先發(fā)揮作用，承受較大樁頂及側(cè)向荷載。隨著開挖深度的增加，同一截面處背土面的彎矩值大于迎土面，未挖到的樁身位置彎矩出現(xiàn)左右漂浮現(xiàn)象，彎矩較小，且較為穩(wěn)定，與呂建國等學(xué)者的研究結(jié)果一致[16]。

圖3 第一階開挖時(shí)的樁身彎矩圖Fig.3 Bending moment diagram of pile during the first excavation

測試樁樁身4.30～6.45 m的彎矩為負(fù)值，說明迎土面受拉，基坑開挖過程測點(diǎn)A5-A5′出現(xiàn)彎矩極值，并按“先增大后減小”趨勢發(fā)展，最大負(fù)彎矩達(dá)-13.01 kN·m。樁身6.45～8.60 m處彎矩為正值，表明背土側(cè)受拉，截面A7-A7′處微應(yīng)變最大，隨著基坑開挖深度的增加基本呈逐漸增大趨勢發(fā)展，最大正彎矩達(dá)11.44 kN·m。

在未施加預(yù)應(yīng)力錨索時(shí)，微型鋼管樁的受力可按懸臂樁考慮，鋼管樁上部土壓力主要依靠下部嵌固段的被動土壓力平衡，彎矩曲線呈“上部大、下部小”的分布規(guī)律，開挖面以下的樁身彎矩變化較小。各錨索位置處，隨著預(yù)應(yīng)力作用的依次施加，該處彎矩減小，2019年1月2日MS2鎖定，此處彎矩值從6.82 kN·m減小至2.73 kN·m，2019年1月12日MS3鎖定，此處樁身彎矩從7.73 kN·m降至1.80 kN·m，而當(dāng)基坑挖至10.75 m，且MS4、MS5未施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，樁身下部彎矩增幅明顯。分析認(rèn)為：錨索預(yù)應(yīng)力的施加對微型鋼管樁的變形起到很大的約束作用，限制鋼管樁變形，故樁身彎矩減小，錨索錨桿與微型鋼管樁聯(lián)合支護(hù)能夠明顯提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力。

3.2 第二階開挖時(shí)樁身彎矩分析

隨著基坑持續(xù)開挖，對第一階的試驗(yàn)樁進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，得到試驗(yàn)樁第二階開挖時(shí)彎矩隨深度變化曲線如圖4所示。對比圖3第一階開挖時(shí)的樁身彎矩圖可知，隨著開挖深度的逐漸增大、基坑暴露時(shí)間越長，樁身正彎矩呈不斷增大的趨勢，樁身負(fù)彎矩極值略微減小。在巖石地層區(qū)段，彎矩的增大現(xiàn)象更為明顯。第一階開挖時(shí)樁身8.6～12 m彎矩均較小，在第二階開挖過程中，此范圍內(nèi)的彎矩最大正、負(fù)彎矩分別達(dá)7.01、-10.33 kN·m。說明樁身嵌巖段逐漸發(fā)揮作用，樁身受力特性改善[17]。樁身7.55 m處為試驗(yàn)樁正彎矩最大位置處，處于巖石底層，且較第一階開挖時(shí)彎矩增長幅度最為顯著，2019年5月6日監(jiān)測時(shí)彎矩達(dá)到最大值17.98 kN·m。樁頂位置仍存在負(fù)彎矩，其值在-4.72～-10 kN·m，分析認(rèn)為：冠梁與龍門吊基礎(chǔ)具有較強(qiáng)的抗彎剛度，其與雙排微型鋼管樁樁頂連接起約束作用；說明樁頂冠梁、微型鋼管樁、預(yù)應(yīng)力錨桿、鋼腰梁分段控制邊坡內(nèi)力及變形，微型樁與錨桿構(gòu)成拉錨式支護(hù)擋土結(jié)構(gòu)，使得每一區(qū)段的受力存在一定差異[18]。

圖4 第二階開挖時(shí)的樁身彎矩Fig.4 Bending moment of pile during the second excavation

由圖4可知，樁身彎矩曲線離散性較弱，具有多處反彎點(diǎn)，樁身受力特征未發(fā)生明顯變化，彎矩值整體上大于第一階開挖時(shí)的彎矩值，且與第一階開挖時(shí)相比，最大負(fù)彎矩由5.4 m下移至9.7 m位置，特別是第三階微型鋼管樁沉樁完畢時(shí)，A9-A9′截面應(yīng)變片測得彎矩?cái)?shù)值-10.33 kN·m，較A5-A5′應(yīng)變片處-8.41 kN·m高出18.95%。第二階微型鋼管樁施工時(shí)MS1～MS5已全部張拉鎖定，使得錨索位置處彎矩較小，說明錨索預(yù)應(yīng)力的施加，能有效約束微型鋼管樁的變形。

3.3 第三階開挖時(shí)樁身彎矩分析

第三階開挖時(shí)的樁身彎矩圖如圖5所示。由圖5可知，第三階微型鋼管樁沉樁完畢后，樁身彎矩整體超大幅度增加，隨著基坑的繼續(xù)開挖，試驗(yàn)樁樁頂處彎矩增幅較大，樁身負(fù)彎矩較第二階開挖時(shí)的增幅達(dá)1倍。樁身上部1/3范圍內(nèi)的土層受力狀態(tài)由臨土側(cè)受拉變?yōu)楸惩羵?cè)受拉，3.25 m處的正彎矩波峰較第一階開挖時(shí)最大增加18.26 kN·m，較第二階開挖時(shí)增加12.99 kN·m，后經(jīng)反彎點(diǎn)在土巖結(jié)合分界處出現(xiàn)較大負(fù)、正彎矩轉(zhuǎn)折，負(fù)彎矩極值較第二階增大50%～66.67%，正彎矩極值增長幅度為16.80%。說明基坑開挖超過26 m時(shí)，土巖結(jié)合薄弱層即4.13～6.15 m土層范圍的樁身受力及變形增大；樁身下部1/3位置屬于典型的巖石地層，出現(xiàn)較大正負(fù)彎矩波峰，與巖石地層處的微型鋼管樁受力較小或不受力的結(jié)論不符。

圖5 第三階開挖時(shí)的樁身彎矩Fig.5 Bending moment of pile during the third excavation

綜合分析從基坑開挖至結(jié)束時(shí)，樁身受力情況為：由樁頂出現(xiàn)負(fù)彎矩后經(jīng)零點(diǎn)增至正彎矩、中部正負(fù)彎矩轉(zhuǎn)折較為明顯，下部巖石地層由不受力狀態(tài)至出現(xiàn)較大正負(fù)彎矩波峰，后因錨索作用平衡樁身其他部位受力使之達(dá)到平衡。因第二階鎖腳腰梁的鎖定，使得樁身整體彎矩較第三階微型鋼管樁下樁時(shí)有所減小，當(dāng)基坑開挖至32.25 m時(shí)，樁身內(nèi)力明顯增大，尤其是土巖分界處，即距樁頂5.4 m處的負(fù)彎矩極值增幅達(dá)21.84%。說明在深基坑開挖過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性受地層性質(zhì)的影響。微型鋼管樁復(fù)合錨桿、錨索的超前支護(hù)結(jié)構(gòu)適用于在土巖結(jié)合地層的深基坑[19-20]。

3.4 土巖分界處樁身彎矩變化規(guī)律

在距試驗(yàn)樁樁頂5.4、7.55 m處為土巖分界面，其在整個(gè)施工過程中的彎矩變化曲線如圖6所示。由圖6(a)可知，在開挖初期，5.4 m處彎矩值隨開挖深度的增加而增加，但第二階開挖過程中彎矩值整體上呈遞減趨勢，表明樁身內(nèi)力逐漸向下傳遞，當(dāng)?shù)谌A開挖時(shí)，樁身彎矩增長迅速。由圖6(b)可知，7.55 m處的彎矩隨開挖深度的增加，整體上呈增長的趨勢，當(dāng)?shù)谌A開挖初期，彎矩增長迅速，最高達(dá)19 kN·m。

圖6 土巖分界處彎矩變化規(guī)律Fig.6 Bending moment variation law at soil-rock boundary

4 結(jié)論

(1)針對土巖結(jié)合地層的深基坑，采用多階雙排微型鋼管樁結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨索(錨桿)的聯(lián)合支護(hù)形式，微型鋼管樁作為擋土結(jié)構(gòu)，具有較大的抗彎剛度，錨索(錨桿)作為支撐體系，具有較好的支護(hù)效果。

(2)試驗(yàn)中應(yīng)變片全部存活，所用應(yīng)變片安裝方法能夠較好地滿足測試要求，對不同工況、不同位置處的鋼管樁應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行長期、穩(wěn)定的監(jiān)測。

(3)隨基坑開挖深度的增加，樁身彎矩整體增大，沿深度方向呈上大下小的“波鼓形”分布規(guī)律，且存在多處反彎點(diǎn)，最大正負(fù)彎矩極值發(fā)生在土巖分界處；整個(gè)支護(hù)體系的彎矩分布，符合常規(guī)的樁錨模式。

(4)錨索(錨桿)的鎖定，能夠有效減小樁身彎矩，對鋼管樁起約束作用，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；在開挖過程中，應(yīng)盡快進(jìn)行錨索(錨桿)的施工。