基于樁周土加固效應(yīng)的雙排樁承載性狀模型試驗研究

王祥秋　廖鎮(zhèn)源　鄭土永　朱道立

摘 要：雙排樁在復(fù)雜環(huán)境條件深基坑工程中具有廣泛的應(yīng)用前景，針對雙排樁復(fù)雜的承載性狀與力學(xué)性態(tài)，基于相似材料模型試驗原理，構(gòu)建深基坑工程雙排樁室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ?，對樁間土、樁側(cè)被動區(qū)、樁端土體以及未加固等4種工況下雙排樁的承載特性進行分析研究。研究表明：當(dāng)采取樁間土加固措施時，前排樁最大正、負(fù)彎矩相對于未采取加固措施時分別降低了32.4%和38.5%，后排樁樁身最大正、負(fù)彎矩分別降低了76.8%和55.4%，而樁頂水平位移降低約57.5%，加固效果十分顯著。樁間土、樁側(cè)被動區(qū)以及樁端土加固均可有效提高雙排樁的承載性能，但以樁間土加固效果為最好，主要原因是樁間土加固可顯著提高樁間土的變形模量，增強樁土復(fù)合承載體截面整體抗彎剛度，從而提高雙排樁的承載能力。

關(guān)鍵詞：雙排樁;模型試驗;加固效應(yīng);樁土復(fù)合承載體

中圖分類號：TU94? ?文獻標(biāo)志碼：A ??文章編號：2096-6717（2021）02-0019-07

Abstract： In view of the wide application of double row piles under complex surrounding environment and the complex mechanical behavior of double row piles， based on the principle of similar material model test， a laboratory test model for double row piles of deep foundation pit was built. The bearing characteristics of double-row piles under four kinds of? working conditions， including inter-pile soil， passive zone at pile side， soil at pile end and un-reinforcement， were analyzed and studied. The results show that the maximum positive and negative bending moments of front row piles are 32.4% and 38.5% lower than those without reinforcement measures， while the maximum positive and negative bending moments of back row piles are 76.8% and 55.4% lower respectively， while the horizontal displacement of top piles is 57.5% lower. The bearing capacity of double-row piles can be effectively improved by soil reinforcement between piles， passive zone at pile side and soil reinforcement at pile end， but the effect of soil reinforcement between piles is the most significant. The main reason is that soil reinforcement between piles can significantly improve the deformation modulus of soil between piles， thereby enhancing the overall flexural rigidity of the cross-section of pile-soil composite bearing body，? then improving the bearing capacity of double-row piles.

Keywords：double-row piles; model test; strengthened effect; bearing body of pile-soil composite

在城市建筑密集區(qū)，因受周邊環(huán)境條件以及用地紅線等因素影響，雙排樁已越來越廣泛地應(yīng)用于城市深基坑支護工程。但由于雙排樁受力機制（特別樁土間相互作用機理）十分復(fù)雜，目前，關(guān)于雙排樁的設(shè)計理論尚不夠成熟。為此，學(xué)者們針對深基坑雙排樁支護體系做了大量的研究工作。其中，具有代表性的主要有：理論研究方面，Xiao等[1]、黃憑等[2]通過提出一假想剪切滑裂面，采用體積比例法和“m”法求解雙排樁上的土壓力，并由此建立樁體的撓曲微分方程對雙排樁的內(nèi)力與變形進行分析計算。Zhao等[3]通過數(shù)值模擬研究無連梁懸臂式雙排支護樁在開挖過程中的受力特性。Huang[4]通過建立門式雙排樁力學(xué)性態(tài)微分方程，基于高精度龍格庫塔有限差分法提出一種計算雙排樁內(nèi)力和位移的新方法。楊光華等[5]針對傳統(tǒng)雙排樁土壓力計算模式未能充分考慮樁和土之間相互作用的不足，提出一種改正的雙排樁土壓力計算模式。王俊杰等[6]提出了可同時考慮地基抗力和樁承臺協(xié)調(diào)作用的設(shè)計計算方法，推導(dǎo)了樁基和承臺內(nèi)力與變形的計算公式。曹凈等[7]通過引入等效桁架模型， 將前、后排樁樁間土等效為平面桁架結(jié)構(gòu)， 進而提出一種基坑雙排樁支護結(jié)構(gòu)的改進計算模型。李松等[8]提出一種考慮前排樁抗壓、后排樁抗拔力偶和地下水浮力對雙排樁抗傾覆安全系數(shù)影響的改進計算方法。試驗研究方面，Yu等[9]、Shen等[10]、彭文祥等[11]通過室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ脱芯苛穗p排樁排距、行距和開挖深度等參數(shù)對雙排樁內(nèi)力及變形的影響。Buslov等[12]基于框架結(jié)構(gòu)柔性樁以及組合剛架假設(shè)，通過對雙排樁路基支護結(jié)構(gòu)土壓力測試成果，研究了雙排樁支護結(jié)構(gòu)中后排樁的承載特性。范剛等[13]利用大型振動臺進行雙排抗滑樁加預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡的模型試驗，研究在地震動作用下預(yù)應(yīng)力錨索雙排樁的破壞機理與承載特性。鄭軒等[14]通過地層和雙排樁支護結(jié)構(gòu)的相似材料模型，模擬基坑開挖過程，探究雙排樁的變形規(guī)律，并建立數(shù)值模型對試驗結(jié)果進行驗證。目前，關(guān)于雙排樁支護結(jié)構(gòu)的研究大都基于雙排樁的排距、樁間距以及樁長等不同設(shè)計參數(shù)對其受力特性的影響，針對樁周土體加固效應(yīng)對雙排樁支護結(jié)構(gòu)受力特性影響的研究尚鮮見報道。筆者基于模型試驗原理[15]，通過室內(nèi)試驗，重點研究樁間土以及樁側(cè)土體加固效應(yīng)對雙排樁支護結(jié)構(gòu)受力特性及變形規(guī)律的影響，從而為深基坑工程雙排樁設(shè)計與施工提供理論與試驗參考。

1 雙排樁模型試驗

1.1 模型試驗設(shè)計

雙排樁室內(nèi)模型試驗基于相似模型試驗理論進行設(shè)計，研究對象原型為開挖深度為7 m的粉細(xì)砂地層深基坑工程。為了研究樁間土、樁側(cè)土加固以及樁底土層性質(zhì)對雙排樁支護特性的影響，試驗過程中保持雙排樁的設(shè)計參數(shù)不變，只改變樁間土以及樁周土的力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)試驗?zāi)Ｐ拖涞某叽缂把芯恐攸c，確定模型試驗的幾何相似比為CL=1∶10，容重相似比為Cγ=1∶1。土層選用級配良好的粉細(xì)砂原型料，樁間以及樁側(cè)加固土體則采用石膏、水泥以及細(xì)砂混合料，其中，石膏和水泥的摻入比分別為10%和5%，配合比為水∶石膏∶水泥∶細(xì)砂=1∶1∶0.5∶7.5。雙排樁底部加固土體采用M2.5水泥砂漿進行模擬。模型試驗材料參數(shù)如表1所示。

雙排樁模型參數(shù)為前后排模型樁均采用PVC管樁，直徑75 mm（壁厚2.3 mm），樁長1 300 mm，排距225 mm，樁間距150 mm，樁頂設(shè)置長×寬×厚度為970 mm×300 mm×7 mm的有機玻璃板，蓋板與樁頂采用ERGEO5800強力膠粘接。為防止開挖過程中砂土從前排樁樁間流出，在前排樁后側(cè)設(shè)置一道泡沫擋土板，試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計參數(shù)如圖1所示。

根據(jù)深基坑工程設(shè)計與施工經(jīng)驗，共設(shè)計了4種試驗?zāi)Ｐ?，以模擬樁間土、樁端土以及被動區(qū)土體加固效應(yīng)對雙排樁承載特性的影響。其中：樁間土加固深度為1 300 mm，樁底加固厚度為500 mm（模擬強風(fēng)化巖層），被動區(qū)加固深度和寬度分別為500、300 mm。試驗?zāi)Ｐ途唧w參數(shù)如表2所示。

1.2 試驗裝置及開挖工況

由于深基坑工程雙排樁支護結(jié)構(gòu)在樁側(cè)土壓力作用下主要產(chǎn)生彎曲效應(yīng)，故在前后排樁樁身兩側(cè)對稱粘貼應(yīng)變片（應(yīng)變片型號為BE120-5AA（11），阻值120.0 Ω，靈敏系數(shù)2.11，格柵長5 mm，寬2.8 mm）。應(yīng)變片具體布設(shè)方式如圖2所示。試驗過程中采用東華D3650應(yīng)變采集系統(tǒng)采集不同試驗?zāi)Ｐ驮诟鞣植介_挖工況下前后排樁的樁身彎曲應(yīng)變，雙排樁樁頂水平位移則利用數(shù)顯百分表進行測量。

雙排樁試驗?zāi)Ｐ驮陂L×寬×高=4.0 m×1.0 m×2.0 m的巖土試驗箱體內(nèi)制作，砂土及加固土采用同步分層填埋與壓實，每次填埋壓實厚度為150 mm，填埋至設(shè)計標(biāo)高后，利用混凝土立方體試塊施加5 kPa超載（按模型幾何相似比，相當(dāng)于實際超載50 kPa）進行堆載預(yù)壓3 d?；娱_挖深度700 mm，共分7個開挖步，每一開挖步的平均開挖深度為100 mm。開挖過程中，為了減少開挖對土層及模型樁的擾動，采用抹泥刀分層剝離開挖。每一開挖步完畢后，待模型樁變形達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時，采集樁身應(yīng)變及樁頂水平位移。雙排樁模型試驗過程如圖3所示。

2 模型試驗結(jié)果及分析

2.1 樁身彎曲效應(yīng)分析

基坑開挖到底時各加固工況條件下雙排樁前、后排樁身彎矩量測值如表3所示。

為了分析研究不同加固工況對雙排樁樁身彎矩的影響，由試驗數(shù)據(jù)繪制前后排樁彎矩變化趨勢圖，如圖4所示。

由圖4可知，不同加固工況條件下，雙排樁前、后排樁的樁身彎矩值及其變化趨勢存在顯著差異，呈現(xiàn)出截然不同的加固效果。當(dāng)采用樁間土加固、樁側(cè)被動區(qū)加固以及樁底加固等單一加固措施時，前排樁樁身最大正彎矩分別為72.103、91.60、98.311 N·m，與未采取加固措施時前排樁樁身最大正彎矩106.715 N·m相比，分別下降了32.4%、14.1%和7.8%;前排樁樁身最大負(fù)彎矩分別為88.53、157.666、122.365 N·m，與未采取加固措施時前排樁樁身最大負(fù)彎矩143.945 N·m相比，分別下降了38.5%、-9.5%和15.0%;后排樁樁身最大正彎矩分別為7.261、14.709、14.666 N·m，與未采取加固措施時后排樁樁身最大正彎矩31.401 N·m相比，分別下降了76.8%、53.2%和53.1%;后排樁樁身最大負(fù)彎矩分別為40.325、98.369、86.624N·m，與未采取加固措施時后排樁樁身最大負(fù)彎矩90.458 N·m相比，分別下降了55.4%、-8.7%和4.3%。由此可見，當(dāng)采用單一加固措施時，以樁間土加固效果最顯著，前、后排樁的彎矩值相較于未采取加固措施時顯著降低;樁底加固效果次之;樁側(cè)被動區(qū)加固對降低前后排樁樁身彎矩值效果最不明顯。實際工程中，可將攪拌樁或高壓旋噴樁止水帷幕設(shè)置于前后排樁之間，對樁間土進行加固處理，可有效提高雙排樁承載能力。

2.2 樁頂水平位移特性分析

由試驗結(jié)果可見，基坑開挖到底時，各加固工況條件下雙排樁樁頂水平位移量測值如表4所示，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制樁頂水平位移的變化規(guī)律如圖5所示。

由圖5可知，不同加固工況條件下，雙排樁樁頂水平位移隨開挖深度呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，即隨開挖深度的增大而不斷增加，但雙排樁樁頂水平位移最大值存在顯著差異，表現(xiàn)出截然不同的加固效果。當(dāng)采用樁間土加固、樁側(cè)被動區(qū)加固以及樁底加固等單一加固措施時，雙排樁樁頂水平位移最大值分別為2.62、3.75、4.47 mm，相較于未采取加固措施時分別減少了57.5%、39.2%和27.6%，表明對雙排樁樁間土體、樁側(cè)被動區(qū)土體以及樁底土體進行加固或者將樁底嵌入強度較高的巖土層時，均可有效控制雙排樁水平位移，但以樁間土加固對控制雙排樁變形效果最好。

2.3 開挖深度對雙排樁內(nèi)力影響分析

不同加固條件下雙排樁前后排樁樁身彎矩隨基坑開挖過程的變化趨勢如圖6所示。由圖6可知，樁底加固與樁側(cè)被動區(qū)加固兩種工況條件下，前、后排樁樁身彎矩隨開挖深度呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，且樁身正、負(fù)彎矩值基本相等。而樁間土加固條件下前、后排樁樁身彎矩隨開挖深度表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，且樁身正、負(fù)彎矩值與樁底加固和樁側(cè)被動區(qū)加固兩種工況相比均有大幅度降低，降低幅度約為30%，這可能與樁間土在基坑開挖以及圍護樁變形過程中受到前、后排樁共同約束，并與前、后排樁組成共同承載體有關(guān)。當(dāng)對樁間土進行加固處理之后，其變形模量顯著提高，由此增強了樁土復(fù)合體的截面抗彎剛度，從而改變了樁土復(fù)合體的承載特性，使前、后排樁樁身內(nèi)力呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。實際工程中，可充分利用樁間土共同作用的力學(xué)特性，優(yōu)化深基坑工程雙排樁設(shè)計參數(shù)與施工工況。

與此同時，不同加固條件下，雙排樁前、后排樁樁身彎矩值隨基坑開挖工況（即開挖深度變化）呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。如圖6中（a-1）、（b-1）、（c-1）所示，前排樁樁身最大正、負(fù)彎矩值均隨基坑開挖深度增大而不斷增大。但樁身最大正彎矩值的位置則隨著基坑開挖深度的增加逐步向基坑開挖面移動;而樁身最大負(fù)彎矩值均位于基坑開挖面以下，其位置均隨著基坑開挖深度的增大逐步向樁底移動。而后排樁樁身彎矩則與前排樁表現(xiàn)出截然不同的變化規(guī)律，如圖6中（a-2）、（b-2）、（c-2）所示，不同加固條件下，后排樁樁身彎矩均表現(xiàn)為負(fù)彎矩值，且在地表處樁身彎矩幾乎為零，隨著基坑開挖深度不斷增加，樁身負(fù)彎矩值逐步增大，并在基坑開挖面附近達(dá)到最大值，而在基坑開挖面以下，樁身負(fù)彎矩值逐步減小，并在樁底處達(dá)到最小值。

2.4 樁間土壓力變化特性分析

為了研究雙排樁與樁間土相互作用特性，在前排樁與樁間土之間埋設(shè)了應(yīng)變式土壓力盒，3個土壓力盒分別位于基坑表面0.25、0.45、0.65 m處（3個測點均位于基坑底面以上），在未加固與樁間土加固兩種典型工況條件下，前排樁與樁間土接觸界面土壓力基坑開挖深度關(guān)系曲線（如圖7所示）。

由圖7可知，未加固與樁間土加固兩種工況下，前排樁與樁間土接觸界面土壓力呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，即隨著開挖深度不斷增大，樁土界面土壓力不斷減少，且在樁頂部位土壓力降低的幅度最大。這可能因為雙排樁類似于剛架結(jié)構(gòu)，當(dāng)雙排樁向基坑內(nèi)發(fā)生位移時，前排樁與樁間土之間存在脫離的趨勢，從而導(dǎo)致樁土間接觸界面壓力降低。但后排樁與樁間土之間由于雙排樁存在向基坑內(nèi)的水平位移所產(chǎn)生的擠壓效應(yīng)，導(dǎo)致樁土界面土壓力增大。與此同時，由圖7可知，當(dāng)基坑開挖深度少于0.3 m時（第3開挖步之前），土壓力降低的幅度較少，而當(dāng)開挖深度超過0.4 m時（即開挖工況4之后），土壓力降低幅度增大，這可能與雙排樁位移增大，前排樁與樁間土之間脫離趨勢加劇有關(guān)。

3 結(jié)論

1）雙排樁樁間土加固、樁側(cè)被動區(qū)加固以及樁端土層加固（或者置于良好巖土地層）均可有效降低前、后排樁樁身最大正、負(fù)彎矩值。若采用單一加固措施，以樁間土加固效果優(yōu)于樁側(cè)被動區(qū)以及樁端土層加固。實際工程可將止水帷幕設(shè)置于樁間土內(nèi)，以提高深基坑工程綜合效益。

2）對深基坑雙排樁支護結(jié)構(gòu)的樁間土進行加固時，可顯著提高樁間土的變形模量，由此增強樁土復(fù)合體截面的整體抗彎剛度，從而提高樁土復(fù)合體的承載能力，并使前、后排樁樁身內(nèi)力呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。實際工程中，可充分利用樁間土共同作用的力學(xué)特性，優(yōu)化深基坑工程雙排樁設(shè)計參數(shù)與施工工況。

3）對雙排樁支護結(jié)構(gòu)深基坑工程樁間土體、樁側(cè)被動區(qū)土體以及樁底土層進行加固或者將樁底嵌入強度較高的巖土層時，均可有效控制雙排樁水平位移，并以樁間土加固對控制雙排樁支護結(jié)構(gòu)變形效果最好，在城市建構(gòu)筑物與地下管線密集區(qū)域以及對基坑變形有嚴(yán)格要求的復(fù)雜環(huán)境條件下，可充分利用樁間土加固措施有效控制基坑變形。

參考文獻：

[1] XIAO S G， ZENG J X， YAN Y P. A rational layout of double-row stabilizing piles for large-scale landslide control [J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment， 2017， 76（1）： 309-321.

[2] 黃憑， 莫海鴻， 陳俊生. 雙排樁支護結(jié)構(gòu)撓曲理論分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2009， 28（Sup2）： 3870-3875.

HUANG P， MO H H， CHEN J S. Theoretical analysis of double-row piles retaining structure deflection [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2009， 28（Sup2）： 3870-3875. （in Chinese）

[3] ZHAO X B， YE J B. Analysis of cantilever double-row piles in deep foundation pit based on FLAC3D [J]. Electronic Journal of Geotechnical Engineering， 2014， 19（D）： 845-853.

[4] HUANG C. Boundary value problem for analysis of portal double-row stabilizing piles [J]. Journal of Applied Mathematics， 2013， 2013： 1-10.

[5] 楊光華， 黃忠銘， 姜燕， 等. 深基坑支護雙排樁計算模型的改進[J]. 巖土力學(xué)， 2016， 37（Sup2）： 1-15.

YANG G H， HUANG Z M， JIANG Y， et al. Improvement of calculation model of double-row piles for supporting deep excavation [J]. Rock and Soil Mechanics， 2016， 37（Sup2）： 1-15. （in Chinese）

[6] 王俊杰， 楊恒. 雙排樁-承臺-擋墻組合結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法[J].地下空間與工程學(xué)報， 2017， 13（2）： 442-452.

WANG J J， YANG H. Design and calculation method of double row piles-platform-wall composite structure [J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2017， 13（2）： 442-452. （in Chinese）

[7] 曹凈， 錢國偉， 楊澤帥， 等. 基于等效桁架模型的基坑雙排樁結(jié)構(gòu)計算模型研究[J]. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報， 2018， 38（6）： 943-949.

CAO J， QIAN G W， YANG Z S， et al. Study on calculation model of double-row piles retaining wall based on equivalent truss model [J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering， 2018， 38（6）： 943-949. （in Chinese）

[8] 李松， 馬鄖， 張德樂， 等. 雙排樁支護結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性改進計算與分析[J]. 長江科學(xué)院院報， 2018， 35（6）： 92-97， 106.

LI S， MA Y， ZHANG D L， et al. Stability against overturning of supporting structure with double-row piles： Improved calculation and analysis [J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute， 2018， 35（6）： 92-97， 106. （in Chinese）

[9] YU F， XIE Z B， DUAN N， et al. Performance of double-row piles retaining excavation beneath existing underground space [J]. International Journal of Physical Modelling in Geotechnics， 2019， 19（4）： 167-180.

[10] SHEN Y J， WU Z J， XIANG Z L. Physical test study on double-row long-short composite anti-sliding piles [J]. Geomechanics and Engineering， 2017， 13（4）： 621-640.

[11] 彭文祥， 劉彬. 深基坑雙排樁支護排距室內(nèi)模型試驗研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2018， 45（1）： 121-127.

PENG W X， LIU B. Indoor model test study on row spacing of double-row piles supporting deep excavation pit [J]. Journal of Hunan University （Natural Sciences）， 2018， 45（1）： 121-127. （in Chinese）

[12] BUSLOV A， MARGOLIN V. The interaction of piles in double-row pile retaining walls in the stabilization of the subgrade[J]. Advances in Intelligent Systems and Computing， 2018， 692： 769-775.

[13] 范剛， 張建經(jīng)， 付曉， 等. 雙排樁加預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡錨索軸力地震響應(yīng)特性研究[J]. 巖土工程學(xué)報， 2016， 38（6）： 1095-1103.

FAN G， ZHANG J J， FU X， et al. Axial force of anchor cables in slope reinforced by double-row anti-slide piles and pre-stressed anchor cables [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2016， 38（6）： 1095-1103. （in Chinese）

[14] 鄭軒， 朱文秀， 周一君. 雙排樁支護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律模型試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)， 2018， 48（Sup1）： 763-767.

ZHENG X， ZHU W X， ZHOU Y J. Model tests study on deformation mechanism of double-row-piles wall [J]. Building Structure， 2018， 48（Sup1）： 763-767. （in Chinese）

[15] 張強勇. 地下工程模型試驗新方法、新技術(shù)及工程應(yīng)用[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2012.

ZHANG Q Y. New method， new technology and engineering application of underground engineering model test [M]. Beijing： Science Press， 2012.

（編輯 胡玲）