擋墻平動(dòng)模式下鄰近長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基基坑土壓力試驗(yàn)研究*

郭院成 谷少闖 魏艷卿 李明宇

(1.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院， 鄭州 450001； 2.洛陽(yáng)理工學(xué)院土木工程系, 河南洛陽(yáng) 471000)

隨著城市建筑密度的增加，建設(shè)用地逐漸減少，不可避免會(huì)出現(xiàn)在緊鄰既有建筑一側(cè)開挖基坑的情況。在基坑工程設(shè)計(jì)時(shí)，需慎重考慮由復(fù)合地基傳遞的附加荷載以及基坑開挖土體位移場(chǎng)的變化對(duì)鄰近基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力的影響[1]。

目前在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力的研究中，形成了以薄層分析法為主的多種土壓力計(jì)算分析方法[2-6]；不少學(xué)者對(duì)鄰近建筑與基坑之間的有限土體進(jìn)行了研究[7-11]，分析重點(diǎn)主要集中在有限土體內(nèi)部滑裂面的發(fā)展規(guī)律，但未對(duì)有限土體的荷載傳遞特性進(jìn)行深入探討；也有學(xué)者對(duì)既有建筑不同基礎(chǔ)形式對(duì)鄰近基坑土壓力的影響進(jìn)行了研究[12-14]；但目前暫未見針對(duì)鄰近長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基的基坑土壓力進(jìn)行的系統(tǒng)研究報(bào)道。

基于此，設(shè)計(jì)了鄰近天然地基和長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基兩種工況下?lián)鯄ζ絼?dòng)試驗(yàn)，研究擋墻土壓力的分布特征及其在擋墻平動(dòng)條件下的變化規(guī)律，最后對(duì)鄰近長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基開挖基坑時(shí)支擋結(jié)構(gòu)上的土壓力提出簡(jiǎn)化計(jì)算的方法。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型試驗(yàn)內(nèi)容

長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基通常是指由剛性長(zhǎng)樁和柔性或散體材料樁共同組成的地基。如圖1所示工況，為鄰近長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基旁開挖的深基坑。據(jù)此分別設(shè)計(jì)了天然地基和長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基擋墻平動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)在模型箱中進(jìn)行，通過(guò)在模型箱土體中布置模型樁來(lái)模擬長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基。通過(guò)監(jiān)測(cè)不同位移條件下的擋墻土壓力、樁間土壓力、樁頂應(yīng)力來(lái)分析長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基對(duì)鄰近基坑擋墻上土壓力的影響。

圖1 既有建筑與鄰近基坑工況Fig.1 A deep foundation excavation adjacent to an existing building

1.2 模型試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞膬?nèi)部填土長(zhǎng)×高×寬尺寸為1.6 m×2.7 m×1.6 m，如圖2、圖3所示。活動(dòng)擋墻高為2 m，通過(guò)四排絲桿與外部鋼框架相連，活動(dòng)擋墻的移動(dòng)可通過(guò)控制絲桿來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備Fig.2 The testing apparatus

圖3 模型箱后側(cè)活動(dòng)擋墻Fig.3 The movable retaining structure at the back of the modle box

1.3 模型試驗(yàn)土體

試驗(yàn)用砂土含水率為0.13%，密度為1.611 t/m3，由級(jí)配試驗(yàn)[15](圖4)確定試驗(yàn)填土為細(xì)砂。褥墊層材料選用級(jí)配良好的粗砂，褥墊層厚度取60 mm。

圖4 砂土顆粒分配曲線Fig.4 The grading curve of sand

1.4 模型樁材料

剛性長(zhǎng)樁采用鋁管材料制作，樁徑為100 mm，樁長(zhǎng)為2.1 m，彈性模量為13.68 GPa，鋁管外側(cè)采用滾花處理。柔性短樁采用聚氨酯橡膠材料制作，樁徑為120 mm，樁長(zhǎng)為1 m，樁體彈性模量為60.35 MPa，樁體外側(cè)用膠水粘砂處理。

1.5 模型樁及傳感器布置

試驗(yàn)加載板平面長(zhǎng)×寬尺寸為0.8 m×0.8 m，加載板邊緣距活動(dòng)擋墻0.2 m，褥墊層長(zhǎng)×寬×厚尺寸為0.8 m×0.8 m×0.06 m。在活動(dòng)擋墻側(cè)壁沿中線從上到下每隔200 mm布置一土壓力盒，用以監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中的擋墻土壓力。另外在加載板及活動(dòng)擋墻上均對(duì)稱布置4只位移計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加載板的沉降量及剛性活動(dòng)擋墻位移量。以上傳感器的布置及實(shí)物見圖5、6。

圖5 復(fù)合地基樁體及傳感器布置 mmFig.5 Arrangements for the piles in composite foundation and sensors

圖6 加載板、位移計(jì)、千斤頂?shù)炔贾肍ig.6 Arrangements of the loading plate, displacement gauges and jacks

1.6 試驗(yàn)過(guò)程

在模型箱中分層填入土體至樁端高度，然后放入樁體并用水平尺保證樁體的豎直度，而后填入土體至樁頂面高度，最后布置樁間土壓力盒、加載板、位移計(jì)和千斤頂?shù)仍O(shè)備。試驗(yàn)所需上部超載由液壓千斤頂提供。對(duì)于天然地基，當(dāng)加載板沉降量為荷載板邊長(zhǎng)的0.01時(shí)停止加載[16]。對(duì)于長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基，將樁間土應(yīng)力與天然地基最終加載量相等時(shí)的加載量定為長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基試驗(yàn)的最終加載量。當(dāng)?shù)鼗虞d量達(dá)到最終加載量后，在保持上部荷載不變的同時(shí)，進(jìn)行剛性活動(dòng)擋墻平動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)中活動(dòng)擋墻高為2 m，而由楊斌的研究[17]可知“當(dāng)擋墻向外的平動(dòng)量達(dá)到0.5%H(H為活動(dòng)擋墻高度)后，墻后土體達(dá)到主動(dòng)極限狀態(tài)”，因此，試驗(yàn)擋墻平動(dòng)分為10級(jí)，每級(jí)擋墻的平動(dòng)量為1 mm，當(dāng)擋墻平動(dòng)量達(dá)到10 mm后試驗(yàn)結(jié)束。

2 試驗(yàn)研究

2.1 復(fù)合地基傳力性狀

長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基在上部荷載保持不變的情況下，擋墻平動(dòng)位移導(dǎo)致荷載分擔(dān)比的變化如圖7所示。可知：長(zhǎng)樁及短樁的荷載分擔(dān)比均隨著擋墻平移量的增大而增大，樁間土的荷載分擔(dān)比則隨著擋墻平移量的增大而減小。當(dāng)平移量達(dá)到10 mm時(shí)，長(zhǎng)樁的荷載分擔(dān)比相對(duì)擋墻靜止時(shí)增加了18.5%，短樁增加了7.1%，樁間土的荷載分擔(dān)比減小了25.6%。

長(zhǎng)樁； 短樁； 樁間土。圖7 擋墻平動(dòng)模式下長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基荷載分擔(dān)比曲線Fig.7 Curves for load-sharing ratios of the composite foundation during the translation of retaining structures

2.2 擋墻土壓力沿深度分布特征

圖8為不同平動(dòng)位移情況下?lián)鯄ι贤翂毫ρ厣疃鹊姆植记€?？芍簱鯄ι贤翂毫S著擋墻平動(dòng)量的增大而減小，在短樁樁端下部，復(fù)合地基傳遞至擋墻的附加土壓力要大于其他深度，這主要是短樁樁端附加應(yīng)力的作用效果。

0 mm; 1 mm; 2 mm; 3 mm; 4 mm; 5 mm; 6 mm; 7 mm; 8 mm; 9 mm; 10 mm。圖8 擋墻平動(dòng)模式下鄰近長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基基坑擋墻上土壓力分布曲線Fig.8 The lateral earth pressure behind retaining structures adjacent to the composite foundation with long-short piles in different translational displacement

擋墻未發(fā)生位移時(shí)，擋墻上土壓力沿深度方向的兩個(gè)極值點(diǎn)分別在0.4，1.2 m深度處，當(dāng)擋墻平移量達(dá)到10 mm時(shí)，擋墻上部土壓力極值點(diǎn)的位置下移到了0.6 m深度，擋墻下部土壓力極值點(diǎn)的位置下移到了1.2 m深度處。

2.3 與鄰近天然地基擋墻土壓力對(duì)比

從圖9可以看出：靜止條件下距地面深度0.8 m及以上深度范圍內(nèi)，鄰近長(zhǎng)短樁復(fù)合地基擋墻附加土壓力與鄰近天然地基擋墻附加土壓力大致相等。

天然地基-擋墻(無(wú)位移)； 復(fù)合地基-擋墻(無(wú)位移)； 天然地基-擋墻(平移10 mm); 復(fù)合地基-擋墻(平移10 mm)。圖9 擋墻平動(dòng)模式下鄰近天然地基和復(fù)合地基擋墻上土壓力對(duì)比曲線Fig.9 Comparisons of the lateral earth pressure behind retaining structures in natural foundation and adjacent to composite foundation in different translation displacement

隨著平動(dòng)量的增大，擋墻在0.8 m以上深度范圍內(nèi)復(fù)合地基產(chǎn)生的擋墻附加土壓力顯著減小，這主要是樁間土的荷載分擔(dān)比減小以及樁體的遮擋效應(yīng)的影響。在距地面0.8 m及以下深度區(qū)域，特別是在1.2 m深度處，鄰近長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基擋墻上的土壓力要遠(yuǎn)大于天然地基擋墻上的土壓力，這主要是短樁樁端應(yīng)力的作用效應(yīng)。

3 鄰近長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基擋墻土壓力計(jì)算

3.1 附加荷載等效模型

長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基承擔(dān)的基底豎向附加荷載q可分為三部分：

q=qs+qp1+qp2

(1)

式中：qs為樁間土分擔(dān)的附加應(yīng)力；qp1為短樁分擔(dān)的等效附加應(yīng)力；qp2為長(zhǎng)樁分擔(dān)的等效附加應(yīng)力。

qp1、qp2對(duì)擋墻主要通過(guò)樁側(cè)阻力和樁端應(yīng)力形式產(chǎn)生土壓力。

由于樁側(cè)阻力產(chǎn)生的土壓力計(jì)算較為復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算，采用等效增大樁間土頂面附加應(yīng)力，而將樁體分擔(dān)的等效附加應(yīng)力作用在樁底端進(jìn)行受力計(jì)算，如圖10所示，其中ζqs作用在地表；qp1作用在距地表l1(l1為短樁樁長(zhǎng))深度；qp2作用在距地表l2(l2為長(zhǎng)樁樁長(zhǎng))深度處。

圖10 長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基附加荷載作用等效模型Fig.10 The equivalent model of composite foundation with long-short piles subjected to additional laods

當(dāng)工程中無(wú)長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基荷載分擔(dān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，各深度等效荷載取值如下：

ζqs=1.2fak

(2a)

(2b)

(2c)

式中：fak為天然地基承載力特征值；m1、m2分別為短樁和長(zhǎng)樁的面積置換率；Ra1、Ra2分別為短樁和長(zhǎng)樁的單樁豎向抗壓承載力特征值；Ap1、Ap2分別為短樁和長(zhǎng)樁的單樁截面積。

3.2 水平土壓力計(jì)算

由于長(zhǎng)樁樁端常位于基坑底面以下，在計(jì)算鄰近長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基基坑土壓力時(shí)可不考慮qp2對(duì)鄰近擋墻土壓力的影響。qs和qp1傳遞至鄰近擋墻的附加應(yīng)力可按圖11所示荷載擴(kuò)散模型進(jìn)行計(jì)算。

圖11 附加荷載作用下?lián)鯄ν翂毫τ?jì)算模型Fig.11 The calculation model of the lateral earth pressure behind the retaining structure

由ζqs擴(kuò)散至擋墻的豎向附加應(yīng)力Δσk1可由式(3)計(jì)算：

(3)

Δσk1的作用深度范圍為a至3a+b。

由qp1擴(kuò)散至擋墻的豎向附加應(yīng)力Δσk2可由式(4)計(jì)算：

(4)

Δσk2的作用深度范圍為l1+a至l1+3a+b。

3.3 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

將按上述計(jì)算模型得出的結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，從圖12可以看出：擋墻土壓力的計(jì)算值與試驗(yàn)值變化趨勢(shì)基本一致，利用計(jì)算式預(yù)測(cè)的土壓力結(jié)果可滿足工程需要。

試驗(yàn)值； 計(jì)算值。圖12 擋墻主動(dòng)土壓力試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.12 Comparisons of active earth pressure between the experimental results and the calculated ones

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)鄰近長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基擋墻土壓力分布特征及其隨擋墻平動(dòng)的變化規(guī)律進(jìn)行研究，得出結(jié)論如下：

1)在擋墻靜止及擋墻平動(dòng)模式下，鄰近長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基擋墻附加土壓力在短樁樁端附近深度出現(xiàn)極大值，計(jì)算鄰近長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基擋墻附加土壓力時(shí)需考慮短樁樁端附加應(yīng)力的影響。

2)當(dāng)維持上部荷載不變且擋墻發(fā)生平動(dòng)位移時(shí)，短樁加固深度范圍內(nèi)，鄰近長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基擋墻土壓力小于天然地基，而在短樁樁端以下部分，鄰近長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基擋墻土壓力則要顯著大于相應(yīng)位置處由天然地基產(chǎn)生的擋墻土壓力。

3)鄰近長(zhǎng)-短樁復(fù)合地基條件下的基坑土壓力可近似按樁間土附加應(yīng)力、短樁附加應(yīng)力和長(zhǎng)樁附加應(yīng)力分別產(chǎn)生的基坑土壓力的代數(shù)和來(lái)計(jì)算。