深基坑土巖界面微型鋼管樁受力特性試驗研究

白曉宇,蘇 杭,張鵬飛,韓健勇,張 立

(1. 青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,山東 青島 266520; 2. 中建八局第二建設(shè)有限公司,山東 濟(jì)南 250014; 3. 山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250102)

0 引 言

微型鋼管樁作為一種支護(hù)結(jié)構(gòu),具有承載力高、布置靈活、抵抗變形能力強(qiáng)和造價低等特點,與預(yù)應(yīng)力錨桿(索)組成樁錨支護(hù)體系已廣泛應(yīng)用于基坑工程[1-3]。隨著高層建筑、軌道交通的快速發(fā)展及地下立體空間的高效利用,各種復(fù)雜地質(zhì)條件下基坑工程的樁錨支護(hù)體系面臨不斷出現(xiàn)的新的挑戰(zhàn)。因此,深入探究深基坑微型鋼管樁的受力變形及樁側(cè)土壓力分布具有重要意義。

學(xué)者們對基坑工程中樁錨體系的工作機(jī)理進(jìn)行了大量研究,取得了極具價值的成果。伊?xí)詵|等[4]基于三維有限元數(shù)值模擬對某二元基坑支護(hù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)樁身水平位移最大值出現(xiàn)在土巖分界面處;白曉宇等[5]探討了土巖深基坑樁-撐-錨組合支護(hù)體系變形特性,認(rèn)為土層及強(qiáng)風(fēng)化巖層較高的壓縮性是造成樁身上部水平位移較大的主要原因;趙鵬飛等[6]基于現(xiàn)場實測值與理論計算值的分析,得出雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移出現(xiàn)在樁頂且隨埋深增加變形逐漸減小至零的結(jié)論;YANG Shujuan等[7]采用原位測試技術(shù)對微型鋼管樁內(nèi)力變化及承載力進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)微型鋼管樁沿深度方向上部彎矩較大而下部彎矩較小,且采用樁錨體系設(shè)計計算微型鋼管樁是合理的;冉啟仁等[8]基于模型試驗,獲得微型鋼管樁樁身位移及彎矩的監(jiān)測數(shù)據(jù),得出樁身彎矩極值受基坑開挖面增大而上移的結(jié)論;TAN Yong等[9-10]結(jié)合上海地鐵車站深基坑實時監(jiān)測數(shù)據(jù),對基坑工程的時空效應(yīng)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)影響基坑邊坡土壓力大小的主要因素是基坑開挖、支撐和底板澆筑速度;聶慶科等[11]通過對冠梁位移、土體深層位移及支護(hù)樁身鋼筋應(yīng)力等監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,證明冠梁剛度、樁身變形以及空間效應(yīng)是影響土壓力大小的重要因素;壽凌超等[12]分析了不同埋深下土壓力隨基坑開挖深度的變化規(guī)律,認(rèn)為巖面以上土壓力與巖面以下土壓力對基坑開挖動態(tài)響應(yīng)敏感程度不同;ZHANG Qian等[13]對鄰近樁基的地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為展開研究,得到研究結(jié)論:土與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間摩擦力對土壓力分布及變化規(guī)律有較大影響,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形會抑制周圍土壓力的釋放;楊薇薇[14]基于數(shù)值模擬,分析了不同土體參數(shù)、樁徑以及周邊堆載對土壓力的影響,得出樁后土壓力隨基坑開挖呈近似三角形分布的結(jié)論。

目前,相關(guān)研究主要集中于微型鋼管樁身內(nèi)力及樁側(cè)土壓力沿深度方向分布特征的分析,針對不同埋深處土壓力隨開挖深度的演化規(guī)律少有系統(tǒng)的研究;另外,土巖分界面作為巖土層受力的薄弱點,其上側(cè)土層與下側(cè)巖層的物理力學(xué)性質(zhì)相差較大,有必要研究土巖分界面樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征。筆者依托青島地鐵某車站基坑工程,對內(nèi)排微型鋼管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)開展原位試驗,分析微型鋼管樁土巖界面處土壓力與彎矩隨基坑開挖的變化規(guī)律,探討微型鋼管樁土巖界面的受力機(jī)理及土壓力與彎矩之間的關(guān)系。研究結(jié)果可作為超深基坑開挖支護(hù)施工設(shè)計的參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

試驗場地位于青島市鞍山路與山東路交叉口西北角。場區(qū)為典型的上土下巖地層,上部土層主要為第四系填土,下部基巖主要為中生代燕山晚期深成相全晶質(zhì)粗?；◢弾r。表1為場區(qū)各巖土層的平均層厚d、重度γ、內(nèi)摩擦角φ及內(nèi)聚力c。

表1 各巖土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of each rock and soil layer

1.2 基坑支護(hù)方案

車站場地采用雙排微型鋼管樁復(fù)合錨桿(索)支護(hù)體系,微型鋼管樁規(guī)格為直徑168 mm,壁厚8 mm的無縫鋼管,土石方開挖工程分為3階,邊開挖邊支護(hù)。第1階采用雙排微型鋼管樁支護(hù),樁長L1=12.3 m,第2、3階采用單排樁支護(hù),樁長L2=11.8 m、L3=16.6 m,相領(lǐng)兩階的微型鋼管樁搭接處設(shè)置錯臺;每一階分別布置5道支護(hù)錨桿(索)。支護(hù)錨桿(索)參數(shù)見表2,電阻式應(yīng)變片與土壓力盒布置示意見圖1,傳感器及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)布置見圖2。

表2 支護(hù)錨桿(索)設(shè)計參數(shù)Table 2 Support anchor (cable) design parameters

圖1 電阻式應(yīng)變片與土壓力盒布置示意(單位:)mFig. 1 Layout of resistance-type strain gauge and earth pressure box

圖2 傳感器及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)布置(單位:m)Fig. 2 Layout of sensors and foundation pit enclosure structure

2 試驗方案

2.1 試驗步驟

1)選定第1階編號為1 # 的內(nèi)排微型鋼管樁作為研究對象,進(jìn)行內(nèi)力測試。確定22個(左右對稱布置)電阻式應(yīng)變片及迎土面11個土壓力盒安裝位置,開孔截面中心距樁頂分別為1.10、2.15、3.25、4.30、5.40、6.45、7.55、8.60、9.70、10.75、11.55 m,即每處開孔位于臨近預(yù)應(yīng)力錨索索孔位置或兩處索孔中點位置。

2)在微型鋼管樁表面開設(shè)傳感器安裝孔。

3)安裝電阻式應(yīng)變片與土壓力盒,其中,土壓力盒位于電阻式應(yīng)變片下方約5 cm處,并焊接金屬保護(hù)外殼。

4)將信號傳輸線從傳感器安裝孔穿入測試樁內(nèi)部并從樁頂位置引出。

5)確定微型鋼管樁的沉樁位置。

6)連接動態(tài)應(yīng)變采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,直至基坑挖至設(shè)計標(biāo)高。

2.2 基坑開挖工況

試驗場地分3階開挖,開挖歷時約9個月。具體基坑開挖工況如圖3。

由圖3可見:試驗場地在第1階開挖基本可以做到邊開挖邊支護(hù)的基坑開挖程序;進(jìn)入第2階開挖時,開挖速度明顯加快;進(jìn)入第3階開挖時,一直到開挖至坑底,僅進(jìn)行一道全長黏結(jié)錨桿的支護(hù)。

3 土巖分界面附近樁側(cè)土壓力分析

選取距樁頂5.40、6.45及7.55 m處分別作為土層、土巖分界面及巖層的測試位置,測試基坑三階開挖過程中樁側(cè)土壓力σ及樁身彎矩W,得到樁側(cè)土壓力分布圖(圖4),樁身彎矩隨開挖深度變化的分布圖(圖5)。圖中彎矩“+”“-”分別表示逆時針彎矩與順時針彎矩。

圖4 土層中、土巖分界面、巖層中土壓力變化Fig. 4 Change of soil pressure in soil layer, at soil-rock interface and in rock stratum

圖5 土層中、土巖分界面、巖層中樁身彎矩值變化Fig. 5 Change of bending moment of pile body in soil layer, at soil-rock interface and in rock stratum

3.1 樁側(cè)土壓力隨開挖深度分布

由圖4可以看出:

1)土層中(距樁頂5.40 m處),開挖初期(h< 2.35 m),樁側(cè)土壓力較小,σ≈5 kPa;當(dāng)開挖深度接近5.40 m時,樁側(cè)土壓力急劇上升,σ=5.35→17.66 kPa;開挖至5.40 m以下,樁側(cè)土壓力急速降低,在第2階開挖過程中土壓力在2.55～7.78 kPa范圍內(nèi)波動;當(dāng)h> 21.00 m時,土層中樁側(cè)土壓力呈增大趨勢,曲線近似直線上升,σ從2.75 kPa增至23.72 kPa。

2)土巖分界面(距樁頂6.45 m處),樁側(cè)土壓力曲線隨基坑開挖呈“波浪型”分布,大部分工況下,σ> 15.00 kPa,且上下波動幅度較大;進(jìn)入第2階開挖,曲線整體呈上升趨勢,當(dāng)h≈30.00 m時,σ=30.70 kPa。

3)巖層中(距樁頂7.55 m處)與土層中(距樁頂5.40 m處),樁側(cè)土壓力的變化趨勢相似:h=0～5.00 m時,巖層中土壓力隨開挖深度增加而持續(xù)降低;h=5.00～7.55 m時,土壓力σ由2.35 kPa迅速上升至12.84 kPa;h> 7.55 m后,樁側(cè)土壓力迅速降低;在第2階開挖前期,σ≤5.25 kPa,當(dāng)h> 16.65 m時,σ迅速增大,最高達(dá)14.35 kPa,總體上σ在7.85～12.84 kPa范圍內(nèi)穩(wěn)定波動;當(dāng)h> 28.00 m,σ增大,最終達(dá)到31.63 kPa。

4)土層中與巖層中樁側(cè)土壓力隨基坑開挖深度增大而變化的趨勢基本一致,樁側(cè)土壓力均呈現(xiàn)先減小后增大,再次減小再增大,隨后持續(xù)增大的變化趨勢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是:基坑開挖是基坑內(nèi)側(cè)土體的持續(xù)“卸載”過程,開挖初期,基坑坑壁土體孔隙水排出,孔壓下降,引起樁側(cè)土壓力降低;當(dāng)開挖至測點深度時,開挖對坑壁土層擾動較大,土方開挖對開挖面以下3 m范圍內(nèi)的土壓力影響顯著,此時土壓力迅速上升,這與文獻(xiàn)[15]的結(jié)論一致;當(dāng)開挖深度超過測點深度時,樁側(cè)土壓力迅速恢復(fù)到較低數(shù)值;當(dāng)開挖深度達(dá)到20 m左右時,由于基坑暴露時間較長,樁側(cè)土體產(chǎn)生蠕變和松弛,土體承載能力降低,樁側(cè)土壓力增大。此外,由于第3階的開挖速度較快,僅在開挖至25.50 m時進(jìn)行MG5鉆孔安裝,支護(hù)錨桿(索)并未充分發(fā)揮其限制土體變形與協(xié)調(diào)樁身受力的作用,因此,施工中應(yīng)協(xié)調(diào)開挖與支護(hù)的工程進(jìn)度,嚴(yán)格控制開挖速度。

5)當(dāng)h=19.10～25.50 m時,巖層中土壓力在7.85～12.84 kPa范圍內(nèi)波動,不同于土層中樁側(cè)土壓力,土層中樁側(cè)土壓力長時間維持在10.00 kPa以內(nèi)。分析原因是,基坑開挖至塊狀碎裂巖、微風(fēng)化花崗巖地層,上部微型鋼管樁受下部基坑開鑿振動影響,樁身局部受周圍土體的“擠壓力”增大,造成樁身局部樁側(cè)土壓力增大。

6)土巖分界面樁側(cè)土壓力隨基坑開挖深度總體呈“波狀遞增”變化趨勢,且變化幅度較大,這與彭社琴等[16]、DOU Hongqiang等[17]研究結(jié)論相同。一方面,受到施工進(jìn)度、土體沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)撓曲及施工機(jī)械布置等各種因素的綜合影響,樁側(cè)土壓力隨開挖深度的動態(tài)變化異常復(fù)雜,很難呈現(xiàn)出理想狀態(tài)下的變化趨勢,而土巖分界面強(qiáng)度最低,此處巖土體極易受到擾動而發(fā)生較大變形,使樁側(cè)土壓力長期處于較高值且呈現(xiàn)“波狀遞增”變化趨勢;另一方面,土巖分界面為粗砂、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶與強(qiáng)風(fēng)化煌斑巖過渡界面,由于粗砂的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的抗剪強(qiáng)度,在分界面會形成一個剪切變形高度集中的局部化區(qū)域,下方巖體為Ⅴ級,屬于巖土層受力的“薄弱點”,該開挖深度附近的工程地質(zhì)條件滿足滑裂面理論[18]及樁側(cè)土壓力理論[19],因此,在基坑開挖過程中應(yīng)重點關(guān)注該界面樁側(cè)土壓力的變化。

依據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》、JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》、GB 50497—2019《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》,將微型鋼管樁不同開挖深度處樁側(cè)土壓力實測值σm與設(shè)計值σd進(jìn)行對比,設(shè)計值采用靜止土壓力乘以基本組合效應(yīng)設(shè)計系數(shù),計算結(jié)果如表3。

表3 樁側(cè)土壓力實測值與設(shè)計值Table 3 Measured and designed values of soil pressure on pile side

由表3可見:土巖分界面樁側(cè)土壓力的實測值最接近設(shè)計值,已達(dá)到二級基坑監(jiān)測預(yù)警值。這進(jìn)一步證明土巖分界面是巖土層受力的薄弱點,在基坑開挖支護(hù)過程中須對該開挖深度巖土體進(jìn)行加固處理。

3.2 樁側(cè)土壓力與樁身彎矩關(guān)系

對比圖4、圖5可見:

1)基坑開挖過程中,土層中樁身彎矩W與樁側(cè)土壓力σ的變化趨勢基本一致。在開挖初期(h<2.35 m),W變化較小;當(dāng)h=2.35→5.40 m時,|W|=1.08→13.01 kN·m;當(dāng)h> 5.40 m時,W略有降低;當(dāng)h< 21.00 m時,W= 4.46～8.41 kN·m。在基坑進(jìn)入第3階開挖后,W呈直線上升,當(dāng)開挖至坑底時,W=24.77 kN·m。

2)在基坑開挖至21.40 m前,巖層中樁身彎矩與樁側(cè)土壓力的變化曲線軌跡大致相同,均呈現(xiàn)先減小后增大,再次減小后增大,隨后持續(xù)增大的趨勢;基坑開挖深度超過21.40 m后,樁身彎矩到達(dá)最大值21.61 kN·m;隨著開挖深度繼續(xù)增大,樁身彎矩值在8.36～17.35 kN·m范圍內(nèi)波動。

3)隨著基坑開挖深度的增大,土巖分界面|W|長期穩(wěn)定在較低數(shù)值,波動范圍為0～7.73 kN·m。

4)對比土層中與巖層中微型鋼管樁樁側(cè)土壓力與樁身彎矩值的變化趨勢,發(fā)現(xiàn)兩者雖然變化趨勢大致相同,相互存在調(diào)整關(guān)系,這與文獻(xiàn)[20]結(jié)論相吻合,但樁側(cè)土壓力變化幅度明顯比樁身彎矩值更“劇烈”。究其原因是:①作為一種支護(hù)結(jié)構(gòu),微型鋼管樁能夠通過自身變形來抵抗樁側(cè)土壓力,基坑開挖在一定深度范圍內(nèi),支護(hù)錨桿(索)的復(fù)合支護(hù)型式能夠有效協(xié)調(diào)樁身內(nèi)力并限制樁身產(chǎn)生較大的變形,進(jìn)而限制彎矩的增幅;②預(yù)應(yīng)力錨索使得臨近索孔的樁身彎矩值變小,因此在土巖分界面即MS3索孔附近樁身彎矩值較小,彎矩值變化趨勢與該深度處土壓力差異較大,彎矩值變化趨勢與楊忠平等[21]、SU Tiantao等[22]監(jiān)測結(jié)果相符;③試驗場地層7.55 m深度為強(qiáng)風(fēng)化煌斑巖地層,巖石承載能力及自身穩(wěn)定性優(yōu)于上覆巖土層,因而當(dāng)巖層中微型鋼管樁樁身彎矩值達(dá)到21.61 kN·m后,并未隨基坑開挖深度的繼續(xù)增加而增大。

5)基坑進(jìn)入第3階開挖后,主要采用爆破方法進(jìn)行掘進(jìn),且第3階基坑采用全長黏結(jié)型錨桿進(jìn)行支護(hù),承載力設(shè)計值較小,隨著基坑開挖深度持續(xù)增大,上部微型鋼管樁內(nèi)力及變形增大,土層中與巖層中樁身彎矩值均在基坑進(jìn)行第3階開挖時(開挖深度超過21.40 m后)出現(xiàn)最大值。

綜上,根據(jù)朗肯(Rankine)土壓力理論,樁側(cè)土壓力不僅與土層物理力學(xué)性質(zhì)及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性有關(guān),還與基坑開挖次序、基坑暴露時間以及施工工藝有關(guān),即土壓力受基坑開挖的時空效應(yīng)影響較大。

4 結(jié) 論

依托青島地鐵某基坑工程,在微型鋼管樁外壁對稱布置電阻式應(yīng)變片,并在樁身迎土面布置土壓力盒,開展了微型鋼管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場試驗,測試了距樁頂不同位置處樁側(cè)土壓力與樁身彎矩值,分析了土層中、土巖分界面及巖層中樁身彎矩與樁側(cè)土壓力的變化規(guī)律及相互關(guān)系。研究得到以下主要結(jié)論:

1)隨著基坑開挖深度的增加,土層中與巖層中樁側(cè)土壓力均呈先減小后增大,再次減小后再增大,隨后持續(xù)增大的變化趨勢?；娱_挖深度、暴露時間及施工工序?qū)ν翂毫τ绊戄^大,施工中應(yīng)協(xié)調(diào)開挖與支護(hù)的工程進(jìn)度,嚴(yán)格控制開挖速度。

2)土巖分界面樁側(cè)土壓力隨基坑開挖總體呈“波狀遞增”趨勢,該深度土壓力數(shù)值變化幅度較大,極易受到外界環(huán)境的影響。土巖分界面土壓力實測值與設(shè)計值的比值已達(dá)基坑監(jiān)測預(yù)警值,在基坑開挖過程及后續(xù)施工中應(yīng)重點關(guān)注該界面樁側(cè)土壓力的變化,必要時,可以采用上部為鉆孔灌注樁,下部為微型鋼管樁的鋼管嵌套樁支護(hù)型式,以減小支護(hù)結(jié)構(gòu)局部變形。

3)土層中與巖層中樁側(cè)土壓力與樁身彎矩變化趨勢大致相同,但樁身彎矩受支護(hù)錨桿(索)影響較大,基坑開挖在一定深度內(nèi),支護(hù)錨桿(索)能夠限制彎矩的增幅。

4)預(yù)應(yīng)力錨索可大幅度降低臨近索孔的樁身彎矩,使得土巖分界面樁身彎矩變化幅度遠(yuǎn)小于該位置土壓力變化幅度,從而抑制了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的撓曲變形。