基坑支護斜直樁性狀及土壓力分布特性研究

程 依,劉思其

長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北 荊州 434023

0 引言

隨著我國工程建設(shè)的發(fā)展,地下空間得到了大規(guī)模的開發(fā),新型基坑支護型式不斷出現(xiàn)。近年來,傾斜樁作為新型支護結(jié)構(gòu)類型之一得到了廣泛應(yīng)用。傾斜支護樁是一種將傳統(tǒng)豎直樁進行小角度傾斜后應(yīng)用于基坑工程的新型自穩(wěn)支護方式[1]。部分學(xué)者[2-4]利用模型試驗結(jié)合有限元分析軟件對傾斜樁的受力性狀進行了研究,最終結(jié)果顯示出傾斜樁的擋土效果強于豎直樁。徐源 等[5]通過室內(nèi)模型試驗,對基坑模擬開挖過程中的樁頂水平位移、樁身彎矩以及樁后土體沉降進行監(jiān)測,指出了前排樁存在一個最優(yōu)傾斜角度。Meyerhof et al.[6]通過室內(nèi)模型試驗改變斜向荷載的傾斜角度,分析了斜樁在不同情況下的斜荷載承載力特性。

Zhang et al.[7]通過室內(nèi)試驗,探討了在橫向荷載下傾斜樁的承載力特性,并得出了在不同參數(shù)的砂土條件下,樁身不同傾斜角-樁身位移曲線。鄭剛 等[8]采用了大型模型試驗,對多種傾斜支護結(jié)構(gòu)進行了研究,得到了樁長相同的前提下,傾斜樁組合支護結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力更小,極限開挖深度更大的結(jié)論。鄭剛 等[9]在現(xiàn)場載荷試驗的基礎(chǔ)上對不同垂直度的傾斜樁進行了研究,指明一定傾斜角度下樁的承載力不會下降。

目前,針對基坑傾斜樁性狀的研究成果,在研究內(nèi)容方面,較多集中在承載力、樁身變形及內(nèi)力變化等類型;在研究手段方面,大多采用了室內(nèi)模型實驗的方法來進行基坑的模擬開挖,而關(guān)于傾斜樁支護結(jié)構(gòu)的計算模型、設(shè)計方法等尚不完善,對傾斜支護樁受力變形機理有必要進行進一步研究。本文采用室內(nèi)模型試驗的方法對基坑開挖過程中傾斜樁的性狀及土壓力變化規(guī)律進行研究。

1 模型試驗概況

此次試驗在1.2 m×1.2 m×0.8 m(長×寬×高)的模型箱中進行,模型箱側(cè)壁選用1 cm厚的亞克力玻璃板承受側(cè)向土壓力,模型箱外圍采用鋁合金管材進行焊接固定。模型土采用普通細砂,已有研究表明[10]:樁徑(D)大于砂土特征粒徑40～50倍可忽略縮尺效應(yīng)。模型土的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模型土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

模型樁采用PVC管,彈性模量為3.375 9 GPa,樁長70 cm,外徑40 mm,內(nèi)徑38 mm。通過控制試驗變量傾斜角度以及布樁的方式,建立了如表2所示的4種工況。

表2 室內(nèi)試驗工況

在試驗開始前,采用白色尼龍線在模型箱每隔5 cm的位置進行標(biāo)記,然后將模型土均勻填至支護樁底部位置,將拼接好的支護樁與冠梁整體放入模型箱,對其相應(yīng)的高度位置進行校對,確保樁的軸線保持在豎直方向。將砂土從相同高度填入模型箱,整平后靜置至少24 h以確保土體變形達到穩(wěn)定。穩(wěn)定后布置位移百分表,其中沉降觀測點為3個(距離冠梁中心位置分別為10、20、30 cm);冠梁頂部側(cè)向位移觀測點為1個(位于冠梁中心位置80 cm),如圖1所示。

圖1 安裝位移百分表

在開挖前讀取應(yīng)變儀相關(guān)初始數(shù)據(jù),選取基坑一半進行室內(nèi)模型試驗開挖,開挖面尺寸為1.2 m×0.4 m,呈矩形,每次開挖5 cm,總計開挖8次,每次開挖完成后靜置15 min,待應(yīng)變讀數(shù)以及百分表讀數(shù)穩(wěn)定后讀取位移數(shù)據(jù),繼續(xù)依次開挖直至基底40 cm位置,每開挖1次,記錄樁后土體沉降及冠梁水平位移,試驗全程記錄應(yīng)變、應(yīng)力等數(shù)據(jù)。

2 模型試驗結(jié)果與分析

2.1 冠梁側(cè)向位移變化

通過將10°、15°、20°樁身傾角的斜直交替樁基坑分層進行開挖直至基底,利用位移百分表分別記錄冠梁側(cè)向位移數(shù)據(jù)并整理3種工況下的結(jié)果,如圖2所示。

圖2 不同斜直樁冠梁水平位移隨基坑開挖深度變化曲線

由圖2可知,在相同開挖深度條件下,隨著樁身傾角的增大,斜直交替樁冠梁側(cè)向位移逐漸減小,隨著開挖深度的增大,側(cè)向位移變化速率不斷加快。其斜直交替10°、15°、20°在基坑開挖至40 cm時,冠梁側(cè)向位移結(jié)果分別為2.26 mm、1.66 mm、1.38 mm。相較于直樁側(cè)向位移結(jié)果,其位移分別減小了75.40%、81.93%、92.67%,斜直樁型式的冠梁側(cè)向位移大幅度減小,支護結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)向變形能力更強,對基坑開挖的支護效果尤為明顯。

2.2 樁后地表土體沉降變化

相同挖深條件下,距離支護結(jié)構(gòu)越遠,地表沉降越小,基坑具有較明顯的沉降范圍。不同樁身傾角的斜直支護結(jié)構(gòu)與直樁在挖深40 cm的地表沉降結(jié)果,如圖3所示。

圖3 挖深40 cm不同傾角斜直樁土體沉降

由圖3可知,直樁的最大沉降位移為9.14 mm;斜直樁10°、15°、20°的最大沉降位移分別為1.41 mm、1.01 mm及0.6 mm,與直樁對比,沉降位移分別減小了84.57%、88.94%及93.43%。斜直樁支護結(jié)構(gòu)大大地減小了地表的沉降值,樁身傾角越大效果愈加明顯。

2.3 樁身彎矩變化

直樁與斜樁在相同傾角條件下其樁身彎矩分布模式皆有明顯的反彎現(xiàn)象,且支護結(jié)構(gòu)有明顯的“自撐效應(yīng)”,隨傾角的增大反彎現(xiàn)象愈加顯著。斜直樁支護結(jié)構(gòu)在挖深至40 cm時直樁與斜樁彎矩對比,如圖4所示。

圖4 挖深40 cm不同傾角的斜直樁彎矩對比

由圖4可知,以斜直樁支護結(jié)構(gòu)10°為基準(zhǔn),傾角為15°和20°的直樁彎矩減小了20.54%和31.50%,斜樁彎矩減小了17.39%和24.64%,表明隨著支護結(jié)構(gòu)傾角增大,支護結(jié)構(gòu)彎矩整體呈現(xiàn)減小的趨勢。與直樁對比,斜直樁支護結(jié)構(gòu)本身安全性大大提高,在基坑開挖過程中具有更好的支護效果。

2.4 支護結(jié)構(gòu)土壓力變化

隨著基坑的分層開挖,得到了支護結(jié)構(gòu)上土壓力變化規(guī)律,如圖5所示。

圖5 直樁土壓力隨基坑開挖深度變化曲線

由圖5可知,隨著基坑的逐步開挖,基坑主動區(qū)土壓力逐漸減小;而支護結(jié)構(gòu)開挖側(cè)被動區(qū)的土壓力逐漸增大,隨挖深加大直至40 cm,靠近樁底附近監(jiān)測點土壓力明顯減小,土壓力曲線出現(xiàn)“回移”現(xiàn)象。隨著挖深的加大使被動區(qū)土壓力最大點位置下移,且以位于兩土壓力盒間某點位置為旋轉(zhuǎn)點,使樁體發(fā)生輕微旋轉(zhuǎn),樁底向主動區(qū)偏移,試驗監(jiān)測樁底被動區(qū)土壓力值減小,主動區(qū)該點土壓力減小幅度降低,出現(xiàn)增大趨勢。

3 結(jié)論

通過開展在不同開挖深度條件下直樁、斜直樁2種支護結(jié)構(gòu)類型的室內(nèi)試驗,從支護樁冠梁位移、地表土體沉降、樁身彎矩、土壓力等方面得出如下結(jié)論。

1)在相同開挖深度條件下,隨著斜直樁支護結(jié)構(gòu)的樁身傾角增大,冠梁位移由大到小依次為:直樁大于斜直10°大于斜直15°樁大于斜直20°樁,減小幅度最大相差53.86%。

2)控制地表土體沉降方面,斜直支護結(jié)構(gòu)類型優(yōu)于直樁支護結(jié)構(gòu),兩者最大相差48.25%,且隨著樁身傾角的增大,斜直樁限制樁后地表土體豎向位移的效果越明顯。

3)隨著基坑開挖深度加大,2種支護結(jié)構(gòu)類型的樁身彎矩逐漸增大,在相同開挖深度條件下最大正、負彎矩絕對值滿足以下條件:斜直樁10°大于斜直樁15°大于斜直樁20°。

4)在基坑開挖的過程中支護結(jié)構(gòu)主動區(qū)域的土壓力逐漸減小,被動區(qū)的土壓力逐漸增大;同時由于挖深的加大,支護結(jié)構(gòu)樁底位置附近存在“回移”現(xiàn)象,使主動區(qū)域土壓力減小的趨勢減緩,被動區(qū)域樁底附近土壓力則明顯減小。