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浅谈刚性桩复合地基与临近基坑支护结构相互影响的离心模型何庆峰

发表时间：2020/1/10 来源：《防护工程》2019年18期作者：何庆峰

[导读] 新建基坑支护结构必须保证原有复合地基和既有建筑的安全，既有建筑附加荷载通过复合地基对支护结构施加作用。

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　　摘要：目前缺乏复合地基与临近基坑支护结构相互影响的相关研究。为了研究复合地基及其支护结构受侧向开挖的影响，通过两组相同荷载相同支护结构、不同置换率的复合地基侧向开挖离心模型试验，分析了桩轴力及侧摩阻力、桩土应力比、桩间土竖向应力、桩弯矩和支护结构弯矩随开挖的变化规律，及其受置换率变化的影响。结果表明：桩轴力、桩土应力比、桩弯矩及支护结构弯矩随开挖递增，桩侧摩阻力及桩间土竖向应力受开挖影响较小，桩身上部摩阻力方向向下，桩身下部向上，支护结构弯矩最大值位置随开挖逐级下移；距基坑的距离决定桩弯矩的大小和变化形式，在距基坑较近处因桩土不均匀沉降明显，桩顶上刺入褥垫层，褥垫层对桩顶有水平约束，引起桩上部负弯矩；除置换率对桩间土竖向应力影响较小外，上述各项力学性状均因置换率的增大而减小，其中支护结构弯矩减小程度最大，表明复合地基置换率增大能够有效改善复合地基和支护结构受力性状，增强其侧向基坑开挖安全性。
　　关键词：桩基工程；置换率；开挖内力；离心模型试验；复合地基；支护结构
　　
　　
　　一、复合地基和既有建筑的安全支护结构
　　新建基坑支护结构必须保证原有复合地基和既有建筑的安全，既有建筑附加荷载通过复合地基对支护结构施加作用，相对于原状土，复合地基刚性桩对支护结构侧向受力有一定减缓效果。复合地基置换率是决定其竖向承载力的重要指标，影响上覆荷载在复合地基的传递及复合地基的应力场和位移场。目前缺乏既有复合地基受侧向开挖影响的有效研究，无法正确认识既有建筑附加荷载通过复合地基向下传递路径及与支护结构作用规律。众多学者更多关注复合地基竖向工作机制，通过有限元分析和室内模型或现场试验对复合地基桩–土相互作用进行研究，探讨受荷载作用时复合地基桩土应力比或及荷载分担比随刚性桩力学参数[4，6，8]、褥垫层厚度[4，7，9]和上覆荷载[5，10]的变化规律。利用静载荷试验，研究褥垫层对桩侧摩阻力、桩轴力和桩土应力比的影响，认为桩侧负摩阻力随褥垫层厚度增加而增大，桩土应力比与褥垫层厚度成反比。结合试验和有限元分析，研究面积置换率与复合地基内力和变形关系，认为适当提高面积置换率能显著减小地基变形且增大承载力。提出更为合理的刺入量计算方法。
　　临近基坑开挖会引起地基卸荷，造成地基变形，影响既有建筑物安全，正确认识开挖对相邻基础的影响是有效设计支护结构和保护原有地基安全的先决条件。基坑开挖与邻近复合地基相互影响的研究现仅局限于有限元分析，缺乏试验的有效验证，也没有形成可应用于工程实践的系统理论。通过有限元分析，认为同等条件下复合地基类基坑的最大水平位移值比天然地基类小20%左右.利用有限元软件分析土体侧移时CFG桩复合地基的桩体、桩间土的水平位移、应力分布规律，提出了考虑开挖深度、开挖距离时桩体位移的计算公式。
　　工程界因缺乏复合地基基坑开挖时基坑支护结构设计理论和方法的研究，在新建复合地基基坑支护结构设计时，设计人员一般忽略复合地基对支护结构受力和位移减缓的有利作用，保守地进行此类基坑工程设计，造成了大量的资源浪费。开展2组不同置换率、相同荷载的复合地基侧向开挖离心模型试验，克服传统室内模型试验尺寸条件的限制而再现原型应力状态，研究基坑开挖引起复合地基和支护结构内力变化规律，分析置换率对其内力特性的差异影响。李连祥等[18]研究复合地基模型制备、结构构件模拟、数采系统布置、坑边超载施加式等试验关键技术，并利用Plaxis3D模拟4组粉质黏土(复合)地基侧向开挖，预期试验结果。李连祥等
　　开发一种新型非停机开挖装置，并以此开挖装置进行一组原状砂土地基无载侧向开挖离心试验，验证开挖装置可行性。研究结果有助于掌握复合地基与基坑支护结构的相互作用机制，加快建立保证复合地基安全为目标的基坑支护设计理论和方法，提高此类基坑工程设计的经济性。
　　二、复合地基原型刚性桩模型试验概况
　　本文试验设计方案与步骤为基础。复合地基原型刚性桩采用长螺旋钻机成孔，管内泵压混合料成桩，强度等级C20，直径400mm，方形布桩，间距2000mm。基坑支护采用双排桩+背拉锚杆的支护形式，支护桩桩距1600mm，支护桩排距2100mm，设冠梁，前、后排桩相同，桩径600mm，桩长22m，为钢筋混凝土钻孔灌注桩。地基土材料采用标准砂，其力学参数如表1所示，以砂雨法制备，相对密实度85%，对应落距1.01m。采用铝合金板模拟基坑支护桩，铝管桩模拟刚性桩。考虑模型桩直径仅有10mm，制作不利，且应变片黏贴测试都不理想，综合考虑测试安装等，直径选为20mm。模型支护结构和桩的尺寸及桩中心距如表2所示。测量仪器包括轴力应变片和弯矩应变片，监测桩轴力和弯矩、支护结构弯矩。利用的加载方式和开挖装置，模拟整个加载及开挖过程。
　　
　　
　　离心模型试验相似比尺为1∶40，设计加速度为40g。模型试验以不同置换率分2组进行，其刚性模拟桩中心距分别为100和80mm。图1为建立的试验模型示意图。地基模型(相当原型)高度650mm(26m)，长度850mm(34m)，宽度400mm(16m)，褥垫层厚度10mm(0.4m)，支护结构高度550mm(22m)，开挖深度250mm(10m)，分三层，各层深度依次为60mm(2.4m)，80mm(3.2m)，110mm(4.4m)。试验工况分加载和开挖两部分。离心机转机加速度至40g，保持加速度不变，地基和数采稳定后开始加载，荷载目标值设定为180kPa，最后稳定180kPa荷载不变，分三层开挖基坑，每一级开挖后待数采稳定数分钟进行下一级开挖。
　　
　　
　　
　　三、模型试验结果及分析
　　2组试验除置换率即桩中心距不同外，其他条件均相同。为了更加直观地揭示离心模型试验所反映的原型状况，在数据处理中根据相似比，分别将模型中时间、长度和内力等换算为原型中相关指标，所有数据的采集与转机同步。
　　3.1桩轴力及侧摩阻力随开挖关系规律
　　桩轴力监测结果。桩轴力由桩侧摩阻力f和上覆附加荷载Fp决定，而侧摩阻力由桩、土间摩擦因数和深度决定。为桩身竖向荷载传递机制。定义土体对桩侧摩阻力方向向上为正值。桩侧摩阻力通过相邻轴力应变片检测结果推导得到，相邻2个监测点间作为一个桩段计算桩侧摩阻力，以每个计算桩段的平均桩侧摩阻力作为该桩段中点侧摩阻力值，如下：
　　
　　式中：f(hn+1)为深度hn+1处的桩侧摩阻力(kN/m)；Nn为深度hn处的轴力(kN)；hn为轴力监测点深度(m)，取正值。侧摩阻力结果。桩轴力随开挖递增，开挖深度越大，增大越明显，因为开挖引起复合地基侧移，土体卸荷，上覆附加荷载向桩转移，开挖深度越大，荷载转移比例也越大。桩轴力沿桩身先增大后减小，最大值位置在桩的下半部分，桩下部轴力减小速度大于上部轴力增大速度。土体受上覆附加荷载作用发生沉降，因砂土压缩性大，土体沉降沿深度方向逐渐减小，而桩刚度大，受上覆荷载作用沿深度几乎均匀沉降。二者沿深度的沉降差异造成上部土层沉降大于桩沉降，桩顶上刺入褥垫层，引起向下的摩阻力，下部土层沉降小于桩沉降，引起向上的摩阻力。从而桩轴力沿深度先增大后减小，下部土层自重应力大，产生较大的摩阻力，故桩下部轴力减小较快。
　　置换率增大后，各级开挖下桩轴力均有所减小，桩轴力最大值从1088.3kN减小到842.6kN，减小幅度为22.6%；其最大值位置上移，曲线变平缓。置换率增加，桩密度增大，单根桩所承担荷载变小，桩、土相对沉降减小，负摩阻力分布范围减小，摩阻力零点位置上移，由摩阻力零点位置决定的桩轴力最大值位置随之上移，故桩轴力减小，其最大值位置上移，轴力曲线变平缓。由图4可知，桩侧摩阻力受开挖变化不明显，说明开挖对桩竖向荷载传递影响较小。同级开挖下摩阻力上部为负下部为正，正摩阻力沿桩身增大速率快，正摩阻力最大值远大于负摩阻力最大值。置换率增大引起侧摩阻力零点位置上移，由桩深10m处上移2～8m处；正摩阻力最大值明显减小，从481.7kN/m减小到287.6kN/m，减小40.29%。摩阻力大小和零点位置由桩土相对沉降决定，桩土相对沉降大小决定摩阻力大小，相对沉降平衡位置决定零点位置。置换率增大引起桩土相对沉降趋缓，使桩土沉降更早达到平衡状态。
　　3.2桩土应力比随开挖关系规律
　　在某深度平面，桩土应力比计算公式由上覆荷载值、桩轴力监测结果和土体自重应力共同推导而得，如下式：
　　
　　式中：R(hn)为深度hn处的桩土应力比，pm为上覆荷载值(kPa)，pm=180kPa；Ap，As分别为桩和桩间土的承载面积(m2)；D为桩径(m)，D=0.8m；s为桩间距(m)，试验组1和2分别取s=4.0和3.2m；为土体重度，取=15.9kN/m3。计算结果如图2所示，桩土应力比沿深度缓慢增大后急剧减小，与桩轴力变化趋势大体一致。轴力在桩深11m处，而桩土应力比最大值位置在7m处，土体自重应力沿深度线性增大抵消了桩体中下部轴力增加的影响，引起桩土应力比最大值位置上移。桩土应力比随开挖增大，开挖深度越大其增加程度越大，同样与轴力变化趋势一致。开挖引起土体附加应力释放，上覆荷载转移至刚性桩，开挖越大，被转移的荷载比例越大，故第三级开挖引起桩土压力比变化更为明显。置换率增大后，相同条件下桩土应力比减小，最大值所在位置上移。复合地基整体性提高，开挖引起土体附加应力释放效应减弱，土体应力增大，且桩轴力变小，故桩土应力比减小。
　　
　　3.3桩间土竖向应力随开挖关系规律
　　桩间土竖向应力包括附加应力和土体自重应力两部分，可根据轴力监测结果由下式求得(计算结果如图4所示)：桩间土竖向应力随开挖变化不明显，略有减小，沿深度不断增大，下部土层竖向应力增大速度加快，因为此时桩轴力减小明显，且土体自重应力沿深度增加。如图4(b)所示，置换率增大后，浅层土竖向应力减小，深层土竖向应力增大，但变化程度较小，置换率变化对其影响小。3.4桩弯矩随开挖关系规律定义在弯矩测试断面，向坑内挠曲为正，图4为3根刚性桩弯矩随开挖变化规律。试验组1的1，2，3号桩距基坑分别为4，8，16m，试验组2分别为3.2，6.4，12.8m。基坑开挖引起各桩弯矩增大，开挖深度越大，桩距离基坑越近，其弯矩增大越明显。第一次开挖引起各桩弯矩均为正值且较小，第二、三次开挖1号桩出现负弯矩，2，3号桩弯矩为正值但因离基坑的距离变远弯矩变小。1号桩出现负弯矩是因为开挖过程中桩土沉降不均匀，刚性桩向上刺入褥垫层，桩顶受到褥垫层的水平约束作用，故出现负弯矩，当远离基坑时，土体沉降较小，桩顶上刺现象较小，未能引起负弯矩。
　　若不考虑桩顶上刺现象，复合地基的桩弯矩由桩间土竖向应力对桩的侧向作用，以及复合地基受开挖整体侧移引起土体对桩的挤压作用决定。考虑桩顶上刺现象，侧向开挖时刚性桩受力体系可简化为图8所示体系。桩顶和桩底可自由转动无弯矩，桩顶有受到约束的横向和竖向位移，简化为弹簧支座；桩底竖向位移同样受到一定约束，简化为弹簧支座；忽略桩底横向位移，简化为固定铰支座。图中，q1为复合地基发生侧移时桩间土对桩的挤压作用，沿深度逐渐减小，简化为线性减小；q2为桩间土竖向应力对桩的侧向作用，根据图6(c)可简化为线性增大；F为刚性桩上刺入褥垫层时桩顶受到褥垫层水平约束作用，简化为集中荷载。
　　置换率增大后，各桩距基坑距离减小，对于1号桩，离基坑距离由4m减小到3.2m，第三次开挖时负弯矩增大明显，从60.7kN·m增大到100.4kN·m，正弯矩略有减小，从122.7kN·m减小到115.2kN·m。说明因离基坑距离减小，此时桩上刺现象更明显，F的变化对桩上部弯矩起主导作用。对于2号桩，离支护结构距离由8m减小到6.4m，距基坑距离的增大对其弯矩影响较大，曲线呈波浪形变化，但均因离基坑距离较大而未出现负弯矩，这可能是因为距基坑距离的减小，还存在一定的桩上刺现象。对于3号桩，距支护结构的距离由16m减小到12.8m，此时F忽略不计。同级开挖下弯矩增大明显，分别由4.21，8.34，20.50kN·m变为2.44，14.16，45.80kN·m。桩弯矩变化主要由q1，q2决定，因距离减小，q1的变化起主导作用。上述变化表明，桩离基坑距离是影响其弯矩的一个重要因素，决定其弯矩变化形式。
　　
　　
　　
　　3.5支护结构弯矩随开挖关系
　　简化支护结构受力模型。板顶无任何约束，为自由端；在开挖面以下附近，支护结构受到未开挖土层的支撑作用，简化其为弹簧支座，刚度k1；板底嵌入砂土中，端部可自由转动，横向位移受到一定约束，简化为弹簧支座，刚度k2(k2＞k1，因为下层土体压缩模量大于表面土层)；支护结构未受竖向荷载，忽略板底竖向位移，简化为固定铰支座。整个支护结构为简支型受力结构。定义支护结构弯矩向基坑内的挠曲时为正，图5中弯矩是指支护结构单位长度上的弯矩，单位是kN·m/m。如图5所示，支护结构弯矩分布形式与受力模型假设一致，呈简支型。弯矩随开挖逐级增大，且最大值位置随开挖逐级下移。同级开挖下，弯矩先增大后减小，在支撑位置处达到最大值，未受开挖影响部分弯矩几乎为0。增大置换率后，同级开挖下支护结构弯矩有明显减小，弯矩最大值分别从78.4，246.4，566.6kN·m/m减小到33.5，122.3，242.2kN·m/m，各级均减小一半以上。复合地基随置换率增大整体稳定性能提高，受侧向开挖的整体性侧移减小，对支护结构侧向作用减小，故支护结构弯矩值减小，表明复合地基置换率增大能够改善支护结构受力性状，明显提高抗侧向开挖能力。
　　

　　图5支护结构弯矩变化规律
　　四、讨论与结论
　　本文通过2组不同置换率的复合地基侧向开挖离心模型试验，研究刚性桩复合地基与临近基坑支护结构相互影响，分析了桩轴力及侧摩阻力、桩土应力比、桩间土竖向应力、桩弯矩和支护结构弯矩随开挖的变化规律，及其受置换率变化的影响，讨论了受开挖影响的桩竖向和横向受力机制和支护结结构横向受力机制，得出如下结论：(1)桩轴力由桩侧摩阻力f和上覆附加荷载Fp决定，而侧摩阻力由桩土间摩擦因数和深度决定。开挖导致复合地基侧移，土体卸荷，荷载向桩转移，引起桩轴力增大，开挖深度越大，荷载转移越明显，桩轴力增加越明显。复合地基受上覆附加荷载作用发生沉降，因刚度差异，引起桩、土相对沉降，桩身上部产生向下的摩阻力，下部产生向上的摩阻力，桩轴力因而沿桩身先增大后减小，最大值位置在桩身下部。因下部土层自重应力大，产生较大的正摩阻力，桩轴力减小较快。(2)桩土应力比与桩轴力变化趋势大体一致，沿深度先增大后减小，增大速度小于减小速度。同样因为开挖土体卸荷及荷载转移，桩土应力比随开挖增大，开挖深度越大，增大程度越大。桩间土竖向应力随开挖变化不明显，略有减小，沿深度不断增大，因桩轴力减小明显和土体自重应力沿深度增加，下部土层竖向应力增大速度加快。
　　(3)桩弯矩由桩间土竖向应力对桩的侧向作用、复合地基受开挖整体侧移引起土体对桩的挤压作用和刚性桩上刺入褥垫层时桩顶受到的褥垫层水平约束作用决定。距基坑的距离决定桩弯矩的大小和变化形式，距离越近，开挖深度越大，桩弯矩越大。在距基坑较近处因桩、土不均匀沉降明显，桩顶上刺入褥垫层，褥垫层对桩顶有水平约束，引起桩上部负弯矩。支护结构弯矩呈简支型，随开挖逐级增大，且最大值位置逐级下移。
　　(4)除置换率对桩间土竖向应力影响较小外，其余各项力学性状均因置换率的增大而减小，其中支护结构弯矩减小程度最大，最大值减小57.25%，表明复合地基置换率增大能够有效改善复合地基和支护结构受力性状，增强其侧向基坑开挖安全性，提高复合地基基坑支护设计的经济性。离心模型试验存在边界效应、粒径效应和土体材料非线性等影响，使得试验结果与实际情况存在一定差异。试验中桩采用铝管模拟，其侧面较光滑，与砂土摩擦力小于实际混凝土桩与砂土的摩擦力。应变片外层涂1mm厚环氧树脂保护，对应于实际工程40mm涂层。环氧树脂涂层覆盖范围仅限于应变片及其附近，面积略大于应变片。一方面会增大铝管桩的摩擦因数，一定程度上抵消不利影响，另一方面会增大刚性桩的直径及承载力，影响各桩对上覆荷载的承担比例，进而桩轴力和弯矩，但鉴于有较大数量的桩(试验组1，2分别有24，40根桩)共同承担上覆荷载，上述影响很小。离心模型设计仅以工程实际原型为参考，并在基础上做了一定的简化，受限于试验条件，基坑开挖深度较深，未使用支撑，但工程实际中悬臂支护形式很常见，设计成悬臂板桩形式并没有脱离实际工程情况，试验模型和试验结果及分析能够为后续研究提供参考和借鉴。
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