地下开挖对既有桩基影响的模型试验研究

王 成 钱建固，* 陆 琦 李德超 吴世明

（1.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092；2.同济大学地下建筑与工程系，上海200092；3.杭州市城东新城建设投资有限公司，杭州310021；4.浙江浙大网新集团有限公司，杭州310007）

0 引 言

随着我国城市化建设的飞速发展，土地资源越来越紧缺，使得城市越来越多地利用地下空间，大量修建地铁、商场、地下室等地下构筑物。在进行地下开挖时，需要充分评估开挖过程对既有建筑物桩基承载特性的影响。如明挖地铁隧道穿过既有建筑的桩基础时，需要考虑明挖对既有桩基的承载特性的影响。当对既有建筑物进行地下室增层时，需要考虑增层开挖过程中既有桩基的承载力变化，从而考虑是否需要采用托换的方式。当基坑施工时，既有桩基承载特性随着开挖过程的进行而发生变化。这些工程问题中都涉及地下开挖过程对既有桩基的影响分析，当既有桩基处于开挖面内时，便涉及到开挖对坑内既有桩基的变形和应力影响。开挖会导致坑内土体应力释放，从而使得坑底土体产生回弹隆起变形，开挖影响区域的既有桩基将产生附加变形，最终可能影响既有桩乃至上部结构的安全［1］。

伍程杰等［2］针对既有高层建筑地下室增层，得到端阻力损失比随着开挖宽度、深度增大而增大的规律。苟尧泊［3］提出了增层开挖中预制桩残余应力计算模型。单华峰等［7］和伍程杰等［8］分析了不同开挖深度对桩极限侧摩阻力、极限端阻力影响，发现前者受开挖影响较大。然而，现有的关于地下开挖对既有桩基承载特性影响分析的研究主要集中于数值模拟［6-8］和理论解析计算［2-3，5-9］，缺少相关的现场实测数据支撑或者模型试验的验证。另一方面，桩顶约束条件和桩顶既有荷载是影响桩基承载特性的关键因素，开挖对不同桩顶约束条件和工作荷载下的桩基承载特性影响方面的研究较为欠缺。因此有必要针对地下开挖设计模型试验，探究既有桩基在开挖过程中承载特性变化情况。

本文通过大型室内模型试验，探究不同桩顶约束条件下地下开挖对坑内既有桩基的位移和轴力的影响规律，详细分析了地下开挖对坑内既有桩位移、轴力和上部结构的影响，相关研究对类似工程项目具有指导性意义。

1 桩基模型试验

1.1 试验模型与安装

本次试验模型主要由三部分组成：结构板、桩、加载辅助结构，均为铝合金材料。模型试验槽的槽底及槽壁采用钢筋混凝土结构，（净）几何尺寸为3 000 mm（长）×2 100 mm（宽）×3 000 mm（深），壁厚300 mm。模型箱整体，如图1（a）所示。

图1 模型箱Fig.1 Model box

模型桩为空心铝管，直径40 mm，管壁厚2 mm，桩长为1 070 mm，入土深度为800 mm，分布9 根桩；结构板为铝材，尺寸为1 320 mm×1 020 mm×40 mm。试验模型材料的弹性模量为70 GPa。试验地基土采用粉砂制作，粉砂的平均含水率为6.2%，平均密度为1.37 g/cm3，相对密实度Dr为0.2，压缩模量（Es1-2）平均值为4.5 MPa。

模型结构板正面为整块钢板，在桩的设计位置预留了桩孔，并在正面安装了5 个承载结构定位器；板的背面有方形空心钢管，以模拟梁结构。每根桩身表面均进行了横纹切屑处理，以得到相对较大的桩侧摩阻力。加载辅助装置通过下部的5 个定位板将加载轴力分散到模型结构板上，达到对结构施加近似均布力的效果。本试验主要观测开挖面以内桩的位移及应变情况，需对结构中间部位桩粘贴应变片。模型装配完成后得到完整的桩板结构，如图2 所示。再将装配好的结构埋入1 300 mm×1 300 mm×800 mm的基坑，连接应变采集仪及位移计，如图3所示。

图2 完整桩板结构Fig.2 Full pile-board structure

1.2 加载与测量设备

图3 模型安装Fig.3 Model installation

软土物理模型试验系统（图1（b））采用两台德国进口EDC220 控制器，可进行多种方式的加载。量测装置集成于试验系统中，通过力传感器和位移传感器同步量测力和位移数据。具体技术参数见表1。应变采集仪采用江苏联能电子技术公司生产的YE2539 高速静态应变仪。应变片采用浙江黄岩传感器厂生产的BHF-120-2AA型应变片，栅长×栅宽2 mm×1 mm，电阻值（120±2）Ω，灵敏系数为（2.06±1）%。光电抽角编码器2个（用于采集结构位移）。

表1 软土物理模型试验系统参数Table 1 Parameters of soft soil physical model test system

1.3 试验过程

试验首先将制作好的铝合金模型结构埋入模型槽中，然后在结构下部进行地下的开挖，开挖区域贯穿结构中间一排共3 根桩。通过读取正中间一根桩的桩身应变及桩顶位移，得出开挖诱导的桩身轴力与桩顶位移。模型试验方案示意图，如图4所示。

图4 模型试验示意图Fig.4 Schematic diagram of model test

本试验分五种工况进行：①结构板不受荷载情况下进行土体开挖；②结构板受1 kN 情况下进行土体开挖；③结构板受2 kN 情况下进行土体开挖；④结构板受3 kN 情况下进行土体开挖；⑤单桩且桩顶不受力情况下进行土体开挖。由于模拟结构与桩的铝合金材料重量较小，为模拟实际工程中结构荷载需在板上加载。进行不同水平的加载其目的是模拟开挖前托换桩的不同受力状态，而桩顶自由是模拟传统基坑开挖中预埋的工程桩。5 种工况开挖深度均为200 mm，即为入土桩长的1/4，开挖区域两边分别距中间一排桩300 mm，以此研究开挖过程中桩身位移及桩身轴力。

具体过程为：①结构板上荷载加载到预设值；②进行地下开挖；③记录开挖过程中桩身位移及桩身轴力。

2 桩基模型试验结果分析

2.1 开挖过程桩顶位移

本次试验分为五种工况，即结构所受荷载分别为0 kN、1 kN、2 kN、3 kN 及单桩桩顶自由且不受初始荷载5 种情况，结构在开挖前后的桩顶位移见图5。

图5 开挖前后桩顶位移Fig.5 Displacement of pile top before and after excavation

由图5可以看出，当结构受力为小于1 kN时，土体开挖会造成桩顶回弹，即桩顶产生向上的位移；当结构受力大于1 kN 时，土体开挖会造成桩顶向下的位移，并且随着结构受力的增加，桩顶位移也随之增加。

为了更直观地对比开挖后各工况下桩顶位移变化量，将开挖后桩顶位移变化量绘成图6。

图6 开挖后桩顶位移变化值Fig.6 Displacement variation of pile top before and after excavation

由图6 可以看出，当桩顶自由时，地下开挖后，桩顶回弹量为0.075 mm；当桩顶受结构约束且结构受初始荷载为零时，地下开挖后，桩顶回弹量0.055 mm。可见，桩顶结构约束能较大程度上减小桩顶的回弹量。上述两种试验工况分别代表了传统开挖状态下坑内（承载上部结构前）工程桩行为与开挖状态下既有结构桩基变形行为的差异性。

另一方面，当结构受到逐渐增大的桩顶荷载时，开挖诱发的桩顶变形由回弹逐渐变为沉陷。这是由于开挖前桩正侧摩阻力水平较高且开挖深度相对较大时，开挖对这一正侧摩阻力损失较大，导致桩承载能力下降，从而开挖诱发了结构的沉降。

2.2 桩身轴力

将每级荷载下桩身开挖前后轴力对比分布绘成图7。方便起见，将桩顶自由及桩顶有结构约束且结构受力为零的两种工况绘成一张图加以比较。

图7 开挖前后桩身轴力Fig.7 Axial force of pile before and after excavation

由图7 可以看出，原结构在不受荷载情况下，随着基坑开挖过程，开挖面浅埋的桩身区段轴力减小，深埋的桩身轴力增大。此外，开挖影响行为很大程度上取决于桩基原位应力状态（取决于结构自重）。伴着开挖前桩基轴向受压应力越大，桩基回弹越小而沉陷愈加显著。其中，图7（a）表明，在没有上部荷载的条件下，开挖面以下桩身整体呈现为受拉，其中桩顶受结构约束时，在开挖面以上桩身受压。随着开挖前桩顶轴力水平越大，开挖面以下过渡为受压状态。与此同时，不同的工况下，开挖后桩顶轴力基本都呈现为减小的趋势，但这种减小卸载的效应逐渐减小，在轴力为3kN时开挖前后桩顶轴力基本不变。

值得一提的是，在实际工程中，要尽可能避免开挖诱发桩基桩顶卸载的不利工况，否则将会导致桩基支撑的上部结构所在支撑点产生较大的相对沉陷，使得该位置板底受拉而板顶受压，这与原有结构配筋设计理念（支撑点顶板上拉底压）相反，过大的应力重分布将使原有结构产生严重的不利影响。

3 结论与建议

本文介绍了地下开挖时既有桩基模型试验的基本情况，对既有桩的桩顶位移与桩身轴力进行了详细的试验观察，揭示了开挖影响既有桩基的基本规律，基于本文研究工作得出了以下结论：

（1）开挖对坑内（承载结构前）工程桩的影响与对既有结构桩基（托换桩）的影响不同，结构自重使得开挖产生的桩身受拉不利影响明显降低，相应的桩顶隆起变形也明显减小。

（2）开挖影响既有桩基的行为很大程度上取决于桩基原位应力状态。开挖前桩身所受压应力越大，则桩顶回弹越小而沉陷愈加显著。与此同时，开挖前桩身压应力越大，则坑内地基土自上往下由于隆起过大呈现为压缩变形状态，而桩顶所受轴力逐渐增大，相比较开挖前桩顶所受轴力呈现卸载加载的变化趋势。

（3）开挖对上部结构的影响规律也主要取决于结构自重，随着上部结构原位自重应力增大，顶板变形由隆起转为沉陷；另一方面，不同原位应力状态下，地基应力开挖后地基都呈现为回弹变形。