基坑支护斜直桩性状及土压力分布特性研究

程 依,刘思其

长江大学城市建设学院,湖北 荆州 434023

0 引言

随着我国工程建设的发展,地下空间得到了大规模的开发,新型基坑支护型式不断出现。近年来,倾斜桩作为新型支护结构类型之一得到了广泛应用。倾斜支护桩是一种将传统竖直桩进行小角度倾斜后应用于基坑工程的新型自稳支护方式[1]。部分学者[2-4]利用模型试验结合有限元分析软件对倾斜桩的受力性状进行了研究,最终结果显示出倾斜桩的挡土效果强于竖直桩。徐源 等[5]通过室内模型试验,对基坑模拟开挖过程中的桩顶水平位移、桩身弯矩以及桩后土体沉降进行监测,指出了前排桩存在一个最优倾斜角度。Meyerhof et al.[6]通过室内模型试验改变斜向荷载的倾斜角度,分析了斜桩在不同情况下的斜荷载承载力特性。

Zhang et al.[7]通过室内试验,探讨了在横向荷载下倾斜桩的承载力特性,并得出了在不同参数的砂土条件下,桩身不同倾斜角-桩身位移曲线。郑刚 等[8]采用了大型模型试验,对多种倾斜支护结构进行了研究,得到了桩长相同的前提下,倾斜桩组合支护结构变形和内力更小,极限开挖深度更大的结论。郑刚 等[9]在现场载荷试验的基础上对不同垂直度的倾斜桩进行了研究,指明一定倾斜角度下桩的承载力不会下降。

目前,针对基坑倾斜桩性状的研究成果,在研究内容方面,较多集中在承载力、桩身变形及内力变化等类型;在研究手段方面,大多采用了室内模型实验的方法来进行基坑的模拟开挖,而关于倾斜桩支护结构的计算模型、设计方法等尚不完善,对倾斜支护桩受力变形机理有必要进行进一步研究。本文采用室内模型试验的方法对基坑开挖过程中倾斜桩的性状及土压力变化规律进行研究。

1 模型试验概况

此次试验在1.2 m×1.2 m×0.8 m(长×宽×高)的模型箱中进行,模型箱侧壁选用1 cm厚的亚克力玻璃板承受侧向土压力,模型箱外围采用铝合金管材进行焊接固定。模型土采用普通细砂,已有研究表明[10]:桩径(D)大于砂土特征粒径40～50倍可忽略缩尺效应。模型土的物理力学参数如表1所示。

表1 模型土物理力学性质参数

模型桩采用PVC管,弹性模量为3.375 9 GPa,桩长70 cm,外径40 mm,内径38 mm。通过控制试验变量倾斜角度以及布桩的方式,建立了如表2所示的4种工况。

表2 室内试验工况

在试验开始前,采用白色尼龙线在模型箱每隔5 cm的位置进行标记,然后将模型土均匀填至支护桩底部位置,将拼接好的支护桩与冠梁整体放入模型箱,对其相应的高度位置进行校对,确保桩的轴线保持在竖直方向。将砂土从相同高度填入模型箱,整平后静置至少24 h以确保土体变形达到稳定。稳定后布置位移百分表,其中沉降观测点为3个(距离冠梁中心位置分别为10、20、30 cm);冠梁顶部侧向位移观测点为1个(位于冠梁中心位置80 cm),如图1所示。

图1 安装位移百分表

在开挖前读取应变仪相关初始数据,选取基坑一半进行室内模型试验开挖,开挖面尺寸为1.2 m×0.4 m,呈矩形,每次开挖5 cm,总计开挖8次,每次开挖完成后静置15 min,待应变读数以及百分表读数稳定后读取位移数据,继续依次开挖直至基底40 cm位置,每开挖1次,记录桩后土体沉降及冠梁水平位移,试验全程记录应变、应力等数据。

2 模型试验结果与分析

2.1 冠梁侧向位移变化

通过将10°、15°、20°桩身倾角的斜直交替桩基坑分层进行开挖直至基底,利用位移百分表分别记录冠梁侧向位移数据并整理3种工况下的结果,如图2所示。

图2 不同斜直桩冠梁水平位移随基坑开挖深度变化曲线

由图2可知,在相同开挖深度条件下,随着桩身倾角的增大,斜直交替桩冠梁侧向位移逐渐减小,随着开挖深度的增大,侧向位移变化速率不断加快。其斜直交替10°、15°、20°在基坑开挖至40 cm时,冠梁侧向位移结果分别为2.26 mm、1.66 mm、1.38 mm。相较于直桩侧向位移结果,其位移分别减小了75.40%、81.93%、92.67%,斜直桩型式的冠梁侧向位移大幅度减小,支护结构抵抗侧向变形能力更强,对基坑开挖的支护效果尤为明显。

2.2 桩后地表土体沉降变化

相同挖深条件下,距离支护结构越远,地表沉降越小,基坑具有较明显的沉降范围。不同桩身倾角的斜直支护结构与直桩在挖深40 cm的地表沉降结果,如图3所示。

图3 挖深40 cm不同倾角斜直桩土体沉降

由图3可知,直桩的最大沉降位移为9.14 mm;斜直桩10°、15°、20°的最大沉降位移分别为1.41 mm、1.01 mm及0.6 mm,与直桩对比,沉降位移分别减小了84.57%、88.94%及93.43%。斜直桩支护结构大大地减小了地表的沉降值,桩身倾角越大效果愈加明显。

2.3 桩身弯矩变化

直桩与斜桩在相同倾角条件下其桩身弯矩分布模式皆有明显的反弯现象,且支护结构有明显的“自撑效应”,随倾角的增大反弯现象愈加显著。斜直桩支护结构在挖深至40 cm时直桩与斜桩弯矩对比,如图4所示。

图4 挖深40 cm不同倾角的斜直桩弯矩对比

由图4可知,以斜直桩支护结构10°为基准,倾角为15°和20°的直桩弯矩减小了20.54%和31.50%,斜桩弯矩减小了17.39%和24.64%,表明随着支护结构倾角增大,支护结构弯矩整体呈现减小的趋势。与直桩对比,斜直桩支护结构本身安全性大大提高,在基坑开挖过程中具有更好的支护效果。

2.4 支护结构土压力变化

随着基坑的分层开挖,得到了支护结构上土压力变化规律,如图5所示。

图5 直桩土压力随基坑开挖深度变化曲线

由图5可知,随着基坑的逐步开挖,基坑主动区土压力逐渐减小;而支护结构开挖侧被动区的土压力逐渐增大,随挖深加大直至40 cm,靠近桩底附近监测点土压力明显减小,土压力曲线出现“回移”现象。随着挖深的加大使被动区土压力最大点位置下移,且以位于两土压力盒间某点位置为旋转点,使桩体发生轻微旋转,桩底向主动区偏移,试验监测桩底被动区土压力值减小,主动区该点土压力减小幅度降低,出现增大趋势。

3 结论

通过开展在不同开挖深度条件下直桩、斜直桩2种支护结构类型的室内试验,从支护桩冠梁位移、地表土体沉降、桩身弯矩、土压力等方面得出如下结论。

1)在相同开挖深度条件下,随着斜直桩支护结构的桩身倾角增大,冠梁位移由大到小依次为:直桩大于斜直10°大于斜直15°桩大于斜直20°桩,减小幅度最大相差53.86%。

2)控制地表土体沉降方面,斜直支护结构类型优于直桩支护结构,两者最大相差48.25%,且随着桩身倾角的增大,斜直桩限制桩后地表土体竖向位移的效果越明显。

3)随着基坑开挖深度加大,2种支护结构类型的桩身弯矩逐渐增大,在相同开挖深度条件下最大正、负弯矩绝对值满足以下条件:斜直桩10°大于斜直桩15°大于斜直桩20°。

4)在基坑开挖的过程中支护结构主动区域的土压力逐渐减小,被动区的土压力逐渐增大;同时由于挖深的加大,支护结构桩底位置附近存在“回移”现象,使主动区域土压力减小的趋势减缓,被动区域桩底附近土压力则明显减小。