軟土地區地下室增層開挖對既有樁基沉降性狀的影響

單華峰，夏唐代，俞峰，鄭晴晴

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軟土地區地下室增層開挖對既有樁基沉降性狀的影響

單華峰1, 2，夏唐代1, 2，俞峰3，鄭晴晴1, 2

(1. 浙江大學濱海和城市巖土工程研究中心，浙江杭州，310058；2. 浙江大學軟弱土與環境土工教育部重點實驗室，浙江杭州，310058；3. 浙江理工大學建筑工程學院，浙江杭州，310018)

首先，通過荷載傳遞法建立軸向荷載作用下單樁的受力模型并得到其控制方程，然后引入樁側軟化及樁端雙曲線荷載傳遞函數，同時給出極限側摩阻力及極限端阻力的表達式。在此基礎上，結合工程實例，通過自編的迭代程序得出單樁的?曲線，并與已有的計算方法進行比較，驗證提出計算方法的可行性。研究開挖深度對若干關鍵問題的影響，如樁側極限摩阻力、樁端極限阻力及基樁承載性狀。最后結合案例分析增層開挖施工前后，單樁在極限承載力及工作荷載作用下產生的沉降量。研究結果表明：不同的開挖深度對樁端極限阻力影響較小，而對樁側極限摩阻力影響較大；隨著開挖深度增加，樁頂沉降量也不斷增大。該工程的增層開挖在變形控制方面安全可靠。

軟土；開挖；既有建筑；樁基沉降；極限阻力

地下空間開發技術和既有建筑物改造技術為解決城市“停車難”問題提供了新的思路。在不影響上部結構正常使用的情況下增、擴建地下室，合理開發既有建筑物地下空間，實現地下空間的二次深度開發，成為國內外學者需要解決的重大課題。地下室增層開挖已得到工程界的高度重視，國內外學者也開展了若干相關研究。如賈強等[1]建立了三維有限元模型，分析了三層框架結構建筑物增層開挖樁基托換過程中所產生的沉降；李勇[2]通過室內模型試驗及有限元軟件研究了既有建筑物地下增層樁基的再設計；BRIAN 等[3]監測英國大英圖書館地下室增層開挖施工過程；龔曉南等[4?5]研究了增層開挖對既有樁側阻及端阻的影響；之后，伍程杰等[6]結合雙曲線模型，分析了增層開挖對既有樁樁身剛度的影響；單華峰等[7]利用該方法研究了既有建筑物地下室增層開挖對群樁基礎沉降性狀的影響。單樁的沉降量是1個非常重要的指標，國內外學者對此進行了深入研究，如王奎華等[8]考慮到樁端應力擴散效應，基于虛土樁模型，提出了層狀地基中單樁的沉降計算方法；WANG等[9]通過BoxLucas 1函數模擬樁側荷載傳遞，同時通過Boussinesq解考慮承臺效應，得到了一種簡化的單樁沉降計算方法。然而，增層開挖對既有樁基礎沉降性狀的理論研究很少。故本文作者擬結合浙江飯店地下車庫改擴建工程，通過荷載傳遞法分析增層開挖過程中樁?土之間的相互作用，同時考慮樁側土體軟化時的應力?應變關系，提出增層開挖對既有樁基礎沉降性狀的計算方法，進而分析增層開挖深度對既有樁基礎沉降性狀的影響，以期為相關工程實踐提供參考。

1 增層開挖施工工藝

目前，既有建筑物增層開挖得到了迅速發展。針對不同的上部結構及基礎形式會有不同的加層方案。結合浙江飯店地下車庫改擴建工程簡要地介紹該工程的施工工藝。首先，應在擬開挖的范圍內施工地連墻等圍護結構；接著，施工托換樁，通過新澆筑的承臺將既有樁與托換樁連成整體，共同承擔上部結構的荷載；之后，開挖新增地下室土方至設計標高；最后，施工新增地下室結構系統。由于既有樁與托換樁之間存在著復雜的樁?樁相互作用，因此，本文只研究開挖對既有單樁基礎的影響，如圖1所示。

圖1 地下增層開挖簡圖

2 基本思路

由于荷載傳遞法能考慮土層中任意深度處的荷載?位移關系，且該法還能考慮土體開挖引起樁側摩阻力的變化，計算樁基礎的沉降能取得較好的效果。因此，采用荷載傳遞法來研究基樁的沉降問題，其計算模型如圖2所示。其中，t及t分別為樁頂荷載及樁頂沉降；b及b分別為樁端荷載及樁端沉降；L為第段的長度；ti及bi分別為第樁段的頂部荷載及端部荷載。

(a) 計算模型圖；(b) 微單元計算模型

荷載傳遞法的基本理念是將樁離散成多個微單元，每個微單元通過非線性彈簧將樁與樁周土體聯系起來，以此來模擬樁?土之間的相互作用。取其中1個微單元進行受力分析，如圖2所示，根據平衡條件

可得

而基樁的彈性壓縮為

式中：p和p分別為基樁的截面積及彈性模量；()為深度處基樁受到的軸力；為基樁的截面周長；()為深度處的側摩阻力。

聯立式(1)和式(2)可得荷載傳遞法的基本控制方程為

2.1 側阻軟化模型

軟土具有應變軟化現象，即軟土的應力?應變曲線具有明顯的峰值，到達峰值之后，應力隨變形增大而不斷減小，直至達到殘余強度。樁周土體的軟化現象對單樁的承載性狀有很大的影響。根據張乾青[10]的研究，在高應力狀態下，樁側土體的雙曲線模型具有一定的局限性，因此，有必要考慮樁側土體進入軟化狀態時的應力?應變關系。張乾青結合張忠苗課題組對杭州軟土地區完成的10根試樁現場試驗結果進行統計分析，通過歸一化處理得到了317個數據點，并對以上數據點進行擬合從而得到了側阻軟化模型[10]，如圖3所示。

圖3 側阻軟化模型

該模型的表達式為

對于樁土界面的摩擦角，POTYONDY[11]認為不同接觸狀態下的樁土界面摩擦角為(0.6~0.9)(土層的內摩擦角)，而張乾青[10]通過統計分析認為不同接觸狀態下的樁土界面摩擦角為(0.5~1.0)。而對于軟土地基，宜采用黃茂松等[12]推薦的取值經驗，即=0.6。本文假設增層開挖之前土體已固結完成，增層開挖之后，由于土體尚未達到新的平衡，故開挖之后的土體處于超固結狀態，則增層開挖前后單位面積樁周土體的極限側摩阻力為：

式中：su和su分別為增層開挖前后樁側單位面積極限摩阻力；OC為超固結比；為尚未開挖時的上覆土重；為開挖后的上覆土重。

2.2 雙曲線端阻模型

根據文獻[6]的研究，本文采用DUNCAN等[13]提出的雙曲線荷載傳遞函數模擬原基礎底板下既有樁基樁端剛度特性，如圖4所示。

圖4 樁端荷載傳遞模型

其表達式為

式中：p為樁端阻力；p為樁端處的樁?土相對位移；p和p分別為樁端初始切線剛度的倒數及雙曲線漸近值的倒數，本文采用HIRAYAMA[14]提出的公式：

式中：ult為雙曲線漸近值，房凱[15]認為雙曲線漸近值與極限端阻力的關系為ult=u/0.9，u為樁端極限端阻力；p,ref為雙曲線漸近值一半所對應的樁端沉降。

由極限平衡理論可得樁端極限端阻力u為[16]

式中：c和q為樁端截面系數，分別為1.68及0.52；0為樁端平面側邊的平均豎向壓力；q為量綱一系數，僅與土體內摩擦角有關。

式中：rr為修正剛度系數；c為量綱一系數，僅與土體內摩擦角有關。

考慮樁端置于強風化基巖上，結合文獻[6]的取值經驗，且經過長期的固結壓密，土體已經充分固結，在尚未開挖時，本文取p,ref=0.01，其中為樁身直徑，而在開挖卸載之后，土體發生回彈，故p,ref應取0.01與回彈量之和[6]。

3 單樁沉降計算

本文結合文獻[6]提出的計算方法進行對比分析。文獻[6]采用雙曲線模型來模擬樁側及樁端荷載傳遞函數，從而得到了浙江飯店基樁在尚未開挖及不同開挖深度情況下的荷載?沉降曲線。圖5所示為尚未開挖時，通過兩種計算方法得到的?曲線。由圖5可知：當荷載較小時(大約在2.5 MN)，本文與文獻[6]計算得出?曲線基本重合，究其原因在于樁周土體尚未進入塑性軟化狀態；由于本文模擬的工況是層狀開挖，而文獻[6]是模擬分層分塊開挖，從而導致在較大荷載作用下，本文計算得到的沉降量要大于文獻[6]中的沉降量。

1—本文計算方法；2—文獻[6]計算方法。

圖5 單樁?曲線

Fig. 5?curves for single pile

4 工程背景介紹

浙江飯店建于1997年，建筑平面呈L形，占地面積為2 600 m2，位于杭州市延安路與鳳起路的交叉口，場地為軟土地區，建筑場地土層的物理力學性質如表1所示。主體為框剪結構，主樓為11~12層，附樓4層，設1層地下室，埋深為5.1 m。該結構采用樁筏基礎，其中樁長為34~40 m，樁徑為0.6~0.9 m。所有工程樁均嵌入基巖中，且嵌巖深度均不小于1.0 m。為增加停車位，業主計劃在原有地下室下再增建1層，預計開挖深度為4.5~10.0 m。

表1 土層的物理力學性質

5 參數分析

5.1 開挖深度對樁側極限摩阻力的影響

定義極限摩阻力比為土層開挖后樁側極限摩阻力與尚未挖時樁側極限摩阻力之比，則樁周土層開挖深度與極限摩阻力比之間的關系如圖6所示。由圖6可知：隨著土層開挖深度的增加，樁周土層的極限側摩阻力從上到下不斷減小。如淤泥質粉質黏土層在開挖1 m時，樁周土層極限摩阻力損失比為0.941，而當開挖8 m時，樁周土層極限摩阻力損失比已經降低到0.453，可見土層開挖深度對樁周土體極限摩阻力影響較大。

開挖深度/m：1—1；2—2；3—3；4—4；5—5；6—6；7—7；8—8。

5.2 開挖深度對樁端阻力的影響

定義樁端土層極限端阻力比為土層開挖之后與尚未開挖時極限端阻力的差值與尚未開挖時極限端阻力之比，則樁周土層開挖深度與樁端土層極限端阻力損失比之間的關系如圖7所示。由圖7可知：隨著土層開挖深度不斷增加，樁端土層極限端阻力緩慢增加，如開挖深度從1 m增加到8 m時，相應的極限端阻力比從0.11%增加到1.15%，可見增加量較小。

圖7 開挖前后極限端阻力比

5.3 開挖深度對?曲線的影響

在增層開挖之前，本文將基樁分成34段，開挖 8 m后劃分成26段，從而計算基樁的?曲線，如圖8所示。由圖8可知：當樁頂荷載小于5 MN時，開挖深度對樁頂沉降量影響不大，而當樁頂荷載超過 5 MN時，樁頂沉降量隨著開挖深度的增大而不斷增加。究其原因，隨著開挖深度的增加，樁周土體逐漸進入塑性軟化狀態。

開挖深度/m：1—1；2—2；3—3；4—4；5—5；6—6；7—7；8—8。

5.4 沉降分析

由浙江飯店施工圖設計階段[17]可知樁極限承載力為4 330 kN，對應該極限承載力的樁頂沉降量為 9.85 mm。而工作狀態下的荷載(承載力特征值)為 2 165 kN，對應的樁頂沉降量為4.36 mm，遠小于規 范中[18]對樁基沉降的控制要求。當開挖深度達到8 m時，樁頂荷載達到極限承載力時對應的沉降量為 9.88 mm，與工作荷載相對應的單樁沉降量為 4.38 mm，同樣可以滿足建筑樁基的控沉要求。由以上分析可知，從變形控制角度來講，增層開挖深度不大于8 m是安全的。

6 結論

1) 不同的開挖深度對樁端極限阻力影響不大，而對樁側極限摩阻力影響較大；樁頂沉降量隨開挖深度的增加而不斷增大。

2) 結合浙江飯店地下室增層開挖工程實例，分析了增層開挖施工前后，單樁在極限承載力及工作荷載作用下的沉降量，認為開挖深度不大于8 m時是安 全的。

[1] 賈強, 張鑫, 應惠清. 樁基礎托換開發地下空間不均勻沉降的數值分析[J]. 巖土力學, 2009, 30(7): 2053?2057. JIA Qiang, ZHANG Xin, YING Huiqing. Numerical analysis of settlement difference for pile foundation underpinning for constructing underground space[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(7): 2053?2057.

[2] 李勇. 地下加層工程中托換基礎與上部結構共同作用性能研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學土木工程學院, 2005: 20?36. LI Yong. Properties of joint action plus underground base and superstructure works underpinning layer[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology. School of Civil Engineering, 2005: 20?36.

[3] BRIAN S, PAUL J V. Results of monitoring at the British Library excavation[J]. Geotechnical Engineering, 2014, 167(2): 99?116.

[4] 龔曉南, 伍程杰, 俞峰, 等. 既有地下室增層開挖引起的樁基側摩阻力損失分析 [J]. 巖土工程學報, 2013, 35(11): 1957?1964. GONG Xiaonan, WU Chengjie, YU Feng, et al. Shaft resistance loss of piles due to excavation beneath existing basements[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(11): 1957?1964.

[5] 伍程杰, 龔曉南, 俞峰, 等. 既有高層建筑地下增層開挖樁端阻力損失 [J]. 浙江大學學報(工學版), 2014, 48(4): 671?678. WU Chengjie, GONG Xiaonan, YU Feng, et al. Pile base resistance loss for excavation beneath existing high-rise building [J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science), 2014, 48(4): 671?678.

[6] 伍程杰, 龔曉南, 房凱, 等. 增層開挖對既有建筑物樁基承載剛度影響分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2014, 33(8): 1526?1535. WU Chengjie, GONG Xiaonan, FANG Kai, et al. Effect of excavation beneath existing building on loading stiffness of piles[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(8): 1526?1535.

[7] 單華峰, 夏唐代, 俞峰, 等. 既有建筑物地下室增層開挖群樁沉降性狀研究[J]. 巖土工程學報, 2015, 37(增1): 46?50. SHAN Huafeng, XIA Tangdai, YU Feng, et al. Settlement of pile groups associated with excavation beneath existing basement[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(Suppl 1): 46?50.

[8] 王奎華, 羅永健, 吳文兵, 等. 層狀地基中考慮樁端應力擴散的單樁沉降計算[J]. 浙江大學學報(工學版), 2013, 47(3): 472?479. WANG Kuihua, LUO Yongjian, WU Wenbing, et al. Calculation method for settlement of single pile considering stress dispersion of pile end soil[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2013, 47(3): 472?479.

[9] WANG Zhongjin, XIE Xinyu, WANG Jinchang. A new nonlinear method for vertical settlement prediction of single pile and pile groups in layered soils[J]. Computer and Geotechnics, 2012, 45: 118?126.

[10] 張乾青. 軟土地基樁基受力性狀和沉降特性試驗與理論研究[D]. 杭州: 浙江大學建筑工程學院, 2012: 90?91. ZHANG Qianqing. Test and theoretical study on bearing capacity behavior and settlement of pile in soft soils[D]. Hangzhou: Zhejiang University. School of Civil Engineering and Architecture, 2012: 90?91.

[11] POTYONDY J G. Skin friction between various soils and construction materials[J]. Geotechnique, 1961, 11(4): 339?353.

[12] 黃茂松, 酈建俊, 王衛東, 等. 開挖條件下抗拔的承載力損失比分析[J]. 巖土工程學報, 2008, 30(9): 1291?1297. HUANG Maosong, LI Jianjun, WANG Weidong, et al. Loss ratio of bearing capacity of uplift piles under deep excavation[J]. Chinese Journal of Geotechnical and Engineering, 2008, 30(9): 1291?1297.

[13] DUNCAN J, CHANG C. Nonlinear analysis of stress and strain in soils[J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, 1970, 96(5): 1629?1653.

[14] HIRAYAMA H. Load-settlement analysis for based piles using hyperbolic transfer functions[J]. Soils and Foundations, 1990, 30(1): 55?64.

[15] 房凱. 樁端后注漿過程中漿土相互作用及其對樁基性狀影響研究[D]. 杭州: 浙江大學建筑工程學院, 2013: 91?92. FANG Kai. Grout-soil interaction during base grouting and its effects on behavior of grouted piles[D]. Hangzhou: Zhejiang University. School of Civil Engineering and Architecture, 2013: 91?92.

[16] 張忠苗. 樁基工程[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2007: 94?96. ZHANG Zhongmiao. Pile foundation engineering[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2007: 94?96.

[17] 施祖元. 浙江飯店翻擴工程施工圖[R]. 杭州: 浙江城建建筑設計院, 1996: 4?10. SHI Zuyuan. Construction drawing of Zhejiang Hotel expansion project[R]. Hangzhou: Architectural Design Institute for Urban Construction of Hangzhou, 1996: 4?10.

[18] JGJ 94—2008, 建筑樁基礎技術規范[S].JGJ 94—2008, Technical code for building pile foundations[S].

(編輯 劉錦偉)

Settlement analysis of building piles associated with excavation beneath existing basement in soft soil

SHAN Huafeng1, 2, XIA Tangdai1, 2, YU Feng3, ZHENG Qingqing1, 2

(1. Research Center of Costal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;2. Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering of Ministry of Education,Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;3.School of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China )

Firstly, an axially-loaded pile model and a governing equation of single pile were established by the load transfer method. The skin friction softening model and pile tip load transfer model were then introduced, and the expression of ultimate skin friction and ultimate end resistance were derived. On this base, a case history was analyzed by employing an iterative process, thus the?curve of single pile was obtained. The feasibility of the proposed method could be assessed by a comparison with existing methods. The effects of excavation depth on some key issues, such as the ultimate skin friction, end resistance and the overall bearing behavior of piles were analyzed. Finally, the pile head settlements before and after excavation corresponding to the ultimate and working capacities were calculated. The results show that the excavation depth is more sensible to the skin friction, than to the end resistance, and the pile head settlement increases with the increase of excavation depth. The further excavation is reliable for the involved case with respect of the deformation control.

soft soil; excavation; existing building; pile settlement; ultimate resistance

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.06.024

TU 4473.1

A

1672?7207(2016)06?1995?06

2015?06?10；

2015?08?27

國家自然科學基金資助項目(41472284，51378463)(Projects(41472284, 51378463) supported by the National Natural Science Foundation of China)

夏唐代，博士，教授，從事動力學及樁基工程理論研究；E-mail：xtd@zju.edu.cn