基于樁周土加固效應的雙排樁承載性狀模型試驗研究

王祥秋，廖鎮源，鄭土永，朱道立

(佛山科學技術學院交通與土木建筑學院，廣東 佛山 528225)

在城市建筑密集區，因受周邊環境條件以及用地紅線等因素影響，雙排樁已越來越廣泛地應用于城市深基坑支護工程。但由于雙排樁受力機制(特別樁土間相互作用機理)十分復雜，目前，關于雙排樁的設計理論尚不夠成熟。為此，學者們針對深基坑雙排樁支護體系做了大量的研究工作。其中，具有代表性的主要有：理論研究方面，Xiao等[1]、黃憑等[2]通過提出一假想剪切滑裂面，采用體積比例法和“m”法求解雙排樁上的土壓力，并由此建立樁體的撓曲微分方程對雙排樁的內力與變形進行分析計算。Zhao等[3]通過數值模擬研究無連梁懸臂式雙排支護樁在開挖過程中的受力特性。Huang[4]通過建立門式雙排樁力學性態微分方程，基于高精度龍格-庫塔有限差分法提出一種計算雙排樁內力和位移的新方法。楊光華等[5]針對傳統雙排樁土壓力計算模式未能充分考慮樁和土之間相互作用的不足，提出一種改正的雙排樁土壓力計算模式。王俊杰等[6]提出了可同時考慮地基抗力和樁-承臺協調作用的設計計算方法，推導了樁基和承臺內力與變形的計算公式。曹凈等[7]通過引入等效桁架模型, 將前、后排樁樁間土等效為平面桁架結構, 進而提出一種基坑雙排樁支護結構的改進計算模型。李松等[8]提出一種考慮前排樁抗壓、后排樁抗拔力偶和地下水浮力對雙排樁抗傾覆安全系數影響的改進計算方法。試驗研究方面，Yu等[9]、Shen等[10]、彭文祥等[11]通過室內試驗模型研究了雙排樁排距、行距和開挖深度等參數對雙排樁內力及變形的影響。Buslov等[12]基于框架結構柔性樁以及組合剛架假設，通過對雙排樁路基支護結構土壓力測試成果，研究了雙排樁支護結構中后排樁的承載特性。范剛等[13]利用大型振動臺進行雙排抗滑樁加預應力錨索加固邊坡的模型試驗，研究在地震動作用下預應力錨索雙排樁的破壞機理與承載特性。鄭軒等[14]通過地層和雙排樁支護結構的相似材料模型，模擬基坑開挖過程，探究雙排樁的變形規律，并建立數值模型對試驗結果進行驗證。目前，關于雙排樁支護結構的研究大都基于雙排樁的排距、樁間距以及樁長等不同設計參數對其受力特性的影響，針對樁周土體加固效應對雙排樁支護結構受力特性影響的研究尚鮮見報道。筆者基于模型試驗原理[15]，通過室內試驗，重點研究樁間土以及樁側土體加固效應對雙排樁支護結構受力特性及變形規律的影響，從而為深基坑工程雙排樁設計與施工提供理論與試驗參考。

1 雙排樁模型試驗

1.1 模型試驗設計

雙排樁室內模型試驗基于相似模型試驗理論進行設計，研究對象原型為開挖深度為7 m的粉細砂地層深基坑工程。為了研究樁間土、樁側土加固以及樁底土層性質對雙排樁支護特性的影響，試驗過程中保持雙排樁的設計參數不變，只改變樁間土以及樁周土的力學性質。根據試驗模型箱的尺寸及研究重點，確定模型試驗的幾何相似比為CL=1∶10，容重相似比為Cγ=1∶1。土層選用級配良好的粉細砂原型料，樁間以及樁側加固土體則采用石膏、水泥以及細砂混合料，其中，石膏和水泥的摻入比分別為10%和5%，配合比為水∶石膏∶水泥∶細砂=1∶1∶0.5∶7.5。雙排樁底部加固土體采用M2.5水泥砂漿進行模擬。模型試驗材料參數如表1所示。

表1 模型試驗材料參數Table 1 Material parameters of model test

雙排樁模型參數為前后排模型樁均采用PVC管樁，直徑75 mm(壁厚2.3 mm)，樁長1 300 mm，排距225 mm，樁間距150 mm，樁頂設置長×寬×厚度為970 mm×300 mm×7 mm的有機玻璃板，蓋板與樁頂采用ERGEO5800強力膠粘接。為防止開挖過程中砂土從前排樁樁間流出，在前排樁后側設置一道泡沫擋土板，試驗模型設計參數如圖1所示。

圖1 雙排樁試驗模型設計圖Fig.1 Model design of double-row pile

根據深基坑工程設計與施工經驗，共設計了4種試驗模型，以模擬樁間土、樁端土以及被動區土體加固效應對雙排樁承載特性的影響。其中：樁間土加固深度為1 300 mm，樁底加固厚度為500 mm(模擬強風化巖層)，被動區加固深度和寬度分別為500、300 mm。試驗模型具體參數如表2所示。

表2 雙排樁試驗模型參數Table 2 Model parameters of double-row pile test

1.2 試驗裝置及開挖工況

由于深基坑工程雙排樁支護結構在樁側土壓力作用下主要產生彎曲效應，故在前后排樁樁身兩側對稱粘貼應變片(應變片型號為BE120-5AA(11)，阻值120.0 Ω，靈敏系數2.11，格柵長5 mm，寬2.8 mm)。應變片具體布設方式如圖2所示。試驗過程中采用東華D3650應變采集系統采集不同試驗模型在各分步開挖工況下前后排樁的樁身彎曲應變，雙排樁樁頂水平位移則利用數顯百分表進行測量。

圖2 雙排樁應變片布設方案Fig.2 Scheme of strain gauges for double-row

雙排樁試驗模型在長×寬×高=4.0 m×1.0 m×2.0 m的巖土試驗箱體內制作，砂土及加固土采用同步分層填埋與壓實，每次填埋壓實厚度為150 mm，填埋至設計標高后，利用混凝土立方體試塊施加5 kPa超載(按模型幾何相似比，相當于實際超載50 kPa)進行堆載預壓3 d。基坑開挖深度700 mm，共分7個開挖步，每一開挖步的平均開挖深度為100 mm。開挖過程中，為了減少開挖對土層及模型樁的擾動，采用抹泥刀分層剝離開挖。每一開挖步完畢后，待模型樁變形達到穩定標準時，采集樁身應變及樁頂水平位移。雙排樁模型試驗過程如圖3所示。

圖3 雙排樁模型試驗過程Fig.3 Model test process of double row

2 模型試驗結果及分析

2.1 樁身彎曲效應分析

基坑開挖到底時各加固工況條件下雙排樁前、后排樁身彎矩量測值如表3所示。

為了分析研究不同加固工況對雙排樁樁身彎矩的影響，由試驗數據繪制前后排樁彎矩變化趨勢圖，如圖4所示。

表3 不同加固條件雙排樁樁身彎矩值Table 3 Bending moment of double-row piles under different reinforcement conditions

圖4 不同加固條件雙排樁樁身彎矩圖Fig.4 Bending moment diagram of double-row piles under different reinforcement

由圖4可知，不同加固工況條件下，雙排樁前、后排樁的樁身彎矩值及其變化趨勢存在顯著差異，呈現出截然不同的加固效果。當采用樁間土加固、樁側被動區加固以及樁底加固等單一加固措施時，前排樁樁身最大正彎矩分別為72.103、91.60、98.311 N·m，與未采取加固措施時前排樁樁身最大正彎矩106.715 N·m相比，分別下降了32.4%、14.1%和7.8%；前排樁樁身最大負彎矩分別為88.53、157.666、122.365 N·m，與未采取加固措施時前排樁樁身最大負彎矩143.945 N·m相比，分別下降了38.5%、-9.5%和15.0%；后排樁樁身最大正彎矩分別為7.261、14.709、14.666 N·m，與未采取加固措施時后排樁樁身最大正彎矩31.401 N·m相比，分別下降了76.8%、53.2%和53.1%；后排樁樁身最大負彎矩分別為40.325、98.369、86.624N·m，與未采取加固措施時后排樁樁身最大負彎矩90.458 N·m相比，分別下降了55.4%、-8.7%和4.3%。由此可見，當采用單一加固措施時，以樁間土加固效果最顯著，前、后排樁的彎矩值相較于未采取加固措施時顯著降低；樁底加固效果次之；樁側被動區加固對降低前后排樁樁身彎矩值效果最不明顯。實際工程中，可將攪拌樁或高壓旋噴樁止水帷幕設置于前后排樁之間，對樁間土進行加固處理，可有效提高雙排樁承載能力。

2.2 樁頂水平位移特性分析

由試驗結果可見，基坑開挖到底時，各加固工況條件下雙排樁樁頂水平位移量測值如表4所示，根據試驗數據繪制樁頂水平位移的變化規律如圖5所示。

圖5 雙排樁樁頂水平位移圖Fig.5 Horizontal displacement diagram of top

表4 不同加固條件雙排樁樁頂水平位移Table 4 Horizontal displacement of top of double-rowpiles under different reinforcement conditions

由圖5可知，不同加固工況條件下，雙排樁樁頂水平位移隨開挖深度呈現出相似的變化規律，即隨開挖深度的增大而不斷增加，但雙排樁樁頂水平位移最大值存在顯著差異，表現出截然不同的加固效果。當采用樁間土加固、樁側被動區加固以及樁底加固等單一加固措施時，雙排樁樁頂水平位移最大值分別為2.62、3.75、4.47 mm，相較于未采取加固措施時分別減少了57.5%、39.2%和27.6%，表明對雙排樁樁間土體、樁側被動區土體以及樁底土體進行加固或者將樁底嵌入強度較高的巖土層時，均可有效控制雙排樁水平位移，但以樁間土加固對控制雙排樁變形效果最好。

2.3 開挖深度對雙排樁內力影響分析

不同加固條件下雙排樁前后排樁樁身彎矩隨基坑開挖過程的變化趨勢如圖6所示。由圖6可知，樁底加固與樁側被動區加固兩種工況條件下，前、后排樁樁身彎矩隨開挖深度呈現出相似的變化規律，且樁身正、負彎矩值基本相等。而樁間土加固條件下前、后排樁樁身彎矩隨開挖深度表現出不同的變化規律，且樁身正、負彎矩值與樁底加固和樁側被動區加固兩種工況相比均有大幅度降低，降低幅度約為30%，這可能與樁間土在基坑開挖以及圍護樁變形過程中受到前、后排樁共同約束，并與前、后排樁組成共同承載體有關。當對樁間土進行加固處理之后，其變形模量顯著提高，由此增強了樁土復合體的截面抗彎剛度，從而改變了樁土復合體的承載特性，使前、后排樁樁身內力呈現出不同的變化規律。實際工程中，可充分利用樁間土共同作用的力學特性，優化深基坑工程雙排樁設計參數與施工工況。

圖6 雙排樁樁身彎矩-開挖深度關系曲線Fig.6 Curves of bending moment-excavation depth for

與此同時，不同加固條件下，雙排樁前、后排樁樁身彎矩值隨基坑開挖工況(即開挖深度變化)呈現出相似的變化規律。如圖6中(a-1)、(b-1)、(c-1)所示，前排樁樁身最大正、負彎矩值均隨基坑開挖深度增大而不斷增大。但樁身最大正彎矩值的位置則隨著基坑開挖深度的增加逐步向基坑開挖面移動；而樁身最大負彎矩值均位于基坑開挖面以下，其位置均隨著基坑開挖深度的增大逐步向樁底移動。而后排樁樁身彎矩則與前排樁表現出截然不同的變化規律，如圖6中(a-2)、(b-2)、(c-2)所示，不同加固條件下，后排樁樁身彎矩均表現為負彎矩值，且在地表處樁身彎矩幾乎為零，隨著基坑開挖深度不斷增加，樁身負彎矩值逐步增大，并在基坑開挖面附近達到最大值，而在基坑開挖面以下，樁身負彎矩值逐步減小，并在樁底處達到最小值。

2.4 樁間土壓力變化特性分析

為了研究雙排樁與樁間土相互作用特性，在前排樁與樁間土之間埋設了應變式土壓力盒，3個土壓力盒分別位于基坑表面0.25、0.45、0.65 m處(3個測點均位于基坑底面以上)，在未加固與樁間土加固兩種典型工況條件下，前排樁與樁間土接觸界面土壓力-基坑開挖深度關系曲線(如圖7所示)。

圖7 樁土界面土壓力-開挖深度關系曲線Fig.7 Curves of soil pressure on the interface between pile and soil to excavation

由圖7可知，未加固與樁間土加固兩種工況下，前排樁與樁間土接觸界面土壓力呈現出相似的變化規律，即隨著開挖深度不斷增大，樁土界面土壓力不斷減少，且在樁頂部位土壓力降低的幅度最大。這可能因為雙排樁類似于剛架結構，當雙排樁向基坑內發生位移時，前排樁與樁間土之間存在脫離的趨勢，從而導致樁土間接觸界面壓力降低。但后排樁與樁間土之間由于雙排樁存在向基坑內的水平位移所產生的擠壓效應，導致樁土界面土壓力增大。與此同時，由圖7可知，當基坑開挖深度少于0.3 m時(第3開挖步之前)，土壓力降低的幅度較少，而當開挖深度超過0.4 m時(即開挖工況4之后)，土壓力降低幅度增大，這可能與雙排樁位移增大，前排樁與樁間土之間脫離趨勢加劇有關。

3 結論

1)雙排樁樁間土加固、樁側被動區加固以及樁端土層加固(或者置于良好巖土地層)均可有效降低前、后排樁樁身最大正、負彎矩值。若采用單一加固措施，以樁間土加固效果優于樁側被動區以及樁端土層加固。實際工程可將止水帷幕設置于樁間土內，以提高深基坑工程綜合效益。

2)對深基坑雙排樁支護結構的樁間土進行加固時，可顯著提高樁間土的變形模量，由此增強樁土復合體截面的整體抗彎剛度，從而提高樁土復合體的承載能力，并使前、后排樁樁身內力呈現出不同的變化規律。實際工程中，可充分利用樁間土共同作用的力學特性，優化深基坑工程雙排樁設計參數與施工工況。

3)對雙排樁支護結構深基坑工程樁間土體、樁側被動區土體以及樁底土層進行加固或者將樁底嵌入強度較高的巖土層時，均可有效控制雙排樁水平位移，并以樁間土加固對控制雙排樁支護結構變形效果最好，在城市建構筑物與地下管線密集區域以及對基坑變形有嚴格要求的復雜環境條件下，可充分利用樁間土加固措施有效控制基坑變形。