地下開挖對既有樁基影響的模型試驗研究

王 成 錢建固，* 陸 琦 李德超 吳世明

（1.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海200092；2.同濟大學地下建筑與工程系，上海200092；3.杭州市城東新城建設投資有限公司，杭州310021；4.浙江浙大網新集團有限公司，杭州310007）

0 引 言

隨著我國城市化建設的飛速發展，土地資源越來越緊缺，使得城市越來越多地利用地下空間，大量修建地鐵、商場、地下室等地下構筑物。在進行地下開挖時，需要充分評估開挖過程對既有建筑物樁基承載特性的影響。如明挖地鐵隧道穿過既有建筑的樁基礎時，需要考慮明挖對既有樁基的承載特性的影響。當對既有建筑物進行地下室增層時，需要考慮增層開挖過程中既有樁基的承載力變化，從而考慮是否需要采用托換的方式。當基坑施工時，既有樁基承載特性隨著開挖過程的進行而發生變化。這些工程問題中都涉及地下開挖過程對既有樁基的影響分析，當既有樁基處于開挖面內時，便涉及到開挖對坑內既有樁基的變形和應力影響。開挖會導致坑內土體應力釋放，從而使得坑底土體產生回彈隆起變形，開挖影響區域的既有樁基將產生附加變形，最終可能影響既有樁乃至上部結構的安全［1］。

伍程杰等［2］針對既有高層建筑地下室增層，得到端阻力損失比隨著開挖寬度、深度增大而增大的規律。茍堯泊［3］提出了增層開挖中預制樁殘余應力計算模型。單華峰等［7］和伍程杰等［8］分析了不同開挖深度對樁極限側摩阻力、極限端阻力影響，發現前者受開挖影響較大。然而，現有的關于地下開挖對既有樁基承載特性影響分析的研究主要集中于數值模擬［6-8］和理論解析計算［2-3，5-9］，缺少相關的現場實測數據支撐或者模型試驗的驗證。另一方面，樁頂約束條件和樁頂既有荷載是影響樁基承載特性的關鍵因素，開挖對不同樁頂約束條件和工作荷載下的樁基承載特性影響方面的研究較為欠缺。因此有必要針對地下開挖設計模型試驗，探究既有樁基在開挖過程中承載特性變化情況。

本文通過大型室內模型試驗，探究不同樁頂約束條件下地下開挖對坑內既有樁基的位移和軸力的影響規律，詳細分析了地下開挖對坑內既有樁位移、軸力和上部結構的影響，相關研究對類似工程項目具有指導性意義。

1 樁基模型試驗

1.1 試驗模型與安裝

本次試驗模型主要由三部分組成：結構板、樁、加載輔助結構，均為鋁合金材料。模型試驗槽的槽底及槽壁采用鋼筋混凝土結構，（凈）幾何尺寸為3 000 mm（長）×2 100 mm（寬）×3 000 mm（深），壁厚300 mm。模型箱整體，如圖1（a）所示。

圖1 模型箱Fig.1 Model box

模型樁為空心鋁管，直徑40 mm，管壁厚2 mm，樁長為1 070 mm，入土深度為800 mm，分布9 根樁；結構板為鋁材，尺寸為1 320 mm×1 020 mm×40 mm。試驗模型材料的彈性模量為70 GPa。試驗地基土采用粉砂制作，粉砂的平均含水率為6.2%，平均密度為1.37 g/cm3，相對密實度Dr為0.2，壓縮模量（Es1-2）平均值為4.5 MPa。

模型結構板正面為整塊鋼板，在樁的設計位置預留了樁孔，并在正面安裝了5 個承載結構定位器；板的背面有方形空心鋼管，以模擬梁結構。每根樁身表面均進行了橫紋切屑處理，以得到相對較大的樁側摩阻力。加載輔助裝置通過下部的5 個定位板將加載軸力分散到模型結構板上，達到對結構施加近似均布力的效果。本試驗主要觀測開挖面以內樁的位移及應變情況，需對結構中間部位樁粘貼應變片。模型裝配完成后得到完整的樁板結構，如圖2 所示。再將裝配好的結構埋入1 300 mm×1 300 mm×800 mm的基坑，連接應變采集儀及位移計，如圖3所示。

圖2 完整樁板結構Fig.2 Full pile-board structure

1.2 加載與測量設備

圖3 模型安裝Fig.3 Model installation

軟土物理模型試驗系統（圖1（b））采用兩臺德國進口EDC220 控制器，可進行多種方式的加載。量測裝置集成于試驗系統中，通過力傳感器和位移傳感器同步量測力和位移數據。具體技術參數見表1。應變采集儀采用江蘇聯能電子技術公司生產的YE2539 高速靜態應變儀。應變片采用浙江黃巖傳感器廠生產的BHF-120-2AA型應變片，柵長×柵寬2 mm×1 mm，電阻值（120±2）Ω，靈敏系數為（2.06±1）%。光電抽角編碼器2個（用于采集結構位移）。

表1 軟土物理模型試驗系統參數Table 1 Parameters of soft soil physical model test system

1.3 試驗過程

試驗首先將制作好的鋁合金模型結構埋入模型槽中，然后在結構下部進行地下的開挖，開挖區域貫穿結構中間一排共3 根樁。通過讀取正中間一根樁的樁身應變及樁頂位移，得出開挖誘導的樁身軸力與樁頂位移。模型試驗方案示意圖，如圖4所示。

圖4 模型試驗示意圖Fig.4 Schematic diagram of model test

本試驗分五種工況進行：①結構板不受荷載情況下進行土體開挖；②結構板受1 kN 情況下進行土體開挖；③結構板受2 kN 情況下進行土體開挖；④結構板受3 kN 情況下進行土體開挖；⑤單樁且樁頂不受力情況下進行土體開挖。由于模擬結構與樁的鋁合金材料重量較小，為模擬實際工程中結構荷載需在板上加載。進行不同水平的加載其目的是模擬開挖前托換樁的不同受力狀態，而樁頂自由是模擬傳統基坑開挖中預埋的工程樁。5 種工況開挖深度均為200 mm，即為入土樁長的1/4，開挖區域兩邊分別距中間一排樁300 mm，以此研究開挖過程中樁身位移及樁身軸力。

具體過程為：①結構板上荷載加載到預設值；②進行地下開挖；③記錄開挖過程中樁身位移及樁身軸力。

2 樁基模型試驗結果分析

2.1 開挖過程樁頂位移

本次試驗分為五種工況，即結構所受荷載分別為0 kN、1 kN、2 kN、3 kN 及單樁樁頂自由且不受初始荷載5 種情況，結構在開挖前后的樁頂位移見圖5。

圖5 開挖前后樁頂位移Fig.5 Displacement of pile top before and after excavation

由圖5可以看出，當結構受力為小于1 kN時，土體開挖會造成樁頂回彈，即樁頂產生向上的位移；當結構受力大于1 kN 時，土體開挖會造成樁頂向下的位移，并且隨著結構受力的增加，樁頂位移也隨之增加。

為了更直觀地對比開挖后各工況下樁頂位移變化量，將開挖后樁頂位移變化量繪成圖6。

圖6 開挖后樁頂位移變化值Fig.6 Displacement variation of pile top before and after excavation

由圖6 可以看出，當樁頂自由時，地下開挖后，樁頂回彈量為0.075 mm；當樁頂受結構約束且結構受初始荷載為零時，地下開挖后，樁頂回彈量0.055 mm。可見，樁頂結構約束能較大程度上減小樁頂的回彈量。上述兩種試驗工況分別代表了傳統開挖狀態下坑內（承載上部結構前）工程樁行為與開挖狀態下既有結構樁基變形行為的差異性。

另一方面，當結構受到逐漸增大的樁頂荷載時，開挖誘發的樁頂變形由回彈逐漸變為沉陷。這是由于開挖前樁正側摩阻力水平較高且開挖深度相對較大時，開挖對這一正側摩阻力損失較大，導致樁承載能力下降，從而開挖誘發了結構的沉降。

2.2 樁身軸力

將每級荷載下樁身開挖前后軸力對比分布繪成圖7。方便起見，將樁頂自由及樁頂有結構約束且結構受力為零的兩種工況繪成一張圖加以比較。

圖7 開挖前后樁身軸力Fig.7 Axial force of pile before and after excavation

由圖7 可以看出，原結構在不受荷載情況下，隨著基坑開挖過程，開挖面淺埋的樁身區段軸力減小，深埋的樁身軸力增大。此外，開挖影響行為很大程度上取決于樁基原位應力狀態（取決于結構自重）。伴著開挖前樁基軸向受壓應力越大，樁基回彈越小而沉陷愈加顯著。其中，圖7（a）表明，在沒有上部荷載的條件下，開挖面以下樁身整體呈現為受拉，其中樁頂受結構約束時，在開挖面以上樁身受壓。隨著開挖前樁頂軸力水平越大，開挖面以下過渡為受壓狀態。與此同時，不同的工況下，開挖后樁頂軸力基本都呈現為減小的趨勢，但這種減小卸載的效應逐漸減小，在軸力為3kN時開挖前后樁頂軸力基本不變。

值得一提的是，在實際工程中，要盡可能避免開挖誘發樁基樁頂卸載的不利工況，否則將會導致樁基支撐的上部結構所在支撐點產生較大的相對沉陷，使得該位置板底受拉而板頂受壓，這與原有結構配筋設計理念（支撐點頂板上拉底壓）相反，過大的應力重分布將使原有結構產生嚴重的不利影響。

3 結論與建議

本文介紹了地下開挖時既有樁基模型試驗的基本情況，對既有樁的樁頂位移與樁身軸力進行了詳細的試驗觀察，揭示了開挖影響既有樁基的基本規律，基于本文研究工作得出了以下結論：

（1）開挖對坑內（承載結構前）工程樁的影響與對既有結構樁基（托換樁）的影響不同，結構自重使得開挖產生的樁身受拉不利影響明顯降低，相應的樁頂隆起變形也明顯減小。

（2）開挖影響既有樁基的行為很大程度上取決于樁基原位應力狀態。開挖前樁身所受壓應力越大，則樁頂回彈越小而沉陷愈加顯著。與此同時，開挖前樁身壓應力越大，則坑內地基土自上往下由于隆起過大呈現為壓縮變形狀態，而樁頂所受軸力逐漸增大，相比較開挖前樁頂所受軸力呈現卸載加載的變化趨勢。

（3）開挖對上部結構的影響規律也主要取決于結構自重，隨著上部結構原位自重應力增大，頂板變形由隆起轉為沉陷；另一方面，不同原位應力狀態下，地基應力開挖后地基都呈現為回彈變形。