基坑二次開挖排樁支護體系承載性狀研究

摘要：以弗里敦行政綜合大樓的基坑工程為研究對象，通過模型試驗對基坑二次開挖排樁支擋體系的承載特性分析，探究了新增支護樁樁間距改變下對組合支護體系承載特性的影響。試驗結果表明：相比于新增支護樁，既有支護樁的樁頂位移隨著基坑開挖深度的增加而增大，新增支護樁的樁頂位移的增幅與其自身的間距呈遞減關系。在基坑開挖過程中，既有樁支護樁的最大彎矩值，隨著新增支護樁的間距增加而增大，且開挖深度與樁間距呈反比。為使樁后土體形成“土拱效應”，排樁支護體系發揮最佳效果，建議新增支護樁的樁間距在2～3倍樁徑之間。

關鍵詞：基坑開挖;排樁支護;模型試驗;樁間距

0" "引言

城市中土地資源匱乏是制約大城市的發展的重要問題之一，因此提升城市地下空間的利用率，是擴展城市規模的有效手段。面對城市中地下空間資源緊張情況，采用地下增層或者原有地下空間進行二次開發，為城市的建設和發展提供了思路。

目前對于既有建筑物增建相關的研究，眾多學者已經進行了大量研究。林明明等[1]采用軟件，對基坑支護排樁之間的樁間水平土拱的形成、發展及失效整個過程進行數值模擬，并認為樁間距相同情況下，應盡量選用方樁進行工程設計。張家國等[2]分析了圓形的深基坑工程中，排樁框架結構的內力和變形特征，得到圍護樁具有雙向彎曲特征，冠梁和腰梁均以軸向受壓為主。唐德琪等[3]采用有限元，對既有地下室以下增設地下空間的支擋結構承載機理和破壞模式進行模擬分析，發現新增支護樁樁長增加可引起基坑的安全系數明顯提升，且新增支護樁的排間距越小，作用支護效果越好。黃雪峰等[4]對不同開挖工況條件下，深基坑的懸臂樁支護結構的受力性狀與內力傳遞進行現場試驗探究，發現懸壁樁的嵌固段受力很小，開挖過程中受力幾乎不變。古海東等[5]進行疏排樁支護基坑離心模型試驗，對疏排樁支護基坑樁身內力與變形的計算方法進行驗證，并對樁間距與樁徑之比提出合理范圍。賈海莉[6]利用土體的極限平衡條件，分析了滑坡推力作用下土體中的成拱作用，并推導出最大樁間距公式。鄭剛[7]對懸臂樁支護正方形基坑局部破壞時的荷載傳遞機理進行分析，發現隨失效樁數的增多，最大荷載傳遞系數先增大后減小。

本文以弗里敦行政綜合大樓的基坑工程為研究對象，通過室內模型試驗，探究新增支護樁在基坑開挖過程中，對整體支擋結構承載性能的影響，以及支護樁樁身彎矩和樁頂位移的變化規律，可為類似實際工程應用提供借鑒。

1" "模型試驗

1.1" "試驗設計

本文設計模型試驗模擬基坑二次開挖排樁支擋結構受力情況，對基坑二次開挖工程中既有與新增支護排樁支護體系承載性狀規律進行研究分析。結合現場實際工程情況，確定既有支護樁和新增支護樁的樁身長度比6：9，樁長分別為60cm和90cm，彈性模量為14.03GPa。工程實際基坑支護樁徑為80cm，樁長為20～25m不等，彈性模量為40.0GPa。根據相似原理計算不同參數如表1所示。

1.2" "試驗裝置

排樁支護的“土拱效應”產生與很多因素有關，本文主要設計對新增支護樁的樁間距參數改變的模型試驗。通過模擬試驗基坑開挖過程，探究不同樁間距下的支護樁的位移和彎矩變化規律，分析不同樁間距下“土拱效應”對排樁支擋結構的影響。模型試驗箱裝尺寸為3m×3m×3m（長×寬×高），并在箱體內部貼上防滲薄膜，減少箱體與土體的摩擦，減小邊界效應的干擾。

1.3" "試驗材料

本試驗所用土為某地區砂土，土體的基本力學參數如表2所示。試驗樁采用直徑為32mm的PVC塑料管代替，其中既有樁的樁身長度L1為60cm，新增樁的樁身長度L2為90cm。同時在樁身內壁布置應變片，用于測量樁體的應力變化規律。

先將樁體分開成兩半，并在樁體內側采用硅膠粘貼應變片，最后用502膠水將樁身重新粘合。采用百分表測量支護樁的樁頂位移，為了便于測量，試驗選取了中間支護樁進行監測，百分表通過支架和磁性表座對樁頂處的位移進行測量。

1.4" 試驗過程

考慮到采用PVC管模擬支護樁時，原樁身經過劈開和黏合后其彈性模量會改變，為保證試驗精度，因此試驗前對樁體進行標定修正。采用簡支梁施加集中荷載的方法，得到樁身應變與彎矩的關系，確定實際應變值與計算彎矩值的關系，整個試驗分為6級加載，如圖1所示。

試驗模擬在基坑施工完成后基礎上，對既有排樁支護下進行再次開挖，分析不同新增支護方案下基坑開挖深度變化時，既有支護樁和新增支護樁的協同工作機理，樁體平面布置如圖2所示。基坑開挖區域尺寸為1.56m×1.56m（長×寬），開挖過程中保持三側圍護樁不變，并在一側增加支護樁，使其位于既有支護樁與模型箱之間。

本文試驗方案的參數見表3。根據試驗樁直徑d與樁間距的關系，分別設置了2d、3d和6d對應G1、G2和G3三種布置方案。根據基坑開挖深度的不同，可劃分為h1、h2和h3，分別對應的是既有基坑深度、既有支護樁倒塌時基坑開挖深度以及新增支護樁倒塌時基坑開挖深度。開挖過程中，按每層10cm進行開挖，當樁頂位移穩定后再繼續向下開挖。當樁頂急劇變化時，按每層5cm進行開挖，直至開挖完成。

2" "試驗結果分析

2.1" "樁頂位移變化規律

不同樁間距下既有支護樁樁頂水平位移變化規律，如圖3所示。從圖3可以看出，樁頂位移隨著開挖深度變化情況，可以分為兩個階段。在開挖深度小于20cm時，由于樁后被動區土體剛度較大、樁身變形小，因此樁頂位移速度較慢。隨著開挖深度的增加，既有支護樁的樁頂位移顯著越大，并在開挖20cm后發生突變。由此表明，當基坑開挖深度達到一定程度時，既有支護樁的樁后被動區土體會由彈性階段改變為塑性變形，由于承載能力降低導致樁頂位移變大。

基坑二次極限開挖的深度，會隨著新增支護樁間距的增大逐漸減小。當增挖深度為25cm時，G1、G2和G3的樁頂位移分別為3.4mm、6.3mm和12.1mm，相比于G1、G2樁頂位移較小。G3中由于樁間距過大，樁后的土體滑移導致頂位移發生突增。由此表明，新增支護樁的樁間距過大時，樁后土體對既有樁的土壓力增大，而既有支護樁可能還未達極限承載力，基坑就已經發生傾覆破壞。

不同樁距新增支護樁后的樁頂水平位移變化規律，如圖4所示。當既有支護樁與排間土在支護體系繼續工作時，不同樁間距G1、G2和G3新增支護樁樁頂位移增幅分別為2.3mm、2.2mm和1.9mm。樁頂位移隨著增挖深度增大而增大，但隨著樁間距增大而減小。由此表明，新增支護樁的間距增大，導致既有支護樁承擔的樁后土壓力增大。而新增支護樁由于承擔的土壓力減小，導致樁頂的位移減小。

當前排支護樁和與排間土退出支護體系后，不同樁間距G1至G3新增支護樁樁頂位移發生突變分別為1.4mm、1.9mm、2.0mm。新增支護樁的樁頂位移，隨著樁間距的增加而增加。這是由于此時新增支護樁的工作狀態轉變為單排懸臂樁，完全承擔了樁后的土體壓力，因此樁頂位會產生突變。

2.2" "樁身彎矩變化規律

試驗結果選取5根應變測試樁的彎矩平均值，將其作為其樁身彎矩取值。不同樁間距下新增支護樁樁身彎矩變化規律，如圖5所示。從圖5中可以看出，整個樁身彎矩由上向下表現為樁頂與樁端小、中間大的特點。開挖過程中開挖深度越大，彎矩增幅越大，并在深度45cm處達到最大值，與單排懸臂樁樁身彎矩變化規律相似。

增挖20cm時既有支護樁樁身彎矩的變化規律，如圖6所示，此時相比于G1和G2的樁身彎矩，G3的變化速率更大。比較不同樁間距G1至G3中，新增支護樁和既有支護樁最大彎矩可以看出，既有支護樁的樁身彎矩大于新增支護樁彎矩。這是由于既有支護樁承擔了樁后土壓力和排間土的剪應力。

在樁身埋深45～55cm處，G3的既有支護樁的樁身彎矩發生突變減小。原因是G3樁間距過大，而樁后土體幾乎無法形成“土拱效應”，大部分土體從樁間滑落，既有支護樁無法抵擋新增支護樁及排間土傳遞的土壓力，因此導致樁身彎矩發生驟降。

新增支護樁樁間距與既有支護樁維持基坑極限開挖深度關系如表4所示。結合圖6和表4可知，基坑二次開挖深度隨著樁間距的增大而減小，并且樁間距越大，樁身彎矩越大。G1至G3三組試驗的最大彎矩值極限開挖深度，既有支護樁在增挖35cm時，G1的最大彎矩值Mmax為93.51N·cm;增挖30cm時，G2的最大彎矩值Mmax為97.68N·cm;增挖25cm時，G3的最大彎矩值Mmax為173.2N·cm。

不同樁間距方案中新增支護樁樁身彎矩變化規律，如圖7所示。從圖7可以看出，增挖深度在20cm之前，G1和G2新增支護樁樁身彎矩變化較小。這是隨著開挖深度增大，整個支護體系中，荷載由既有支護樁和新增支護樁共同承擔荷載。同時既有支護樁退出支護體系前，樁后土體處于彈性狀態。基坑繼續開挖，樁后土體應力重分布部分被既有支護樁承擔，所以新增支護樁分擔的彎矩變化較小。

新增支護樁樁間距與新增支護樁維持基坑極限開挖深度關系如表5所示。結合表5和圖7可以發現，隨著樁間距的增大，基坑開挖深度逐漸減小。不同樁間距2d、4d和6d，開挖深度分別為76cm、63cm和50cm，其中當樁間距為6d，整個基坑未開挖到樁長60cm已提前發生傾覆破壞。

3" "結論

本文以弗里敦行政綜合大樓的基坑工程為研究對象，通過模型試驗對基坑二次開挖排樁支擋體系的承載特性分析，探究了新增支護樁樁間距改變下對組合支護體系承載特性的影響，試驗結果表明：

相比于新增支護樁，既有支護樁的樁頂位移隨著基坑開挖深度的變化更大，新增支護樁樁頂位移的增幅與其自身的間距呈遞減關系，而樁頂位移的增幅與增挖深度呈遞增有關。

在基坑開挖過程中，既有支護樁要承擔樁后土壓力和新增支護樁通過排間土傳給支護樁剪應力。既有樁支護樁的最大彎矩值，隨著新增支護樁的間距增加而增大，并且開挖深度與樁間距呈反比。

初始開挖過程中，既有支護樁承擔主要的荷載。隨著開挖深度增大，既有支護樁失效并退出支護體系，荷載主要由新增支護樁。為使樁后土體形成“土拱效應”，排樁支護體系發揮最佳效果，建議新增支護樁的樁間距在2～3倍樁徑之間。

參考文獻

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