局部破壞對內撐式排樁支護基坑影響的模型試驗

曹衛平, 席茂陽, 趙 呈, 趙 敏

(1.西安建筑科技大學 土木工程學院, 陜西 西安 710055; 2.陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室,陜西 西安 710055; 3.西安工業大學 建筑工程學院, 陜西 西安 710021)

1 研究背景

隨著社會經濟的高速發展,地下空間開發規模和基坑開挖深度不斷增加,深基坑支護問題日益凸顯。基坑支護結構屬于臨時性結構,其安全儲備較小,基坑開挖具有較大風險。已有工程事故案例表明,支護結構的破壞、土體失穩及內支撐失效會引起基坑出現大范圍的垮塌,造成十分嚴重的后果。例如,在杭州地鐵一號線蕭山湘湖站北2基坑坍塌事故中,出現了土方超挖、支撐體系存在薄弱環節等情況,該情況導致基坑的圍護結構地連墻外側受壓向坑內產生過大側向位移,而鋼支撐與地連墻預埋件未進行焊接,造成部分支撐軸力過大及嚴重偏心,最終致使支撐體系失穩,基坑發生坍塌[1];新加坡Nicoll大道地鐵基坑由于第九道支撐與圍檁連接處發生屈曲致使第九道支撐失效從而引發鄰近支撐連續失效,導致基坑發生破壞[2];西寧地區某基坑由于未進行第二道錨桿施工及存在超挖等情況,在進行基礎樁鉆孔施工時,局部樁間土體發生滑塌,樁后土體迅速滑落到坑內,導致基坑局部滑塌[3]。上述事故表明,支撐失效、土體滲漏等局部破壞是導致基坑失穩的重要原因,對支護結構局部破壞及局部滲漏引起的支護結構漸進連續破壞及基坑垮塌性狀的研究尤為重要。

鄭剛等[4]通過帶水平支撐的排樁支護基坑模型試驗,研究了基坑開挖及局部支護樁破壞時支撐軸力的變化及支撐局部破壞進而引發支撐連續破壞的規律,結果表明,局部支護樁破壞會使附近支撐的軸力明顯降低及支撐失效荷載傳遞存在就近現象。董利虎等[5]以河南某基坑工程為例,分析了基坑開挖階段支護結構的變形及坑外地表沉降規律,并針對開挖期間存在的工程問題提出了應對措施。程雪松等[6-8]開展了懸臂式排樁支護基坑的數值模擬及模型試驗,研究了支護樁局部破壞進而引發連續破壞的機理,提出了荷載傳遞系數的概念,為復雜環境下基坑連續破壞機理的研究奠定了基礎。王衛東等[9]通過對上海地區深基坑工程的現場實測,發現基坑開挖深度越深,則圍護結構側移、支撐軸力、坑外最大地表沉降越大,且沉降值基本介于開挖深度的0.1%～0.8%之間。Clough等[10]通過對實際工程案例的統計,得出砂土、硬黏土及殘積土地層基坑坑外地表最大沉降基本介于0～0.5%H。目前已有的研究成果雖然初步揭示了深基坑開挖引起的土體變形[11]、坑外地面沉降[12]、圍護結構受力變形特性[13]及破壞的機理,并且還有許多關于基坑支護的空間效應[14]和環境效應[15]的研究成果,但關于支撐局部失效及土體滲漏對基坑內撐式排樁體系影響的研究較少。

基坑工程具有較強的復雜性和不確定性,尤其涉及到土體變形、圍護結構變形及位移等方面的問題更為復雜[16]。為探究支護結構局部破壞及局部滲漏對基坑的影響,減少基坑事故的發生,本文開展了深基坑開挖室內模型試驗,研究了內支撐失效和土體滲漏等局部破壞發生后的空間影響范圍及其隨時間的發展狀態,得到了支護樁樁頂位移、樁身彎矩、土體沉降及內支撐軸力的變化特征及一些規律性認識,研究成果可為類似實際工程提供一定的參考。

2 基坑模型及試驗概況

2.1 基坑模型及支護結構

模型試驗對應的原型工程為開挖平面尺寸為23 m×13 m、挖深為9 m的基坑。圖1為基坑模型布置圖,模型試驗在尺寸為1.22 m×0.77 m×0.97 m(長×寬×高)的模型槽內進行,選取1/4基坑面積開展試驗,基坑開挖模型平面尺寸為560 mm×320 mm,開挖深度為450 mm。

圖1 基坑模型布置圖(單位:mm)

模型試驗設計需符合相似三定理,綜合考慮模型試驗的場地、裝置及材料,取試驗幾何相似比CL=20,相應的容重相似比Cγ=1;應變相似比Cε=CLCγ/CE,其中CE為彈性模量相似比[17];位移相似比CX=CεCL。

基坑支護采用內撐式排樁結構,模型樁采用硬質PVC圓管制作,有效樁長為820 mm,圓管外徑為40 mm、壁厚為2 mm,彈性模量E=3.13 GPa,相應原型為直徑0.8 m、樁長16.4 m的C30混凝土樁。模型支護樁沿基坑長、短邊共布設12根,樁間距為80 mm,圖1中用編號1～12表示樁P1～P12。其中應變監測樁為P2、P4、P6、P8、P10、P11,每根監測樁設置6個監測斷面,在樁內壁受拉、受壓側各布設1個應變片;樁P1、P4、P6、P9、P12后設置百分表,用以監測樁頂位移的變化。

內支撐采用硬質PVC空心圓管,圓管外徑為20 mm、壁厚為1 mm。在圖1中3根內支撐的兩端設置圓頭螺桿,既能保證內支撐兩端近似為點接觸,確保內支撐近似僅受軸力作用,也能通過調節螺母使其伸長實現內支撐與圍檁緊密接觸以模擬施加預應力、使其縮短以模擬內支撐卸載失效。在內支撐表面中部位置布設一對應變片,用以監測其軸力。內支撐主要以受壓為主,要確保抗壓剛度EA與原型相似,則內支撐需對應原型為直徑為0.16 m的鋼管。模型試驗中圍檁采用與內支撐材料相同的硬質PVC管片模擬,其厚度取2.5 mm。

2.2 坑外地表沉降觀測點

根據工程實測獲得砂土基坑開挖時坑外地表沉降的主要影響范圍在距坑邊1.0H以內(H為開挖深度,其值為450 mm)。由于模型槽大小的限制,坑外沉降監測區設置在距坑邊0.5H范圍內,且根據試驗結果表明,沉降主要影響范圍在0.5H以內,可忽略邊界效應的影響。圖1中給出了4個坑外地表沉降觀測點S1、S2、S3、S4的布設位置。

2.3 試驗土體

試驗所選用的地基土為干燥、潔凈的中粗河砂,實測其界限粒徑d10、d30、d60及平均粒徑d50分別為0.145、0.370、0.920、0.650 mm,其他部分參數見表1。相關研究表明,模型試驗中模型樁樁徑D與試驗土體平均粒徑d50的比值大于40時可忽略土顆粒大小的尺寸效應,本試驗中D/d50=61.5,因此可不考慮砂土顆粒大小的尺寸效應對試驗結果的影響。

表1 試驗砂土主要參數

2.4 試驗過程

試驗前在模型槽內壁預設高度控制線,便于前期分層填筑及后期分層開挖。在模型槽內壁粘貼摩擦系數較低的塑料薄膜,以減小支護樁、土體與模型槽內壁的摩擦力,從而消除邊界效應的影響。在支護樁后布置一層擋土布,并用環氧樹脂將擋土布與支護樁接觸部分進行粘連。擋土布用以模擬實際工程中的噴漿加固結構。

地基土填筑至8 cm時將支護結構固定,第一層填筑7cm,隨后按每層15 cm分層填筑至基坑頂面,每層地基土填筑完成后進行整平,分2次振密約6 min,各層接觸面拉毛并利用小直徑鋼筋豎向插搗,避免水平分層。記錄填土高度及質量,經計算得到地基土平均密度為1.853 g/cm3,相對密實度Dr=62%,土體為中密。

本次試驗共9個步驟,分3個階段進行,其中步驟1～4為基坑開挖試驗;步驟5～7為內支撐失效試驗;步驟8、9為土體滲漏試驗,滲漏試驗的目的在于研究土體滲漏對支護結構的影響及坑外塌陷范圍。表2為試驗具體步驟。

表2 試驗具體步驟

3 試驗結果及分析

3.1 基坑外地表沉降量的變化

圖2為試驗不同階段各步驟基坑外地表沉降量變化曲線(以隆起為正,沉降為負)。

圖2 試驗不同階段各步驟基坑外地表沉降量變化曲線

根據圖2按不同試驗階段對基坑外地表沉降狀況分析如下。

(1) 基坑外地表沉降隨基坑開挖深度的變化。步驟1安裝內支撐且施加預應力,施加預應力后使坑外土體隆起,但隆起量微小;步驟2～4開挖過程中,坑外地表隆起量逐漸減小。可見基坑開挖階段坑外地表沉降變化很小。實際工程中基坑外地表變形常受基坑周圍土體性質、地下水水位、圍護結構剛度、基坑開挖深度等因素的影響,較為復雜,本試驗所用地基土經過分層振動夯實填筑,土體性質較好且無地下水影響,同時圍護結構采用內撐式支護體系,結構穩定,故測得基坑外地表沉降量較小。

(2) 內支撐失效對基坑外地表沉降的影響。步驟5內支撐C2失效,此時基坑外地表幾乎無沉降。由于內支撐C2位于C1和C3之間,失效后其所承受的荷載能轉移到支護樁及鄰近內支撐,因此基坑外地表沉降不明顯。

沉降監測點位于支護樁P11和P12之間的后部土體,而支護樁P11和P12處于內支撐C1的作用范圍內,當步驟6內支撐C1失效時,地表沉降量較步驟5顯著增大。這是由于內支撐C1失效后其所承受的荷載只有小部分能傳遞到C3,大部分荷載傳遞到其內支撐范圍內的支護樁上,因此基坑外地表沉降明顯。當步驟7內支撐C3繼續失效時,地表沉降量進一步增大,但增幅較小。其原因是內支撐C3位于坑角,其失效后大部分荷載都傳遞到坑角附近的支護樁上,而沉降監測點距坑角較遠,因此監測點沉降量變化較小。

內支撐全部失效后,監測點S1最大沉降量為0.95 mm,約為0.21%H,對應工程原型的沉降量為38 mm,約為0.42%H;監測點S2、S3最大沉降量分別為0.55、0.09 mm;監測點S4無明顯沉降,位于次要影響區。試驗結果與Clough等[10]對砂土基坑實測得出的基坑外地表最大沉降介于0～0.5%H之間的結論相符。

(3) 土體滲漏對基坑外地表沉降的影響。圖3為土體滲漏破壞形成的樁后滑裂面。步驟8劃破支護樁P10～P11間的擋土布,樁后土體失穩并迅速滑落到基坑底部,基坑外地表出現錐形塌陷區①(圖3);步驟9劃破支護樁P2～P3間的擋土布,基坑外地表出現錐形塌陷區②(圖3),同時塌陷區①的垮塌范圍及深度進一步增加。待土體滲漏停止后監測點S1、S2、S3的沉降量均達到最大值,最大沉降量位于監測點S1處,約為22 mm,但監測點S4無顯著沉降,表明其位于滲漏破壞的次要影響區(圖2)。待土體滲漏穩定后,塌陷區①影響范圍覆蓋了約2/3基坑長邊,塌陷區②影響范圍覆蓋了整個基坑短邊,影響范圍分布廣泛。

圖3 土體滲漏破壞形成的樁后滑裂面

3.2 支護樁樁頂水平位移的變化

圖4為試驗不同階段各步驟支護樁樁頂水平位移隨時間變化曲線(向基坑內位移為正,向基坑外位移為負)。根據圖4按不同試驗階段對支護樁樁頂水平位移狀況分析如下。

圖4 試驗不同階段各步驟支護樁樁頂水平位移隨時間變化曲線

(1)樁頂水平位移隨基坑開挖深度的變化。步驟1安裝內支撐且施加預應力后,各支護樁樁頂向基坑外位移,這與預應力的施加有關。隨開挖的加深,各樁均向坑內方向位移。步驟4中僅有支護樁P1向坑外方向位移,出現這一現象是由于內支撐C3布設在坑角,基坑長、短邊上壓力大小和方向不同,隨著開挖深度的加深,壓力差增大,支護樁P1在內支撐軸力的作用下向坑外位移。基坑開挖完成后,支護樁P6樁頂位移最大,約為0.07 mm。開挖階段各支護樁位移量較小且每步開挖位移增幅很小,表明此時基坑穩定性較好。

(2)內支撐失效對樁頂水平位移的影響。內支撐C2失效后,僅鄰近內支撐失效位置的支護樁P9樁頂向坑內有較小位移。當C1、C3接連失效后,各支護樁樁頂均向坑內位移,且位移增幅明顯比單一內支撐失效更明顯。內支撐全部失效后,坑角附近的支護樁P4樁頂位移最小,為0.11 mm,而位于基坑長邊的支護樁P12樁頂位移最大,為1.84 mm。可見內支撐失效階段不同位置支護樁樁頂位移差別較大,空間效應較明顯。

(3)土體滲漏對樁頂水平位移的影響。步驟8劃破支護樁P10～P11間的擋土布后,樁后土體失穩滑落到坑底,鄰近滲漏位置的支護樁P9、P12樁頂向坑內有明顯位移,其中支護樁P12樁頂位移最大,約為2.32 mm,其余各樁樁頂向坑內的位移較小。步驟9支護樁P2～P3間土體滲漏破壞后,各支護樁樁頂向坑內位移的增幅微小,土體滲漏對樁頂位移影響不顯著。

3.3 支護樁樁身彎矩的變化

(1)樁身彎矩隨基坑開挖深度的變化。圖5為基坑開挖完成后支護樁樁身彎矩分布。由圖5可以看出,位于基坑長邊的支護樁P11樁身彎矩最大,而坑角附近的支護樁P4、P6樁身彎矩較小。圖6為支護樁P11在步驟1～4過程中樁身彎矩隨開挖深度的變化曲線。圖6表明,步驟1支護樁P11最大彎矩為0.21 N·m,反彎點在樁身z=25 cm處;步驟4支護樁P11最大彎矩為0.72 N·m,反彎點在樁身z=50 cm處。隨著開挖深度的加深,由于基坑內土體被卸除量增大,導致樁后土壓力增大,但樁頂被圍檁與內支撐所限制,因此樁身彎矩增大且反彎點下移。

圖5 基坑開挖完成后支護樁樁身彎矩分布

圖6 支護樁P11樁身彎矩隨開挖深度變化曲線

(2)內支撐失效對樁身彎矩的影響。圖7為內支撐失效階段支護樁樁身彎矩變化曲線。由圖7可以看出,步驟5內支撐C2失效后,鄰近失效內支撐的支護樁P10、P11樁身彎矩明顯減小,遠離失效內支撐的支護樁P2和位于坑角的支護樁P6樁身彎矩無明顯變化。步驟6、7內支撐C1、C3接連失效后,各支護樁樁身彎矩均有所減小,反彎點明顯上移,且位于基坑中部附近的支護樁樁身彎矩變化幅度最大。這表明內支撐局部失效后,部分荷載轉化為支護樁的位移協調,使支護樁向坑內位移,導致支護樁上部正彎矩有所減小,下部負彎矩有所增大;當內支撐連續失效時,轉化為位移協調的比例進一步增大,使得支護樁樁后被動土壓力轉變為主動土壓力,樁身正彎矩進一步減小,且反彎點進一步上移,同時支護樁受影響的范圍進一步擴大。

圖7 內支撐失效階段支護樁樁身彎矩變化曲線

表3為內支撐失效階段各支護樁樁身最大負彎矩。內支撐失效階段樁身最大負彎矩變化最顯著,因此需判斷支護樁是否發生過大的變形或可能出現斷裂的情況,通過單樁安全系數Kd與荷載(彎矩)傳遞系數I的大小來判斷支護樁是否發生破壞。程雪松等[6]通過試驗得出支護樁單樁安全系數Kd=1.875,本試驗采用的基坑和支護樁材料與其類似,因此Kd取值為1.875;本試驗中內支撐C3失效后支護樁彎矩增量最大,臨近失效內支撐位置的支護樁P8最大負彎矩由失效前的-0.496 N·m 增大到失效后的-0.813 N·m(表3),荷載傳遞系數I為1.64。由此可知I

表3 內支撐失效階段各支護樁樁身最大負彎矩 N·m

(3)土體滲漏對樁身彎矩的影響。圖8為土體滲漏階段支護樁樁身彎矩變化曲線(以鄰近滲漏部位的支護樁P11、P2為例)。步驟8支護樁P10～P11間土體滲漏后,支護樁P10和P11樁身彎矩有所增大,支護樁P11的變化相對更為顯著。

圖8 土體滲漏階段支護樁樁身彎矩變化曲線

由圖8可以看出,支護樁P11最大負彎矩為-1.04 N·m,相較于土體滲漏前(步驟7)增加了8%;步驟9支護樁P2～P3間土體滲漏后,支護樁P2最大彎矩為0.37 N·m,較步驟8增大約18%。總體來看,局部土體滲漏對樁身彎矩影響不大,且離土體滲漏位置較遠的支護樁樁身彎矩幾乎沒有變化。由于土體滲漏是通過破壞樁間擋土布模擬的,支護樁本身沒有發生破壞,支護結構整體保持穩定,因此樁身彎矩變化不大。

3.4 內支撐軸力的變化

(1)內支撐軸力隨基坑開挖深度的變化。圖9為基坑開挖階段各內支撐軸力隨開挖深度變化曲線(以壓為正,拉為負)。

圖9 內支撐軸力隨開挖深度變化曲線

圖9顯示,各內支撐軸力隨開挖深度呈波浪型變化,即內支撐軸力在每步開挖時有所減小,在變形穩定時間內又有所增大;內支撐C1、C2、C3初始軸力分別為19、14、46 N,基坑開挖完成后,較初始軸力分別增大了約9、12、2 N,其中靠近基坑中部的內支撐C2軸力增幅最大,而坑角附近的內支撐C3軸力增幅最小,空間效應較明顯。

內支撐布設高度對荷載傳遞有一定影響,隨著基坑開挖深度的加深,位于樁頂處的內支撐軸力變化幅度逐步減小,表明此時內支撐布設過高,應隨著開挖深度的加深而適當降低,這既能提高支撐的作用,也能給支護結構提供更大的抗側移剛度[4]。

(2)失效內支撐對未失效內支撐的影響規律。基坑開挖完成后,內支撐C1、C2、C3的軸力分別為28、26、48 N。步驟5內支撐C2失效,內支撐C1、C3的軸力比C2失效前分別增大了4、1 N,增幅分別約為15%、4%,內支撐C1距C2更近且軸力增幅更大,表明失效內支撐的荷載傳遞存在就近現象。內支撐C2失效破壞后,其承擔的荷載約有20%通過圍檁傳遞到其余內支撐,將近80%的荷載轉換為支護結構的位移協調。步驟6內支撐C1失效后,C3軸力約增大4 N,增幅為C1失效前其支撐軸力的12%,表明C1失效后有12%的荷載傳遞到鄰近內支撐,其余88%的荷載轉換為支護結構的位移協調。當內支撐C2、C1接連失效時,內支撐所承擔的荷載轉化為支護結構位移協調的比例更大,內支撐連續失效影響的范圍也更廣,鄰近內支撐所承受的荷載也進一步增加。

4 討 論

本文通過模型試驗分析了砂土基坑中內撐式排樁支護結構在基坑開挖、內支撐失效以及土體滲漏等階段支護結構的受力及變形特性。基坑開挖階段內撐式支護結構整體穩定性較好,對周邊環境影響程度較低,其中靠近內支撐的支護樁樁頂位移及受力更小,與周勇等[18]所得結論類似。試驗過程中,當單一內支撐失效后,失效支撐的荷載會傳遞到其余支撐,致使未失效支撐受力增大,且荷載的傳遞存在就近現象,失效內支撐數量的增多會導致未失效支撐所承受的荷載進一步增大,進而可能會引起支撐全部失效,這一試驗結果與Choosrithong等[19]所得研究成果類似。

本試驗表明,內支撐全部失效后基坑外地表最大沉降值為0.95 mm,約為0.21%H,對應工程原型約38 mm,約為0.42%H,與Clough等[10]對砂土基坑實測得出基坑外地表最大沉降介于0～0.5%H的結果相符,與王衛東等[9]針對上海地區基坑工程現場實測所得基坑外地表最大沉降值基本介于0.1%～0.8%H的結果也相符。

內支撐接連失效會導致支護樁樁后土壓力激增,可能會使樁后擋土布(模擬實際工程中的噴漿結構)發生破壞,進而引發二次事故。針對內撐式排樁支護結構的破壞試驗,大多數學者僅分析了內支撐連續失效對支護結構的影響規律,并未考慮到由于內支撐接連失效而引發的二次事故。為降低類似事故的發生率,本文進一步分析了內支撐失效后土體滲漏對支護結構的影響規律,使得研究成果更加全面,對工程實踐具有一定的參考價值。

5 結 論

本文通過開展基坑開挖室內模型試驗,重點研究了基坑開挖深度、內支撐失效、土體滲漏對內撐式排樁支護結構的影響機理,所得結論如下:

(1)基坑開挖階段支護結構受力及變形較小,基坑外地表沉降亦不明顯,表明此挖深(模型450 mm)范圍內基坑穩定性較好,可進一步加大開挖深度,需注意的是隨著挖深的增大應適當降低支撐高度。

(2)對于內撐式排樁支護而言,內支撐接連失效對基坑穩定性影響較大,會使支護結構位移、樁身彎矩及基坑外地表沉降大幅增加,樁身彎矩增大近2倍、最大樁頂位移約為1.84 mm、最大沉降量為0.95 mm且沉降影響范圍在0.5H以內。

(3)當支護樁樁間發生土體滲漏破壞時,基坑外垮塌范圍主要在距坑邊0.4H范圍內,滑裂面呈錐形,基坑外土體滑動進入坑底,既對基坑施工造成安全威脅,也嚴重危害周邊環境。若實際工程發生類似滲漏破壞,應迅速堆土反壓,避免基坑進一步變形。

(4)總結了砂土基坑中內支撐連續失效、坑外土體滲漏等破壞對內撐式支護結構的影響規律,并針對類似基坑事故提出了相應的工程技術對策,以期為相關基坑支護結構災變防控提供理論依據和技術支撐。