深基坑土巖界面微型鋼管樁受力特性試驗研究

白曉宇,蘇 杭,張鵬飛,韓健勇,張 立

(1. 青島理工大學 土木工程學院,山東 青島 266520; 2. 中建八局第二建設有限公司,山東 濟南 250014; 3. 山東建筑大學 土木工程學院,山東 濟南 250102)

0 引 言

微型鋼管樁作為一種支護結構,具有承載力高、布置靈活、抵抗變形能力強和造價低等特點,與預應力錨桿(索)組成樁錨支護體系已廣泛應用于基坑工程[1-3]。隨著高層建筑、軌道交通的快速發展及地下立體空間的高效利用,各種復雜地質條件下基坑工程的樁錨支護體系面臨不斷出現的新的挑戰。因此,深入探究深基坑微型鋼管樁的受力變形及樁側土壓力分布具有重要意義。

學者們對基坑工程中樁錨體系的工作機理進行了大量研究,取得了極具價值的成果。伊曉東等[4]基于三維有限元數值模擬對某二元基坑支護進行分析,發現樁身水平位移最大值出現在土巖分界面處;白曉宇等[5]探討了土巖深基坑樁-撐-錨組合支護體系變形特性,認為土層及強風化巖層較高的壓縮性是造成樁身上部水平位移較大的主要原因;趙鵬飛等[6]基于現場實測值與理論計算值的分析,得出雙排樁支護結構最大水平位移出現在樁頂且隨埋深增加變形逐漸減小至零的結論;YANG Shujuan等[7]采用原位測試技術對微型鋼管樁內力變化及承載力進行研究,發現微型鋼管樁沿深度方向上部彎矩較大而下部彎矩較小,且采用樁錨體系設計計算微型鋼管樁是合理的;冉啟仁等[8]基于模型試驗,獲得微型鋼管樁樁身位移及彎矩的監測數據,得出樁身彎矩極值受基坑開挖面增大而上移的結論;TAN Yong等[9-10]結合上海地鐵車站深基坑實時監測數據,對基坑工程的時空效應進行分析,發現影響基坑邊坡土壓力大小的主要因素是基坑開挖、支撐和底板澆筑速度;聶慶科等[11]通過對冠梁位移、土體深層位移及支護樁身鋼筋應力等監測數據的分析,證明冠梁剛度、樁身變形以及空間效應是影響土壓力大小的重要因素;壽凌超等[12]分析了不同埋深下土壓力隨基坑開挖深度的變化規律,認為巖面以上土壓力與巖面以下土壓力對基坑開挖動態響應敏感程度不同;ZHANG Qian等[13]對鄰近樁基的地鐵車站圍護結構的力學行為展開研究,得到研究結論:土與圍護結構間摩擦力對土壓力分布及變化規律有較大影響,基坑圍護結構的變形會抑制周圍土壓力的釋放;楊薇薇[14]基于數值模擬,分析了不同土體參數、樁徑以及周邊堆載對土壓力的影響,得出樁后土壓力隨基坑開挖呈近似三角形分布的結論。

目前,相關研究主要集中于微型鋼管樁身內力及樁側土壓力沿深度方向分布特征的分析,針對不同埋深處土壓力隨開挖深度的演化規律少有系統的研究;另外,土巖分界面作為巖土層受力的薄弱點,其上側土層與下側巖層的物理力學性質相差較大,有必要研究土巖分界面樁錨支護結構的受力特征。筆者依托青島地鐵某車站基坑工程,對內排微型鋼管樁支護結構開展原位試驗,分析微型鋼管樁土巖界面處土壓力與彎矩隨基坑開挖的變化規律,探討微型鋼管樁土巖界面的受力機理及土壓力與彎矩之間的關系。研究結果可作為超深基坑開挖支護施工設計的參考。

1 工程概況

1.1 工程地質概況

試驗場地位于青島市鞍山路與山東路交叉口西北角。場區為典型的上土下巖地層,上部土層主要為第四系填土,下部基巖主要為中生代燕山晚期深成相全晶質粗粒花崗巖。表1為場區各巖土層的平均層厚d、重度γ、內摩擦角φ及內聚力c。

表1 各巖土層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of each rock and soil layer

1.2 基坑支護方案

車站場地采用雙排微型鋼管樁復合錨桿(索)支護體系,微型鋼管樁規格為直徑168 mm,壁厚8 mm的無縫鋼管,土石方開挖工程分為3階,邊開挖邊支護。第1階采用雙排微型鋼管樁支護,樁長L1=12.3 m,第2、3階采用單排樁支護,樁長L2=11.8 m、L3=16.6 m,相領兩階的微型鋼管樁搭接處設置錯臺;每一階分別布置5道支護錨桿(索)。支護錨桿(索)參數見表2,電阻式應變片與土壓力盒布置示意見圖1,傳感器及基坑圍護結構布置見圖2。

表2 支護錨桿(索)設計參數Table 2 Support anchor (cable) design parameters

圖1 電阻式應變片與土壓力盒布置示意(單位:)mFig. 1 Layout of resistance-type strain gauge and earth pressure box

圖2 傳感器及基坑圍護結構布置(單位:m)Fig. 2 Layout of sensors and foundation pit enclosure structure

2 試驗方案

2.1 試驗步驟

1)選定第1階編號為1 # 的內排微型鋼管樁作為研究對象,進行內力測試。確定22個(左右對稱布置)電阻式應變片及迎土面11個土壓力盒安裝位置,開孔截面中心距樁頂分別為1.10、2.15、3.25、4.30、5.40、6.45、7.55、8.60、9.70、10.75、11.55 m,即每處開孔位于臨近預應力錨索索孔位置或兩處索孔中點位置。

2)在微型鋼管樁表面開設傳感器安裝孔。

3)安裝電阻式應變片與土壓力盒,其中,土壓力盒位于電阻式應變片下方約5 cm處,并焊接金屬保護外殼。

4)將信號傳輸線從傳感器安裝孔穿入測試樁內部并從樁頂位置引出。

5)確定微型鋼管樁的沉樁位置。

6)連接動態應變采集儀進行數據采集,直至基坑挖至設計標高。

2.2 基坑開挖工況

試驗場地分3階開挖,開挖歷時約9個月。具體基坑開挖工況如圖3。

由圖3可見:試驗場地在第1階開挖基本可以做到邊開挖邊支護的基坑開挖程序;進入第2階開挖時,開挖速度明顯加快;進入第3階開挖時,一直到開挖至坑底,僅進行一道全長黏結錨桿的支護。

3 土巖分界面附近樁側土壓力分析

選取距樁頂5.40、6.45及7.55 m處分別作為土層、土巖分界面及巖層的測試位置,測試基坑三階開挖過程中樁側土壓力σ及樁身彎矩W,得到樁側土壓力分布圖(圖4),樁身彎矩隨開挖深度變化的分布圖(圖5)。圖中彎矩“+”“-”分別表示逆時針彎矩與順時針彎矩。

圖4 土層中、土巖分界面、巖層中土壓力變化Fig. 4 Change of soil pressure in soil layer, at soil-rock interface and in rock stratum

圖5 土層中、土巖分界面、巖層中樁身彎矩值變化Fig. 5 Change of bending moment of pile body in soil layer, at soil-rock interface and in rock stratum

3.1 樁側土壓力隨開挖深度分布

由圖4可以看出:

1)土層中(距樁頂5.40 m處),開挖初期(h< 2.35 m),樁側土壓力較小,σ≈5 kPa;當開挖深度接近5.40 m時,樁側土壓力急劇上升,σ=5.35→17.66 kPa;開挖至5.40 m以下,樁側土壓力急速降低,在第2階開挖過程中土壓力在2.55～7.78 kPa范圍內波動;當h> 21.00 m時,土層中樁側土壓力呈增大趨勢,曲線近似直線上升,σ從2.75 kPa增至23.72 kPa。

2)土巖分界面(距樁頂6.45 m處),樁側土壓力曲線隨基坑開挖呈“波浪型”分布,大部分工況下,σ> 15.00 kPa,且上下波動幅度較大;進入第2階開挖,曲線整體呈上升趨勢,當h≈30.00 m時,σ=30.70 kPa。

3)巖層中(距樁頂7.55 m處)與土層中(距樁頂5.40 m處),樁側土壓力的變化趨勢相似:h=0～5.00 m時,巖層中土壓力隨開挖深度增加而持續降低;h=5.00～7.55 m時,土壓力σ由2.35 kPa迅速上升至12.84 kPa;h> 7.55 m后,樁側土壓力迅速降低;在第2階開挖前期,σ≤5.25 kPa,當h> 16.65 m時,σ迅速增大,最高達14.35 kPa,總體上σ在7.85～12.84 kPa范圍內穩定波動;當h> 28.00 m,σ增大,最終達到31.63 kPa。

4)土層中與巖層中樁側土壓力隨基坑開挖深度增大而變化的趨勢基本一致,樁側土壓力均呈現先減小后增大,再次減小再增大,隨后持續增大的變化趨勢。出現這種現象的原因是:基坑開挖是基坑內側土體的持續“卸載”過程,開挖初期,基坑坑壁土體孔隙水排出,孔壓下降,引起樁側土壓力降低;當開挖至測點深度時,開挖對坑壁土層擾動較大,土方開挖對開挖面以下3 m范圍內的土壓力影響顯著,此時土壓力迅速上升,這與文獻[15]的結論一致;當開挖深度超過測點深度時,樁側土壓力迅速恢復到較低數值;當開挖深度達到20 m左右時,由于基坑暴露時間較長,樁側土體產生蠕變和松弛,土體承載能力降低,樁側土壓力增大。此外,由于第3階的開挖速度較快,僅在開挖至25.50 m時進行MG5鉆孔安裝,支護錨桿(索)并未充分發揮其限制土體變形與協調樁身受力的作用,因此,施工中應協調開挖與支護的工程進度,嚴格控制開挖速度。

5)當h=19.10～25.50 m時,巖層中土壓力在7.85～12.84 kPa范圍內波動,不同于土層中樁側土壓力,土層中樁側土壓力長時間維持在10.00 kPa以內。分析原因是,基坑開挖至塊狀碎裂巖、微風化花崗巖地層,上部微型鋼管樁受下部基坑開鑿振動影響,樁身局部受周圍土體的“擠壓力”增大,造成樁身局部樁側土壓力增大。

6)土巖分界面樁側土壓力隨基坑開挖深度總體呈“波狀遞增”變化趨勢,且變化幅度較大,這與彭社琴等[16]、DOU Hongqiang等[17]研究結論相同。一方面,受到施工進度、土體沉降、圍護結構撓曲及施工機械布置等各種因素的綜合影響,樁側土壓力隨開挖深度的動態變化異常復雜,很難呈現出理想狀態下的變化趨勢,而土巖分界面強度最低,此處巖土體極易受到擾動而發生較大變形,使樁側土壓力長期處于較高值且呈現“波狀遞增”變化趨勢;另一方面,土巖分界面為粗砂、強風化花崗巖下亞帶與強風化煌斑巖過渡界面,由于粗砂的抗剪強度遠遠小于強風化花崗巖的抗剪強度,在分界面會形成一個剪切變形高度集中的局部化區域,下方巖體為Ⅴ級,屬于巖土層受力的“薄弱點”,該開挖深度附近的工程地質條件滿足滑裂面理論[18]及樁側土壓力理論[19],因此,在基坑開挖過程中應重點關注該界面樁側土壓力的變化。

依據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》、JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》、GB 50497—2019《建筑基坑工程監測技術標準》,將微型鋼管樁不同開挖深度處樁側土壓力實測值σm與設計值σd進行對比,設計值采用靜止土壓力乘以基本組合效應設計系數,計算結果如表3。

表3 樁側土壓力實測值與設計值Table 3 Measured and designed values of soil pressure on pile side

由表3可見:土巖分界面樁側土壓力的實測值最接近設計值,已達到二級基坑監測預警值。這進一步證明土巖分界面是巖土層受力的薄弱點,在基坑開挖支護過程中須對該開挖深度巖土體進行加固處理。

3.2 樁側土壓力與樁身彎矩關系

對比圖4、圖5可見:

1)基坑開挖過程中,土層中樁身彎矩W與樁側土壓力σ的變化趨勢基本一致。在開挖初期(h<2.35 m),W變化較小;當h=2.35→5.40 m時,|W|=1.08→13.01 kN·m;當h> 5.40 m時,W略有降低;當h< 21.00 m時,W= 4.46～8.41 kN·m。在基坑進入第3階開挖后,W呈直線上升,當開挖至坑底時,W=24.77 kN·m。

2)在基坑開挖至21.40 m前,巖層中樁身彎矩與樁側土壓力的變化曲線軌跡大致相同,均呈現先減小后增大,再次減小后增大,隨后持續增大的趨勢;基坑開挖深度超過21.40 m后,樁身彎矩到達最大值21.61 kN·m;隨著開挖深度繼續增大,樁身彎矩值在8.36～17.35 kN·m范圍內波動。

3)隨著基坑開挖深度的增大,土巖分界面|W|長期穩定在較低數值,波動范圍為0～7.73 kN·m。

4)對比土層中與巖層中微型鋼管樁樁側土壓力與樁身彎矩值的變化趨勢,發現兩者雖然變化趨勢大致相同,相互存在調整關系,這與文獻[20]結論相吻合,但樁側土壓力變化幅度明顯比樁身彎矩值更“劇烈”。究其原因是:①作為一種支護結構,微型鋼管樁能夠通過自身變形來抵抗樁側土壓力,基坑開挖在一定深度范圍內,支護錨桿(索)的復合支護型式能夠有效協調樁身內力并限制樁身產生較大的變形,進而限制彎矩的增幅;②預應力錨索使得臨近索孔的樁身彎矩值變小,因此在土巖分界面即MS3索孔附近樁身彎矩值較小,彎矩值變化趨勢與該深度處土壓力差異較大,彎矩值變化趨勢與楊忠平等[21]、SU Tiantao等[22]監測結果相符;③試驗場地層7.55 m深度為強風化煌斑巖地層,巖石承載能力及自身穩定性優于上覆巖土層,因而當巖層中微型鋼管樁樁身彎矩值達到21.61 kN·m后,并未隨基坑開挖深度的繼續增加而增大。

5)基坑進入第3階開挖后,主要采用爆破方法進行掘進,且第3階基坑采用全長黏結型錨桿進行支護,承載力設計值較小,隨著基坑開挖深度持續增大,上部微型鋼管樁內力及變形增大,土層中與巖層中樁身彎矩值均在基坑進行第3階開挖時(開挖深度超過21.40 m后)出現最大值。

綜上,根據朗肯(Rankine)土壓力理論,樁側土壓力不僅與土層物理力學性質及支護結構變形特性有關,還與基坑開挖次序、基坑暴露時間以及施工工藝有關,即土壓力受基坑開挖的時空效應影響較大。

4 結 論

依托青島地鐵某基坑工程,在微型鋼管樁外壁對稱布置電阻式應變片,并在樁身迎土面布置土壓力盒,開展了微型鋼管樁支護結構的現場試驗,測試了距樁頂不同位置處樁側土壓力與樁身彎矩值,分析了土層中、土巖分界面及巖層中樁身彎矩與樁側土壓力的變化規律及相互關系。研究得到以下主要結論:

1)隨著基坑開挖深度的增加,土層中與巖層中樁側土壓力均呈先減小后增大,再次減小后再增大,隨后持續增大的變化趨勢。基坑開挖深度、暴露時間及施工工序對土壓力影響較大,施工中應協調開挖與支護的工程進度,嚴格控制開挖速度。

2)土巖分界面樁側土壓力隨基坑開挖總體呈“波狀遞增”趨勢,該深度土壓力數值變化幅度較大,極易受到外界環境的影響。土巖分界面土壓力實測值與設計值的比值已達基坑監測預警值,在基坑開挖過程及后續施工中應重點關注該界面樁側土壓力的變化,必要時,可以采用上部為鉆孔灌注樁,下部為微型鋼管樁的鋼管嵌套樁支護型式,以減小支護結構局部變形。

3)土層中與巖層中樁側土壓力與樁身彎矩變化趨勢大致相同,但樁身彎矩受支護錨桿(索)影響較大,基坑開挖在一定深度內,支護錨桿(索)能夠限制彎矩的增幅。

4)預應力錨索可大幅度降低臨近索孔的樁身彎矩,使得土巖分界面樁身彎矩變化幅度遠小于該位置土壓力變化幅度,從而抑制了圍護結構的撓曲變形。