王祥秋，廖鎮(zhèn)源，鄭土永，朱道立

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院交通與土木建筑學(xué)院，廣東 佛山 528225)

在城市建筑密集區(qū)，因受周邊環(huán)境條件以及用地紅線等因素影響，雙排樁已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于城市深基坑支護(hù)工程。但由于雙排樁受力機(jī)制(特別樁土間相互作用機(jī)理)十分復(fù)雜，目前，關(guān)于雙排樁的設(shè)計(jì)理論尚不夠成熟。為此，學(xué)者們針對(duì)深基坑雙排樁支護(hù)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(guò)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(duì)雙排樁的內(nèi)力與變形進(jìn)行分析計(jì)算。Zhao等[3]通過(guò)數(shù)值模擬研究無(wú)連梁懸臂式雙排支護(hù)樁在開(kāi)挖過(guò)程中的受力特性。Huang[4]通過(guò)建立門(mén)式雙排樁力學(xué)性態(tài)微分方程，基于高精度龍格-庫(kù)塔有限差分法提出一種計(jì)算雙排樁內(nèi)力和位移的新方法。楊光華等[5]針對(duì)傳統(tǒng)雙排樁土壓力計(jì)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(jì)算模式。王俊杰等[6]提出了可同時(shí)考慮地基抗力和樁-承臺(tái)協(xié)調(diào)作用的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，推導(dǎo)了樁基和承臺(tái)內(nèi)力與變形的計(jì)算公式。曹凈等[7]通過(guò)引入等效桁架模型, 將前、后排樁樁間土等效為平面桁架結(jié)構(gòu), 進(jìn)而提出一種基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)計(jì)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(duì)雙排樁抗傾覆安全系數(shù)影響的改進(jìn)計(jì)算方法。試驗(yàn)研究方面，Yu等[9]、Shen等[10]、彭文祥等[11]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯苛穗p排樁排距、行距和開(kāi)挖深度等參數(shù)對(duì)雙排樁內(nèi)力及變形的影響。Buslov等[12]基于框架結(jié)構(gòu)柔性樁以及組合剛架假設(shè)，通過(guò)對(duì)雙排樁路基支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力測(cè)試成果，研究了雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中后排樁的承載特性。范剛等[13]利用大型振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行雙排抗滑樁加預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡的模型試驗(yàn)，研究在地震動(dòng)作用下預(yù)應(yīng)力錨索雙排樁的破壞機(jī)理與承載特性。鄭軒等[14]通過(guò)地層和雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的相似材料模型，模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程，探究雙排樁的變形規(guī)律，并建立數(shù)值模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。目前，關(guān)于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究大都基于雙排樁的排距、樁間距以及樁長(zhǎng)等不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其受力特性的影響，針對(duì)樁周土體加固效應(yīng)對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性影響的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。筆者基于模型試驗(yàn)原理[15]，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，重點(diǎn)研究樁間土以及樁側(cè)土體加固效應(yīng)對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性及變形規(guī)律的影響，從而為深基坑工程雙排樁設(shè)計(jì)與施工提供理論與試驗(yàn)參考。

1 雙排樁模型試驗(yàn)

1.1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

雙排樁室內(nèi)模型試驗(yàn)基于相似模型試驗(yàn)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究對(duì)象原型為開(kāi)挖深度為7 m的粉細(xì)砂地層深基坑工程。為了研究樁間土、樁側(cè)土加固以及樁底土層性質(zhì)對(duì)雙排樁支護(hù)特性的影響，試驗(yàn)過(guò)程中保持雙排樁的設(shè)計(jì)參數(shù)不變，只改變樁間土以及樁周土的力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞某叽缂把芯恐攸c(diǎn)，確定模型試驗(yàn)的幾何相似比為CL=1∶10，容重相似比為Cγ=1∶1。土層選用級(jí)配良好的粉細(xì)砂原型料，樁間以及樁側(cè)加固土體則采用石膏、水泥以及細(xì)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(xì)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(jìn)行模擬。模型試驗(yàn)材料參數(shù)如表1所示。

表1 模型試驗(yàn)材料參數(shù)Table 1 Material parameters of model test

雙排樁模型參數(shù)為前后排模型樁均采用PVC管樁，直徑75 mm(壁厚2.3 mm)，樁長(zhǎng)1 300 mm，排距225 mm，樁間距150 mm，樁頂設(shè)置長(zhǎng)×寬×厚度為970 mm×300 mm×7 mm的有機(jī)玻璃板，蓋板與樁頂采用ERGEO5800強(qiáng)力膠粘接。為防止開(kāi)挖過(guò)程中砂土從前排樁樁間流出，在前排樁后側(cè)設(shè)置一道泡沫擋土板，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)參數(shù)如圖1所示。

圖1 雙排樁試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)圖Fig.1 Model design of double-row pile

根據(jù)深基坑工程設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，共設(shè)計(jì)了4種試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以模擬樁間土、樁端土以及被動(dòng)區(qū)土體加固效應(yīng)對(duì)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(qiáng)風(fēng)化巖層)，被動(dòng)區(qū)加固深度和寬度分別為500、300 mm。試驗(yàn)?zāi)Ｐ途唧w參數(shù)如表2所示。

表2 雙排樁試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)Table 2 Model parameters of double-row pile test

1.2 試驗(yàn)裝置及開(kāi)挖工況

由于深基坑工程雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在樁側(cè)土壓力作用下主要產(chǎn)生彎曲效應(yīng)，故在前后排樁樁身兩側(cè)對(duì)稱粘貼應(yīng)變片(應(yīng)變片型號(hào)為BE120-5AA(11)，阻值120.0 Ω，靈敏系數(shù)2.11，格柵長(zhǎng)5 mm，寬2.8 mm)。應(yīng)變片具體布設(shè)方式如圖2所示。試驗(yàn)過(guò)程中采用東華D3650應(yīng)變采集系統(tǒng)采集不同試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诟鞣植介_(kāi)挖工況下前后排樁的樁身彎曲應(yīng)變，雙排樁樁頂水平位移則利用數(shù)顯百分表進(jìn)行測(cè)量。

圖2 雙排樁應(yīng)變片布設(shè)方案Fig.2 Scheme of strain gauges for double-row

雙排樁試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮陂L(zhǎng)×寬×高=4.0 m×1.0 m×2.0 m的巖土試驗(yàn)箱體內(nèi)制作，砂土及加固土采用同步分層填埋與壓實(shí)，每次填埋壓實(shí)厚度為150 mm，填埋至設(shè)計(jì)標(biāo)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(dāng)于實(shí)際超載50 kPa)進(jìn)行堆載預(yù)壓3 d?；娱_(kāi)挖深度700 mm，共分7個(gè)開(kāi)挖步，每一開(kāi)挖步的平均開(kāi)挖深度為100 mm。開(kāi)挖過(guò)程中，為了減少開(kāi)挖對(duì)土層及模型樁的擾動(dòng)，采用抹泥刀分層剝離開(kāi)挖。每一開(kāi)挖步完畢后，待模型樁變形達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，采集樁身應(yīng)變及樁頂水平位移。雙排樁模型試驗(yàn)過(guò)程如圖3所示。

圖3 雙排樁模型試驗(yàn)過(guò)程Fig.3 Model test process of double row

2 模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 樁身彎曲效應(yīng)分析

基坑開(kāi)挖到底時(shí)各加固工況條件下雙排樁前、后排樁身彎矩量測(cè)值如表3所示。

為了分析研究不同加固工況對(duì)雙排樁樁身彎矩的影響，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制前后排樁彎矩變化趨勢(shì)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(shì)存在顯著差異，呈現(xiàn)出截然不同的加固效果。當(dāng)采用樁間土加固、樁側(cè)被動(dòng)區(qū)加固以及樁底加固等單一加固措施時(shí)，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(shí)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(fù)彎矩分別為88.53、157.666、122.365 N·m，與未采取加固措施時(shí)前排樁樁身最大負(fù)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(shí)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(fù)彎矩分別為40.325、98.369、86.624N·m，與未采取加固措施時(shí)后排樁樁身最大負(fù)彎矩90.458 N·m相比，分別下降了55.4%、-8.7%和4.3%。由此可見(jiàn)，當(dāng)采用單一加固措施時(shí)，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(shí)顯著降低；樁底加固效果次之；樁側(cè)被動(dòng)區(qū)加固對(duì)降低前后排樁樁身彎矩值效果最不明顯。實(shí)際工程中，可將攪拌樁或高壓旋噴樁止水帷幕設(shè)置于前后排樁之間，對(duì)樁間土進(jìn)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(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，基坑開(kāi)挖到底時(shí)，各加固工況條件下雙排樁樁頂水平位移量測(cè)值如表4所示，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制樁頂水平位移的變化規(guī)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(kāi)挖深度呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，即隨開(kāi)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(xiàn)出截然不同的加固效果。當(dāng)采用樁間土加固、樁側(cè)被動(dòng)區(qū)加固以及樁底加固等單一加固措施時(shí)，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(shí)分別減少了57.5%、39.2%和27.6%，表明對(duì)雙排樁樁間土體、樁側(cè)被動(dòng)區(qū)土體以及樁底土體進(jìn)行加固或者將樁底嵌入強(qiáng)度較高的巖土層時(shí)，均可有效控制雙排樁水平位移，但以樁間土加固對(duì)控制雙排樁變形效果最好。

2.3 開(kāi)挖深度對(duì)雙排樁內(nèi)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(kāi)挖過(guò)程的變化趨勢(shì)如圖6所示。由圖6可知，樁底加固與樁側(cè)被動(dòng)區(qū)加固兩種工況條件下，前、后排樁樁身彎矩隨開(kāi)挖深度呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，且樁身正、負(fù)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(kāi)挖深度表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，且樁身正、負(fù)彎矩值與樁底加固和樁側(cè)被動(dòng)區(qū)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(kāi)挖以及圍護(hù)樁變形過(guò)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(guān)。當(dāng)對(duì)樁間土進(jìn)行加固處理之后，其變形模量顯著提高，由此增強(qiáng)了樁土復(fù)合體的截面抗彎剛度，從而改變了樁土復(fù)合體的承載特性，使前、后排樁樁身內(nèi)力呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。實(shí)際工程中，可充分利用樁間土共同作用的力學(xué)特性，優(yōu)化深基坑工程雙排樁設(shè)計(jì)參數(shù)與施工工況。

圖6 雙排樁樁身彎矩-開(kāi)挖深度關(guān)系曲線Fig.6 Curves of bending moment-excavation depth for

與此同時(shí)，不同加固條件下，雙排樁前、后排樁樁身彎矩值隨基坑開(kāi)挖工況(即開(kāi)挖深度變化)呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。如圖6中(a-1)、(b-1)、(c-1)所示，前排樁樁身最大正、負(fù)彎矩值均隨基坑開(kāi)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(kāi)挖深度的增加逐步向基坑開(kāi)挖面移動(dòng)；而樁身最大負(fù)彎矩值均位于基坑開(kāi)挖面以下，其位置均隨著基坑開(kāi)挖深度的增大逐步向樁底移動(dòng)。而后排樁樁身彎矩則與前排樁表現(xiàn)出截然不同的變化規(guī)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(xiàn)為負(fù)彎矩值，且在地表處樁身彎矩幾乎為零，隨著基坑開(kāi)挖深度不斷增加，樁身負(fù)彎矩值逐步增大，并在基坑開(kāi)挖面附近達(dá)到最大值，而在基坑開(kāi)挖面以下，樁身負(fù)彎矩值逐步減小，并在樁底處達(dá)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(shè)了應(yīng)變式土壓力盒，3個(gè)土壓力盒分別位于基坑表面0.25、0.45、0.65 m處(3個(gè)測(cè)點(diǎn)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(kāi)挖深度關(guān)系曲線(如圖7所示)。

圖7 樁土界面土壓力-開(kāi)挖深度關(guān)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(xiàn)出相似的變化規(guī)律，即隨著開(kāi)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?yàn)殡p排樁類似于剛架結(jié)構(gòu)，當(dāng)雙排樁向基坑內(nèi)發(fā)生位移時(shí)，前排樁與樁間土之間存在脫離的趨勢(shì)，從而導(dǎo)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(nèi)的水平位移所產(chǎn)生的擠壓效應(yīng)，導(dǎo)致樁土界面土壓力增大。與此同時(shí)，由圖7可知，當(dāng)基坑開(kāi)挖深度少于0.3 m時(shí)(第3開(kāi)挖步之前)，土壓力降低的幅度較少，而當(dāng)開(kāi)挖深度超過(guò)0.4 m時(shí)(即開(kāi)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(shì)加劇有關(guān)。

3 結(jié)論

1)雙排樁樁間土加固、樁側(cè)被動(dòng)區(qū)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(fù)彎矩值。若采用單一加固措施，以樁間土加固效果優(yōu)于樁側(cè)被動(dòng)區(qū)以及樁端土層加固。實(shí)際工程可將止水帷幕設(shè)置于樁間土內(nèi)，以提高深基坑工程綜合效益。

2)對(duì)深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁間土進(jìn)行加固時(shí)，可顯著提高樁間土的變形模量，由此增強(qiáng)樁土復(fù)合體截面的整體抗彎剛度，從而提高樁土復(fù)合體的承載能力，并使前、后排樁樁身內(nèi)力呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。實(shí)際工程中，可充分利用樁間土共同作用的力學(xué)特性，優(yōu)化深基坑工程雙排樁設(shè)計(jì)參數(shù)與施工工況。

3)對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)深基坑工程樁間土體、樁側(cè)被動(dòng)區(qū)土體以及樁底土層進(jìn)行加固或者將樁底嵌入強(qiáng)度較高的巖土層時(shí)，均可有效控制雙排樁水平位移，并以樁間土加固對(duì)控制雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形效果最好，在城市建構(gòu)筑物與地下管線密集區(qū)域以及對(duì)基坑變形有嚴(yán)格要求的復(fù)雜環(huán)境條件下，可充分利用樁間土加固措施有效控制基坑變形。