李宏安　郭盛

摘要：針對(duì)在深層開(kāi)挖條件下進(jìn)行自平衡法試樁時(shí)，通過(guò)采取有效措施消除開(kāi)挖段的側(cè)摩阻力影響后，由于深層覆土開(kāi)挖卸荷導(dǎo)致工程樁樁周土體圍壓減小，從而導(dǎo)致荷載箱上段樁抗拔承載力降低這一問(wèn)題，通過(guò)借鑒目前在抗拔樁方面已有的相關(guān)分析方法、負(fù)摩阻力、基底附加應(yīng)力以及相關(guān)土力學(xué)基礎(chǔ)理論，提出了基于Mindlin解的簡(jiǎn)化分析方法以及負(fù)摩阻力-附加應(yīng)力法兩種簡(jiǎn)化分析方法，并以北京某地鐵車站中間柱下樁為例，分別估算深層開(kāi)挖土體卸荷引起的上段樁承載力的損失值。兩種方法所得出的估算值存在較大差異，對(duì)其原因進(jìn)行了初步分析。兩種簡(jiǎn)化分析方法的合理性及準(zhǔn)確性還有待于進(jìn)一步完善和實(shí)踐驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：基樁；深層開(kāi)挖；自平衡試樁法；上段樁；承載力；簡(jiǎn)化計(jì)算方法

中圖分類號(hào)： TU413.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-4764（2015）04-0084-06

Abstract：In the self-balanced pile test in the deep excavation， effective measures are taken to eliminate the side friction effect after excavation. The unloading of deep overburden excavation caused decrease in soil confining pressure surrounding engineering pile and as a result reduce of the upper load box pile pullout capacity. Based on the additional correlation analysis method， the negative friction， base and relevant soil mechanics theory， a simplified analysis method of Mindlin and negative friction-additional stress solutions are proposed. The column pile in a subway station in Beijing is studied to estimate the loss of upper pile bearing capacity caused by deep excavation soil unloading. The results of the two methods show significant difference and the reasons are discussed. The applicability and accuracy of the two simplified analysis methods require further study..

Key words：pile； deep excavation； self balanced pile； upper pile； bearing capacity； simplified calculation method

發(fā)達(dá)國(guó)家提出在樁身中埋設(shè)荷載箱的測(cè)試方法，稱之為O-cell法[1-2]，中國(guó)稱為自平衡法。作為一種新興的單樁承載力測(cè)試技術(shù)，自平衡試樁法的優(yōu)越性及其在經(jīng)濟(jì)上的巨大潛力已經(jīng)開(kāi)始展示。目前它是歐美進(jìn)行基樁靜荷載試驗(yàn)的首選方法[3-4]。國(guó)外許多研究都表明自平衡測(cè)試在實(shí)際工程中可取代傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)，得到基樁承載力的可靠數(shù)據(jù)，并且對(duì)其承載力進(jìn)行判斷與指導(dǎo)樁基礎(chǔ)的科學(xué)、合理設(shè)計(jì)[5-6]。

自平衡試樁法從20世紀(jì)90年代后期被引入中國(guó)以來(lái)，因其省時(shí)省力、安全經(jīng)濟(jì)以及基本不占用場(chǎng)地等優(yōu)點(diǎn)，并且在超大噸位以及水下、山上、坡地、建（構(gòu)）筑物密集區(qū)、狹窄場(chǎng)地及深基坑內(nèi)等困難條件下，有效解決了傳統(tǒng)靜載試樁法難以做到的一些難題，近年來(lái)得以快速發(fā)展和應(yīng)用，是一種逐漸興起的新試樁方法[7]。

通過(guò)十幾年的發(fā)展應(yīng)用，自平衡試樁法在一些常見(jiàn)工況的應(yīng)用上技術(shù)手段已相對(duì)成熟。但隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加速，興建了如地鐵、地下車庫(kù)、地下商場(chǎng)等大量地下建筑，由此產(chǎn)生了大量深基坑工程。其中，有大量工程的荷載試驗(yàn)需在地面完成，而不具備在工程樁設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高處（基坑底部）進(jìn)行試驗(yàn)的條件，由此導(dǎo)致試樁與工程樁工況的差異。即使采用如雙套管施工或通過(guò)在設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高以上不澆筑混凝土結(jié)合設(shè)置護(hù)筒等方法，也只是大致消除了開(kāi)挖段的側(cè)摩阻力的影響。在地面開(kāi)展自平衡法試樁得到的荷載箱以上部分樁體（簡(jiǎn)稱上段樁，下同）承載力與實(shí)際工程樁存在的另一個(gè)主要差別是基坑開(kāi)挖后，深層覆土開(kāi)挖卸荷，工程樁樁周土體圍壓減小，勢(shì)必導(dǎo)致荷載箱上段樁抗拔承載力的降低。如果簡(jiǎn)單地將地面試樁上段樁抗拔承載力扣除開(kāi)挖段后得到的有效樁長(zhǎng)承載力作為工程樁的承載力，對(duì)于工程樁實(shí)際狀態(tài)而言是不利的。

由于過(guò)去涉及的工程開(kāi)挖面積小深度淺，試樁樁頂標(biāo)高與工程樁設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高一致，或開(kāi)挖深度較淺，這一情況并未引起廣泛關(guān)注，但隨著地下空間的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，深大基坑越來(lái)越多的出現(xiàn)，這一問(wèn)題勢(shì)必將得到重視。

而針對(duì)這一問(wèn)題，目前還沒(méi)有成熟的、可靠的計(jì)算分析方法，可借鑒的是中國(guó)在抗拔樁相關(guān)方面的研究，尤其是上海世博500 kV大型地下變電站工程相關(guān)課題組的研究成果[8-11]。

本文結(jié)合北京某地鐵車站中間柱下樁基試樁實(shí)例，對(duì)深層開(kāi)挖引起的自平衡試樁法上段樁承載力損失這一問(wèn)題，提出了兩種簡(jiǎn)化計(jì)算方法，供類似工程參考，但其合理性、準(zhǔn)確性還有待于進(jìn)一步探討、驗(yàn)證和改善。

1 深層開(kāi)挖條件下上段樁承載力損失簡(jiǎn)化計(jì)算方法

深層覆土經(jīng)開(kāi)挖卸荷后引起自平衡試樁法上段樁的承載力損失，需在試驗(yàn)結(jié)果中的上段樁的承載力計(jì)算中扣除該部分荷載，但目前其損失值的計(jì)算方法還不成熟。本文參考有關(guān)土力學(xué)基礎(chǔ)理論，借鑒目前抗拔樁相關(guān)的分析方法[8-11]、Mindlin應(yīng)力解的應(yīng)用研究[12-13]以及負(fù)摩阻力[14-15]、基底附加應(yīng)力[16-17]的計(jì)算方法提出了兩種簡(jiǎn)化計(jì)算分析方法：基于Mindlin解的簡(jiǎn)化分析方法和負(fù)摩阻力-附加應(yīng)力法。

1）基于Mindlin解的簡(jiǎn)化分析方法。

借鑒文獻(xiàn)[18]中抗拔樁在開(kāi)挖條件下的抗拔承載力損失計(jì)算方法，不考慮后注漿對(duì)樁身結(jié)構(gòu)的影響，將荷載箱上段樁視為等截面樁。其試驗(yàn)結(jié)果中由于基坑開(kāi)挖引起的承載力損失部分為

式中：d為鉆孔樁直徑，li為中性點(diǎn)以上第i土層的厚度。中性點(diǎn)深度ln的確定[14]是下拉荷載計(jì)算的關(guān)鍵點(diǎn)，需注意的是當(dāng)樁周不存在軟弱土層的情況下，如何確定計(jì)算中性點(diǎn)深度的問(wèn)題。根據(jù)中性點(diǎn)的概念，在該點(diǎn)處樁身正、負(fù)摩阻力抵消為零，可考慮將樁的抗拔側(cè)摩阻力等于附加應(yīng)力的點(diǎn)視為中性點(diǎn)。

3）基于Mindlin解的簡(jiǎn)化分析方法做為一種極限平衡分析方法，其在開(kāi)挖條件下的傳統(tǒng)抗拔樁中的分析結(jié)果已被驗(yàn)證是與數(shù)值分析方法結(jié)果及離心試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果非常接近，誤差均在10%以內(nèi)[22]。該簡(jiǎn)化分析方法被證明是合理的，可以預(yù)測(cè)開(kāi)挖條件下傳統(tǒng)抗拔樁的承載力損失。但畢竟自平衡法上段樁其受力狀態(tài)還是有別于傳統(tǒng)樁頂承受上拔荷載（樁身受拉）的抗拔樁，而更接近于采用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線下端錨固方式的新型抗拔樁（樁身受壓），而后者的抗拔承載力較前者有大幅提升[23]。該簡(jiǎn)化分析方法在自平衡上段樁承載力損失分析上的應(yīng)用還有待進(jìn)一步論證。

2 實(shí)例分析

2.1 試樁概況

北京地鐵某車站采用蓋挖逆筑法施工，位于城區(qū)一條交通主干道中央下方。車站覆土約為4.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段凈寬為19.7 m，總凈長(zhǎng)為255 m。鋼管混凝土柱下基礎(chǔ)樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)21.5 m，樁徑1.8 m，采用樁底及樁側(cè)復(fù)式后注漿工藝，其中樁側(cè)設(shè)置4根注漿管并樁體通長(zhǎng)注漿，樁底設(shè)置3根注漿管，單樁設(shè)計(jì)承載力特征值8 000 kN。樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高在場(chǎng)地現(xiàn)地面下17.6～19.3 m。

試樁場(chǎng)地土層自上而下依次為：粉土填土①層、雜填土①1層、粉土③層、粉質(zhì)粘土③1層，粉質(zhì)粘土④層、粉土④2層、粉細(xì)砂④3層、粉土⑥2層、粉質(zhì)粘土⑥層、粉細(xì)砂⑦2層、圓礫卵石⑦層、粉質(zhì)粘土⑧層、粘土⑧1層、粉土⑧2層、粉細(xì)砂⑨2層。

中間柱下樁樁頂位于⑥2層，中間柱下樁樁底位于⑨2層，荷載箱位于⑧2層。

由于車站施工步序要求，不允許待基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)坑底標(biāo)高后再做靜荷載試驗(yàn)，需在現(xiàn)狀地面上進(jìn)行。通過(guò)采用自平衡法試樁，很好地解決了施工場(chǎng)地狹小的限制。

試樁樁頂距地面約20 m范圍為空孔，為能真實(shí)可靠的反映工程樁實(shí)際工作狀態(tài)，本工程采用的上部筒底標(biāo)高與工程樁標(biāo)高一致，內(nèi)徑為2.0 m的護(hù)筒結(jié)合空孔法（即試樁僅澆筑至工程樁樁頂標(biāo)高）以實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖段側(cè)摩阻力影響的消除，提供有效樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的承載力。

該車站進(jìn)行的3根中間柱下樁試樁，在工程樁樁頂標(biāo)高與護(hù)筒頂分別量測(cè)上拔量，二者位移量具有很好的一致性，表明所采取措施起到了良好的隔離效果。

2.2 按常規(guī)方法得出的試驗(yàn)結(jié)果

3根試樁實(shí)測(cè)荷載箱向上、向下兩條Q-S曲線如圖3～5所示。

根據(jù)圖3～5的Q-s曲線可以看到：試樁的上位移曲線都屬緩變形且位移量相對(duì)較小，故均可將最后一級(jí)荷載取為樁身的自平衡承載力。通過(guò)參考文獻(xiàn)[24]所述方法轉(zhuǎn)換，得出1、2、3號(hào)試樁上段樁承載力分別為9 094、9 058、9 070 kN。

依此方法，綜合上、下段樁計(jì)算結(jié)果，試樁承載力可以滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 考慮深層開(kāi)挖對(duì)上段樁承載力的影響后得出

的試驗(yàn)結(jié)果

分別通過(guò)基于Mindlin解的簡(jiǎn)化分析方法以及負(fù)摩阻力-附加應(yīng)力法計(jì)算對(duì)1號(hào)試樁計(jì)算深層開(kāi)挖引起上段樁承載力的損失值，得出結(jié)果見(jiàn)表1。

從計(jì)算結(jié)果分析，兩種方法的所得出計(jì)算結(jié)果存在一些差異。導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)較大差異的原因有：

1）基于Mindlin解的簡(jiǎn)化分析方法是通過(guò)將矩形尺寸轉(zhuǎn)換為圓形基坑的等效開(kāi)挖半徑進(jìn)行計(jì)算的，而負(fù)摩阻力-附加應(yīng)力法是以實(shí)際基坑開(kāi)挖的矩形尺寸進(jìn)行計(jì)算，并且考慮到了試樁在基坑中的位置對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。當(dāng)試樁位于基坑中心時(shí)，兩者差異較小，而試樁位于基坑邊角時(shí)，兩者差異較大。

2）基于Mindlin解的簡(jiǎn)化分析方法考慮了地基土質(zhì)條件的泊松比對(duì)應(yīng)力計(jì)算的影響。當(dāng)泊松比較大時(shí)，計(jì)算結(jié)果就大；當(dāng)泊松比較小時(shí)，計(jì)算結(jié)果就小。而負(fù)摩阻力-附加應(yīng)力法未考慮該項(xiàng)影響。

除此以外，還有其他諸多導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生差異的因素。

由此可見(jiàn)，兩種方法均存在不完善之處，二者的計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性還有待于進(jìn)一步進(jìn)行深入分析及驗(yàn)證。

而表1中，即使較小的損失值亦達(dá)到了2 320 kN，將常規(guī)方法得出的試驗(yàn)結(jié)果中扣除該部分荷載后，在目前的加載等級(jí)下，所得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)還不足以說(shuō)明試樁承載力是否滿足設(shè)計(jì)對(duì)承載力的要求，需加大試驗(yàn)荷載。

當(dāng)要進(jìn)行樁的極限承載力破壞性試樁時(shí)，為能使荷載箱上、下兩段樁的反力相等，對(duì)平衡點(diǎn)的計(jì)算同樣要考慮深層開(kāi)挖前后上段樁的反力大小變化，將平衡點(diǎn)適當(dāng)上移。

因蓋挖逆作施工工法的特點(diǎn)，不具備在基坑開(kāi)挖至基底后，消除上層覆土影響后再次進(jìn)行試驗(yàn)，以比較在開(kāi)挖前后的試驗(yàn)結(jié)果，可以具體量化并驗(yàn)證深層覆土開(kāi)挖對(duì)基樁承載力的試驗(yàn)結(jié)果。

3 結(jié) 論

1） 針對(duì)深層開(kāi)挖條件下自平衡試樁法上段樁承載力的損失問(wèn)題，參考抗拔樁現(xiàn)有相關(guān)研究進(jìn)行了分析，進(jìn)行了一些探討。但自平衡法中上段樁的受力狀態(tài)與實(shí)際情況下抗拔樁受力狀態(tài)是不同的，此中差異還需從理論和實(shí)踐中深入分析、研究。

2） 深層開(kāi)挖條件下，在采取措施有效消除開(kāi)挖段土層側(cè)摩阻力的影響后，土體開(kāi)挖卸荷引起的承載力損失成為影響最終試驗(yàn)結(jié)果的主要因素。若能解決這一問(wèn)題，將使自平衡法更為準(zhǔn)確、有效地在類似工程中得到推廣應(yīng)用。

3） 深層開(kāi)挖條件下自平衡上段樁的承載力需考慮開(kāi)挖土體卸荷后的折減。本文初步提出了兩種簡(jiǎn)化分析方法：基于Mindlin解的簡(jiǎn)化分析方法以及負(fù)摩阻力-附加應(yīng)力法。其合理性及準(zhǔn)確性還有待于進(jìn)一步進(jìn)行有限元分析，模型試驗(yàn)，以及在實(shí)際工程當(dāng)中的進(jìn)一步比對(duì)、論證。

4） 雖然與傳統(tǒng)的靜載試驗(yàn)法相比，自平衡試樁法所得到的單樁承載力是偏小的[25-26]，在工程應(yīng)用上是偏于安全的。但由于深層開(kāi)挖引起的承載力損失比率已不容忽視，只有正確認(rèn)識(shí)并掌握其影響，針對(duì)性控制試驗(yàn)荷載，并合理地進(jìn)行承載力折減，才是對(duì)工程安全的客觀保證。

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（編輯 王秀玲）