楊蘇春,張明義*,管金萍,李兆龍

開挖卸荷對淤泥質(zhì)土既有靜壓樁影響現(xiàn)場試驗(yàn)研究

楊蘇春1,張明義1*,管金萍1,李兆龍2

1. 青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院, 山東 青島 266033 2. 中青建安建設(shè)集團(tuán)有限公司, 山東 青島 266033

為研究開挖卸荷過程中淤泥質(zhì)土體側(cè)移對既有嵌巖樁基影響，在淤泥質(zhì)土體開挖前預(yù)設(shè)多個(gè)測斜點(diǎn)，長時(shí)間監(jiān)測開挖卸荷過程中與開挖面不同距離下各深度的變形數(shù)據(jù)，根據(jù)淤泥土體位移變化規(guī)律結(jié)合郎肯土壓力理論建立計(jì)算模型，利用該模型進(jìn)行樁基嵌巖深度范圍的確定及樁身優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明：（1）基坑開挖卸荷時(shí)在開挖面下2 m處土體位移達(dá)到最大，最大影響深度約為4 m；（2）基坑開挖卸荷2天內(nèi)土體變化較明顯，2 d后土體位移趨于穩(wěn)定；（3）淤泥質(zhì)土層嵌巖樁嵌固端具體深度并不是定值，應(yīng)根據(jù)樁頂土體側(cè)移力及樁身的長度反推確定。

開挖卸荷; 嵌巖樁; 現(xiàn)場試驗(yàn); 嵌巖深度

在諸多沿海城市地下存在較厚的淤泥層這就給建筑物的施工增添了較多麻煩，受地基承載力的限制，因靜壓樁機(jī)重量較大且移動不便只能先施工樁基再進(jìn)行基坑開挖。然而，為了保證樁基具有足夠的承載力，樁基必須穿過淤泥質(zhì)土層嵌入巖體，這就需要較長的樁身使樁底作用于巖體。這種地層的存在造成了先成樁后開挖卸荷的情況，淤泥土的靈敏度高，擾動后會發(fā)生較大變形，在淤泥中的樁基也會受到卸荷造成的水平推力。這類開挖卸荷造成的施工荷載并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮，此類情況造成的工程事故屢見不鮮，最為出名的是上海閔行區(qū)蓮花南路在建的蓮花河畔景苑樓體整體傾覆事件[1]。

針對軟土地層基坑開挖對既有工程樁的影響，不少專家學(xué)者對此進(jìn)行了研究[2-17]：Franx C等[2]、De Beer EE等[3]、Poulos HG[4]等都對土體運(yùn)動對樁基的影響做過現(xiàn)場試驗(yàn)。這些現(xiàn)場的試驗(yàn)報(bào)告顯示，軟土的觸變和蠕變性會產(chǎn)生較大側(cè)向水平位移進(jìn)而引起樁承受的側(cè)壓力變大，即使是大尺寸的樁也不可避免地發(fā)生變形，豎向承載力遭到破壞，甚至發(fā)生斷樁現(xiàn)象。

然而具體的嵌巖深度方面的研究，國內(nèi)學(xué)者產(chǎn)生很大的分歧：黃求順[5]在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上認(rèn)為，3D(D為樁徑)為最佳嵌巖深度，5D為最大嵌巖深度，并且已在規(guī)范中體現(xiàn)出來，但他認(rèn)為籠統(tǒng)地描述5D為最大嵌巖深度是片面的、不合適的。因?yàn)?D只適用于巖石的彈性模量與混凝土的彈性模量相差不大的樁，對于大量的大于10D的嵌巖樁是不適用的；明可前[6]通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，4D為最佳嵌巖深度，而劉松玉[7]等學(xué)者認(rèn)為泥質(zhì)軟巖中的嵌巖樁的最大嵌入深度為7D；同時(shí)，封昌玉[8]認(rèn)為嵌巖深度是發(fā)揮嵌巖段側(cè)阻力的最佳深度；然而浙江大學(xué)張忠苗[9]則指出嵌巖樁本不應(yīng)該存在最大嵌巖深度而是最佳入巖深度且為1.5~2.5 m。

本文的研究目的就是針對以上兩點(diǎn)，確定開挖卸荷對既有樁基的影響，確定合理的嵌巖深度并結(jié)合“樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)”保證樁基不因卸荷引起的施工荷載發(fā)生傾斜、斷裂，保證工程質(zhì)量。

1 試驗(yàn)場地概況

該工程擬建5層建筑物，場區(qū)通設(shè)1層地下室，埋深5.7~7.5 m，基坑開挖深度4.0~6.9 m。場地自上而下土層分布及土層厚度如表1所示?；A(chǔ)采用預(yù)制方樁，樁頂距離自然地坪4 m，樁長9 m，以基巖作為樁端持力層，采用靜壓沉樁工藝，基坑的施工順序是先打樁后進(jìn)行基坑開挖。場區(qū)鉆探深度范圍內(nèi)具有較厚的淤泥層，淤泥流動性強(qiáng)，穩(wěn)定性差，承載力低，上層土體開挖時(shí)易受干擾，土體移動樁基會受到影響。

表 1 土層概況

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)流程

由于基坑開挖時(shí)的方向可能會有隨機(jī)性，為能測出各方向土體側(cè)移，測點(diǎn)選擇正交放置且與樁的距離逐漸增大。結(jié)合相關(guān)規(guī)范[18]試驗(yàn)中設(shè)了6個(gè)有代表性的測點(diǎn)，測點(diǎn)深度10 m，隨著基坑的開挖1，2，3號測點(diǎn)逐漸退出，4，5，6號測點(diǎn)保存完整，測點(diǎn)與樁的位置關(guān)系如圖2。下放測斜管（如圖2a）時(shí)，各測斜管的、方向保持一致（東西方向?yàn)榉较?，南北方向?yàn)榉较颍?，垂直下放，接管（如圖2b）嚴(yán)密，測斜管應(yīng)與地面平齊，多余的部分截?cái)唷Ｏ路艤y斜管必然存在初始位移，以復(fù)測的偏移量與初始偏移量的差值為土體滑移量。每次測量前先將探頭通過纜線與測讀儀連接起來，調(diào)試完畢后再將探頭下放到管底（如圖2c），每隔0.5 m測一次數(shù)據(jù)（如圖2d）。每一方向進(jìn)行正、反兩次測量取平均值作為實(shí)際數(shù)值。

圖 1 測點(diǎn)與樁的位置關(guān)系

圖 2 安裝與測試

定測點(diǎn)→鉆機(jī)就位→鉆孔→下放測斜管→回填→連接測斜儀→調(diào)試測斜儀→將探頭下放管底→測初始偏移量→每日復(fù)測。

3 結(jié)果及分析

在位移監(jiān)測進(jìn)行到第8 d時(shí)，在4號測點(diǎn)正東方向4 m處進(jìn)行了塔吊基礎(chǔ)開挖（圖3），開挖深度由自然地坪下挖4 m（基底）；監(jiān)測進(jìn)行到第30 d時(shí)現(xiàn)場進(jìn)行土方作業(yè)大開挖由東向西進(jìn)行，直至將測斜點(diǎn)南側(cè)土體全部掏空（圖4），開挖深度由自然地坪下挖4 m。

圖 3 塔吊基礎(chǔ)施工

為保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定地表1 m范圍內(nèi)易受擾動區(qū)域的數(shù)據(jù)不體現(xiàn)。4，5，6號測點(diǎn)的分析曲線分別為圖5-7。

圖 5 4號測點(diǎn)位移

圖 6 5號測點(diǎn)曲線

圖 7 6號測點(diǎn)曲線

土體位移變化形態(tài)分析。開挖前（第1~8 d）土體變形較為微小，圖5~7中測點(diǎn)位移曲線較為重合。監(jiān)測第8 d時(shí)，在距離4號測點(diǎn)東南2 m處進(jìn)行塔吊基礎(chǔ)的開挖施工（圖3），開挖深度4 m。此時(shí)，測點(diǎn)其它方向土體尚未開挖。塔吊基礎(chǔ)施工后，各測點(diǎn)位移在第8~10 d出線了明顯的突變，根據(jù)圖5~7及表2中各測點(diǎn)數(shù)據(jù)可以看出，距離開挖面越近土體位移越大，方向（東西）土體總體位移要小于方向（南北）。測點(diǎn)處開挖面以上（0~-4 m）的土體位移呈現(xiàn)隨深度逐漸減小的趨勢，開挖面以下0~2 m內(nèi)的土體隨深度呈現(xiàn)出微增的趨勢，在開挖面下2 m處達(dá)到最大位移，開挖面下2~4 m范圍內(nèi)土體位移逐漸收斂至0，說明開挖卸荷對土體的影響深度有限，最大影響深度約為4 m。開挖后的2 d內(nèi)（第9~10 d）土體位移變化較大，第10~31 d土體位移均微小增加較為穩(wěn)定。第31 d進(jìn)行基坑大開挖（圖4），將監(jiān)測點(diǎn)南側(cè)土體全部清運(yùn)。類似的變化規(guī)律也出線在第31~33 d的位移曲線圖中，開挖后的2 d內(nèi)（第31~33 d）土體變化劇烈，開挖2 d后土體位移穩(wěn)定，開挖面下2 m出發(fā)生最大土體位移。

表 2 塔吊基礎(chǔ)開挖各測點(diǎn)位移變化

表 3 大開挖各測點(diǎn)位移變化

土體位移的變化速率分析。吊基礎(chǔ)開挖前，土體較為穩(wěn)定其最大位移變化速率在0.4~0.8 mm/d；塔吊基礎(chǔ)開挖后當(dāng)天的位移變化較為劇烈，由表2、表3可見在距離開挖面2 m、3 m、4 m位置的監(jiān)測點(diǎn)，位移變化速率隨距離增大逐漸減小，各深度的變化速率與前述土體位移變化形態(tài)相同，在開挖面以下2 m處產(chǎn)生最大位移速率；方向由于開挖產(chǎn)生了自由面位移變化速率明顯大于方向；開挖后兩天土體位移速率逐漸恢復(fù)到開挖前的穩(wěn)定水平。

開挖卸荷對不同距離土體影響。前述分析了開挖對深度方向的影響，其影響深度約為4 m。由圖8可見，開挖時(shí)距離開挖面0~2 m范圍內(nèi)位移變化較為劇烈，距開挖面4 m距離處各深度變化速率趨近一致，可以認(rèn)為開挖距離影響范圍為4 m。

圖 8 不同距離下各深度位移變化速率

圖 9 計(jì)算模型

4 理論分析

4.1 土壓力計(jì)算

由試驗(yàn)結(jié)果得出移動土體的作用范圍，在基底（開挖完成面）以下2 m范圍內(nèi)土體位移較為劇烈，基底以下2 ~4 m范圍內(nèi)土體位移逐漸減小至0，中下部未開挖土體對樁身傾斜起到抑制作用，為使計(jì)算結(jié)果偏于安全不考慮未開挖土體提供的反力，開挖卸荷產(chǎn)生的樁基擾動反力均由嵌巖段提供，由此根據(jù)土體側(cè)移與深度關(guān)系建立嵌巖樁計(jì)算模型，如圖9。

4.2 算例

4.3 計(jì)算配筋

為防止開挖卸荷引起的土體側(cè)壓力過大導(dǎo)致樁身斷裂，需進(jìn)行配筋計(jì)算。

4.3.1 抗彎計(jì)算簡圖如圖10。

圖 10 計(jì)算簡圖

已知=p×=13.43 kN/m，×=500×500 mm，使用HRB400級鋼筋，f=360 N/m2，設(shè)定鋼筋放一排，a=?=35 mm，則0=-a，0=465 mm。

4.3.2 抗剪計(jì)算

由于0.7fbh0=0.7×1.89×500×465=307.6 kN>，所以不需要配箍計(jì)算，按照最小配箍率配箍筋，已知C50混凝土的抗拉強(qiáng)度f=1.89 N/mm2，箍筋一般用一級鋼。

設(shè)計(jì)中配箍滿足最小配箍率ρ≥min

5 結(jié)論

通過對淤泥質(zhì)土開挖卸荷過程現(xiàn)場多測點(diǎn)、長時(shí)間的土體位移監(jiān)測試驗(yàn)和理論分析，得出的結(jié)論可適用于淤泥質(zhì)土體側(cè)移對嵌巖樁的影響：

（1）基坑開挖卸荷后，開挖面以下0~2 m內(nèi)的土體隨深度呈現(xiàn)出微增的趨勢，在開挖面下2 m處達(dá)到最大位移，開挖面下2~4 m范圍內(nèi)土體位移逐漸收斂至0，最大影響深度約為4 m。

（2）基坑開挖卸荷2 d內(nèi)土體變化較明顯，2 d后土體位移趨于穩(wěn)定。

（3）本文建立的計(jì)算模型適用于淤泥質(zhì)土層嵌巖樁，能夠克服開挖卸荷造成的附加荷載對樁身造成的影響，使樁身抗彎、抗剪等滿足要求，防止樁基斷裂、傾斜。

（4）因樁身作用力是由樁頂土體側(cè)移力疊加樁身長度引起的水平力及彎矩共同組成，樁基抗力由樁身配筋及嵌巖深度決定，故淤泥質(zhì)土層嵌巖樁嵌固端深度并不是定值，應(yīng)根據(jù)樁頂土體側(cè)移力、樁身長度及配筋情況反推確定。

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Experimental Study on the Influence of Excavation Unloading on Existing Static Pressure Piles in Silt Soil

YANG Su-chun1, ZHANG Ming-yi1*, GUAN Jing-ping1, LI Zhao-long2

1.266033,2.266033,

In order to study the influence of the lateral movement of the silt soil on the existing rock-socketed pile foundation during the unloading process, a plurality of measuring points are preset before the excavation of the silt soil, and the deformation data of different depth at different distance from the excavation face are monitored for a long time. According to the variation law of the silt soil displacement, the calculation model is established by combining Rankine soil pressure theory, and the calculation model can determine the depth range of rock-socketed pile foundation and optimize the design of pile body.The results show that: (1) When the excavation of the foundation pit is unloaded, the displacement of the silt soil reaches the maximum at 2m below the excavation surface, and the maximum depth of influence is about 4m. (2) The silt soil changes during the excavation unloading of the foundation pit are obvious within 2 days, and the displacement of the silt soil tends to be stable after 2 days; (3) The specific rock-socketed depth of the rock-socketed pile is not a fixed value, and should be determined according to the lateral displacement force of the pile top soil and the length of the pile body.

Excavation unloading; rock-socketed pile; field test; rock-socketed depth

TU411

A

1000-2324(2021)01-0098-07

10.3969/ssn.1000-2324.2021.01.017

2019-09-01

2019-12-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51778312);山東省自然科學(xué)基金(ZR2016EEP06);山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017GSF16107);青島市企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目計(jì)劃(LX201801.0229)

楊蘇春(1988-),男,博士研究生,主要從事巖土及地下工程研究. E-mail:18560609732@qq.com

Author for correspondence. E-mail:zmy58@163.com