郭院成 谷少闖 魏艷卿 李明宇

(1.鄭州大學土木工程學院， 鄭州 450001； 2.洛陽理工學院土木工程系, 河南洛陽 471000)

隨著城市建筑密度的增加，建設用地逐漸減少，不可避免會出現(xiàn)在緊鄰既有建筑一側開挖基坑的情況。在基坑工程設計時，需慎重考慮由復合地基傳遞的附加荷載以及基坑開挖土體位移場的變化對鄰近基坑支護結構土壓力的影響[1]。

目前在基坑支護結構土壓力的研究中，形成了以薄層分析法為主的多種土壓力計算分析方法[2-6]；不少學者對鄰近建筑與基坑之間的有限土體進行了研究[7-11]，分析重點主要集中在有限土體內部滑裂面的發(fā)展規(guī)律，但未對有限土體的荷載傳遞特性進行深入探討；也有學者對既有建筑不同基礎形式對鄰近基坑土壓力的影響進行了研究[12-14]；但目前暫未見針對鄰近長-短樁復合地基的基坑土壓力進行的系統(tǒng)研究報道。

基于此，設計了鄰近天然地基和長-短樁復合地基兩種工況下?lián)鯄ζ絼釉囼?，研究擋墻土壓力的分布特征及其在擋墻平動條件下的變化規(guī)律，最后對鄰近長-短樁復合地基開挖基坑時支擋結構上的土壓力提出簡化計算的方法。

1 模型試驗設計

1.1 模型試驗內容

長-短樁復合地基通常是指由剛性長樁和柔性或散體材料樁共同組成的地基。如圖1所示工況，為鄰近長-短樁復合地基旁開挖的深基坑。據(jù)此分別設計了天然地基和長-短樁復合地基擋墻平動試驗。試驗在模型箱中進行，通過在模型箱土體中布置模型樁來模擬長-短樁復合地基。通過監(jiān)測不同位移條件下的擋墻土壓力、樁間土壓力、樁頂應力來分析長-短樁復合地基對鄰近基坑擋墻上土壓力的影響。

圖1 既有建筑與鄰近基坑工況Fig.1 A deep foundation excavation adjacent to an existing building

1.2 模型試驗設備

試驗模型箱的內部填土長×高×寬尺寸為1.6 m×2.7 m×1.6 m，如圖2、圖3所示?；顒訐鯄Ω邽? m，通過四排絲桿與外部鋼框架相連，活動擋墻的移動可通過控制絲桿來實現(xiàn)。

圖2 試驗設備Fig.2 The testing apparatus

圖3 模型箱后側活動擋墻Fig.3 The movable retaining structure at the back of the modle box

1.3 模型試驗土體

試驗用砂土含水率為0.13%，密度為1.611 t/m3，由級配試驗[15](圖4)確定試驗填土為細砂。褥墊層材料選用級配良好的粗砂，褥墊層厚度取60 mm。

圖4 砂土顆粒分配曲線Fig.4 The grading curve of sand

1.4 模型樁材料

剛性長樁采用鋁管材料制作，樁徑為100 mm，樁長為2.1 m，彈性模量為13.68 GPa，鋁管外側采用滾花處理。柔性短樁采用聚氨酯橡膠材料制作，樁徑為120 mm，樁長為1 m，樁體彈性模量為60.35 MPa，樁體外側用膠水粘砂處理。

1.5 模型樁及傳感器布置

試驗加載板平面長×寬尺寸為0.8 m×0.8 m，加載板邊緣距活動擋墻0.2 m，褥墊層長×寬×厚尺寸為0.8 m×0.8 m×0.06 m。在活動擋墻側壁沿中線從上到下每隔200 mm布置一土壓力盒，用以監(jiān)測試驗過程中的擋墻土壓力。另外在加載板及活動擋墻上均對稱布置4只位移計，實時監(jiān)測加載板的沉降量及剛性活動擋墻位移量。以上傳感器的布置及實物見圖5、6。

圖5 復合地基樁體及傳感器布置 mmFig.5 Arrangements for the piles in composite foundation and sensors

圖6 加載板、位移計、千斤頂?shù)炔贾肍ig.6 Arrangements of the loading plate, displacement gauges and jacks

1.6 試驗過程

在模型箱中分層填入土體至樁端高度，然后放入樁體并用水平尺保證樁體的豎直度，而后填入土體至樁頂面高度，最后布置樁間土壓力盒、加載板、位移計和千斤頂?shù)仍O備。試驗所需上部超載由液壓千斤頂提供。對于天然地基，當加載板沉降量為荷載板邊長的0.01時停止加載[16]。對于長-短樁復合地基，將樁間土應力與天然地基最終加載量相等時的加載量定為長-短樁復合地基試驗的最終加載量。當?shù)鼗虞d量達到最終加載量后，在保持上部荷載不變的同時，進行剛性活動擋墻平動試驗。試驗中活動擋墻高為2 m，而由楊斌的研究[17]可知“當擋墻向外的平動量達到0.5%H(H為活動擋墻高度)后，墻后土體達到主動極限狀態(tài)”，因此，試驗擋墻平動分為10級，每級擋墻的平動量為1 mm，當擋墻平動量達到10 mm后試驗結束。

2 試驗研究

2.1 復合地基傳力性狀

長-短樁復合地基在上部荷載保持不變的情況下，擋墻平動位移導致荷載分擔比的變化如圖7所示?？芍洪L樁及短樁的荷載分擔比均隨著擋墻平移量的增大而增大，樁間土的荷載分擔比則隨著擋墻平移量的增大而減小。當平移量達到10 mm時，長樁的荷載分擔比相對擋墻靜止時增加了18.5%，短樁增加了7.1%，樁間土的荷載分擔比減小了25.6%。

長樁； 短樁； 樁間土。圖7 擋墻平動模式下長-短樁復合地基荷載分擔比曲線Fig.7 Curves for load-sharing ratios of the composite foundation during the translation of retaining structures

2.2 擋墻土壓力沿深度分布特征

圖8為不同平動位移情況下?lián)鯄ι贤翂毫ρ厣疃鹊姆植记€?？芍簱鯄ι贤翂毫S著擋墻平動量的增大而減小，在短樁樁端下部，復合地基傳遞至擋墻的附加土壓力要大于其他深度，這主要是短樁樁端附加應力的作用效果。

0 mm; 1 mm; 2 mm; 3 mm; 4 mm; 5 mm; 6 mm; 7 mm; 8 mm; 9 mm; 10 mm。圖8 擋墻平動模式下鄰近長-短樁復合地基基坑擋墻上土壓力分布曲線Fig.8 The lateral earth pressure behind retaining structures adjacent to the composite foundation with long-short piles in different translational displacement

擋墻未發(fā)生位移時，擋墻上土壓力沿深度方向的兩個極值點分別在0.4，1.2 m深度處，當擋墻平移量達到10 mm時，擋墻上部土壓力極值點的位置下移到了0.6 m深度，擋墻下部土壓力極值點的位置下移到了1.2 m深度處。

2.3 與鄰近天然地基擋墻土壓力對比

從圖9可以看出：靜止條件下距地面深度0.8 m及以上深度范圍內，鄰近長短樁復合地基擋墻附加土壓力與鄰近天然地基擋墻附加土壓力大致相等。

天然地基-擋墻(無位移)； 復合地基-擋墻(無位移)； 天然地基-擋墻(平移10 mm); 復合地基-擋墻(平移10 mm)。圖9 擋墻平動模式下鄰近天然地基和復合地基擋墻上土壓力對比曲線Fig.9 Comparisons of the lateral earth pressure behind retaining structures in natural foundation and adjacent to composite foundation in different translation displacement

隨著平動量的增大，擋墻在0.8 m以上深度范圍內復合地基產(chǎn)生的擋墻附加土壓力顯著減小，這主要是樁間土的荷載分擔比減小以及樁體的遮擋效應的影響。在距地面0.8 m及以下深度區(qū)域，特別是在1.2 m深度處，鄰近長-短樁復合地基擋墻上的土壓力要遠大于天然地基擋墻上的土壓力，這主要是短樁樁端應力的作用效應。

3 鄰近長-短樁復合地基擋墻土壓力計算

3.1 附加荷載等效模型

長-短樁復合地基承擔的基底豎向附加荷載q可分為三部分：

q=qs+qp1+qp2

(1)

式中：qs為樁間土分擔的附加應力；qp1為短樁分擔的等效附加應力；qp2為長樁分擔的等效附加應力。

qp1、qp2對擋墻主要通過樁側阻力和樁端應力形式產(chǎn)生土壓力。

由于樁側阻力產(chǎn)生的土壓力計算較為復雜，為簡化計算，采用等效增大樁間土頂面附加應力，而將樁體分擔的等效附加應力作用在樁底端進行受力計算，如圖10所示，其中ζqs作用在地表；qp1作用在距地表l1(l1為短樁樁長)深度；qp2作用在距地表l2(l2為長樁樁長)深度處。

圖10 長-短樁復合地基附加荷載作用等效模型Fig.10 The equivalent model of composite foundation with long-short piles subjected to additional laods

當工程中無長-短樁復合地基荷載分擔試驗數(shù)據(jù)時，各深度等效荷載取值如下：

ζqs=1.2fak

(2a)

(2b)

(2c)

式中：fak為天然地基承載力特征值；m1、m2分別為短樁和長樁的面積置換率；Ra1、Ra2分別為短樁和長樁的單樁豎向抗壓承載力特征值；Ap1、Ap2分別為短樁和長樁的單樁截面積。

3.2 水平土壓力計算

由于長樁樁端常位于基坑底面以下，在計算鄰近長-短樁復合地基基坑土壓力時可不考慮qp2對鄰近擋墻土壓力的影響。qs和qp1傳遞至鄰近擋墻的附加應力可按圖11所示荷載擴散模型進行計算。

圖11 附加荷載作用下?lián)鯄ν翂毫τ嬎隳Ｐ虵ig.11 The calculation model of the lateral earth pressure behind the retaining structure

由ζqs擴散至擋墻的豎向附加應力Δσk1可由式(3)計算：

(3)

Δσk1的作用深度范圍為a至3a+b。

由qp1擴散至擋墻的豎向附加應力Δσk2可由式(4)計算：

(4)

Δσk2的作用深度范圍為l1+a至l1+3a+b。

3.3 計算結果驗證

將按上述計算模型得出的結果與試驗實測值進行對比，從圖12可以看出：擋墻土壓力的計算值與試驗值變化趨勢基本一致，利用計算式預測的土壓力結果可滿足工程需要。

試驗值； 計算值。圖12 擋墻主動土壓力試驗值與計算值對比Fig.12 Comparisons of active earth pressure between the experimental results and the calculated ones

4 結束語

對鄰近長-短樁復合地基擋墻土壓力分布特征及其隨擋墻平動的變化規(guī)律進行研究，得出結論如下：

1)在擋墻靜止及擋墻平動模式下，鄰近長-短樁復合地基擋墻附加土壓力在短樁樁端附近深度出現(xiàn)極大值，計算鄰近長-短樁復合地基擋墻附加土壓力時需考慮短樁樁端附加應力的影響。

2)當維持上部荷載不變且擋墻發(fā)生平動位移時，短樁加固深度范圍內，鄰近長-短樁復合地基擋墻土壓力小于天然地基，而在短樁樁端以下部分，鄰近長-短樁復合地基擋墻土壓力則要顯著大于相應位置處由天然地基產(chǎn)生的擋墻土壓力。

3)鄰近長-短樁復合地基條件下的基坑土壓力可近似按樁間土附加應力、短樁附加應力和長樁附加應力分別產(chǎn)生的基坑土壓力的代數(shù)和來計算。