鎖扣鋼管樁在基坑圍護結(jié)構(gòu)中的變形特性

韓士釗，陳義乾

(1.中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 101300；2.西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展以及城市化進程的大力推進，目前各種用途的地下空間已在世界各大中城市陸續(xù)得到開發(fā)利用，地下工程建設(shè)項目的數(shù)量和規(guī)模也迅速增大，如超高層建筑物的基坑、大型地下綜合管廊、地鐵工程的車站深基坑等。目前，我國基坑的支護樁支護體系主要以鉆孔灌注樁為主，作為臨時性支護工程，在基坑開挖以及上部建筑物建設(shè)完成后，這些支護結(jié)構(gòu)將會被回填永埋地下，造成極大的資源浪費。

目前，一種新型的支護結(jié)構(gòu)形式鎖扣鋼管樁可以有效避免鉆孔灌注樁施工效率較低、不可回收利用等缺點，鎖扣鋼管樁樁身之間通過鎖扣相互連接，可以有效地形成擋土和防滲結(jié)構(gòu)，近年來在一些擋土圍堰工程中被廣泛利用。目前，一些學(xué)者對鎖扣鋼管樁的受力與變形特性開展了相關(guān)研究。陳艷平[1]和INAZUMI S等[2]對鎖扣鋼管樁的力學(xué)特性以及防滲性能進行了研究，結(jié)果表明，鎖扣鋼管樁具有良好的抗彎性能和防滲性能。EMI S等[3]對鎖扣鋼管樁和混凝土界面間剪切力進行了研究，并提出了一種新型鉸鏈，可以很好的傳遞兩者界面上的剪切力。邵志豪等[4]和楊森焱[5]對鎖扣鋼管樁在具體工程中的應(yīng)用情況進行了研究。嚴佳梁[6]對鋼管樁在軟土地區(qū)中作為支護樁的適用性進行了探討。此外，張世明等[7-10]對不同鎖扣鋼管樁的鏈接形式和施工工法進行了研究。高森亞[11]在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，歸納出了鋼管樁的受力以及變形機理，針對研究的不足，在試驗的基礎(chǔ)上提出了改進的方法。周小龍[12]針對青島地鐵某基坑鋼管樁超前支護進行了重點研究，通過現(xiàn)場監(jiān)測，表明鋼管樁在基坑支護中對土體的側(cè)向位移有著明顯的約束作用。李富榮等[13]以鹽城地區(qū)大型軟土基坑為工程背景，通過室內(nèi)大模型試驗，研究了靜壓樁在沉入過程中的擠土效應(yīng)，并對比了單樁和排樁樁周土的孔隙水壓力，定量研究了擠土效應(yīng)與孔隙水壓力的影響。李智[14]通過室內(nèi)模型試驗，研究了鋼管樁排樁支護力學(xué)和變形特性，以及開挖過程中對基坑穩(wěn)定性的影響，并探討了鋼管樁代替鉆孔灌注樁的可行性。劉思楠等[15]利用Midas GTS NX有限元軟件對昆明某基坑工程鋼管樁沉樁過程進行了模擬，研究發(fā)現(xiàn)鋼管樁在沉樁的過程中，樁周土體的水平位移向外擴張以及變化速率逐漸增大。楊代喜[16]利用ANSYS模擬軟件對鎖扣型鋼管樁在圍堰中的應(yīng)用性進行了研究，結(jié)果表明鎖扣鋼管樁的受力特性是滿足要求的。梁榮柱等[17]對鎖扣鋼管樁在基坑圍護過程中的土體變形、樁體力學(xué)和變形特性進行了協(xié)調(diào)性分析。張楷等[18]對鋼管樁的抗承載性能進行了研究。

綜上所述，目前的研究成果大多是針對傳統(tǒng)的鋼管樁排樁的支護性能進行研究，少部分涉及了鎖扣鋼管結(jié)構(gòu)力學(xué)特性及施工工法。然而，針對鎖扣鋼管樁圍護結(jié)構(gòu)在基坑開挖卸載后應(yīng)力與變形特性卻鮮有報道。在不同類型的鎖扣樁中，C-O型鎖扣具有獨特的優(yōu)勢，其鎖扣連接處的O型圓孔可以作為注漿管，達到止水的效果，從而在基坑支護中實現(xiàn)支擋與止水的結(jié)合。因此，將選擇C-O型鎖扣鋼管樁作為研究對象，以相似理論為基礎(chǔ)，通過室內(nèi)模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，以探明基坑開挖下鎖扣鋼管樁圍護結(jié)構(gòu)的力學(xué)及變形特性，為今后鎖扣鋼管樁基坑圍護結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 模型試驗

1.1 模型相似比

根據(jù)相似理論以及相似準則，目前相似理論通常有3條定理[19]，即相似第1定理、第2定理(π定理)、第3定理。對于長度遠大于厚度的桿件，變形主要以彎曲變形為主，因此在進行模型試驗相似材料的制作，主要考慮材料的抗彎剛度，對于材料的軸向變形與剪切變形應(yīng)盡量滿足相似關(guān)系即可[20]，本次試驗的相似參數(shù)為:Cl=30,Cγ=1,CE=Cσ=30。

1.2 模型箱

模型試驗采用可拼接式模型箱，尺寸為2.0 m×1.0 m×1.7 m(長×寬×高)，模型箱四周用厚2 cm的透明有機玻璃圍護，玻璃外部用角鋼焊接，角鋼厚10 cm，其中模型箱正面用可拆卸的有機玻璃用螺絲連接，可根據(jù)試驗需要進行拆解，方便填土以及試驗中基坑開挖。

1.3 模型土體的制作

目前對模型試驗中相似土體的選取，不同學(xué)者有不同的思路，在進行模型試驗過程中，大多研究者對支護結(jié)構(gòu)以及監(jiān)測裝置進行了重點研究，而對于相似土體的選取大致有3種類型：純砂土，現(xiàn)場原型土過篩重塑，以及加入不同物質(zhì)調(diào)節(jié)土體物理參數(shù)法。本次試驗為了與現(xiàn)場實際工程土體物理性質(zhì)盡可能相似，現(xiàn)采用第3種方法，不同配合比環(huán)刀試樣如圖1所示。

圖1 不同配合比土樣

1.4 模型樁以及支撐的選擇

在基坑支護中，支護樁的作用主要是抵抗樁側(cè)土體，影響支護樁整體穩(wěn)定性的主要因素是樁體的抗彎剛度，為了盡可能使模型材料的屬性與鋼管樁屬性相似，本次試驗主要考慮抗彎剛度的相似。

根據(jù)強度相似準則

(1)

式中:EI為材料抗彎截面模量，根據(jù)材料力學(xué)中有關(guān)計算公式，材料抗彎截面模量與樁體直徑D4成正比，則原型管樁的彈性模量約為模型樁的20倍，綜合考慮對比后本次模型管樁外徑為50 mm，壁厚2 mm，長1 000 mm。

C-O型鎖扣樁模型樁截面示意圖如圖2所示，實物圖如圖3所示。

圖2 C-O型鎖扣樁模型樁截面示意(mm)

圖3 C-O型鎖扣樁實物圖

冠梁和圍檁采用硬質(zhì)PVC板模擬1 000 mm×400 mm×8mm(長×寬×厚)，在固定位置用環(huán)氧樹脂膠將其與排樁連接。在實際基坑中，支撐主要起抗壓的作用，因此本次支撐的選取主要考慮EA相似，綜合分析后選取PVC空心管作為基坑支撐材料，直徑33 mm，壁厚2.4 mm。由于購買的PVC管材為標(biāo)準管，長度1 000 mm。因此需要根據(jù)實際寬度進行截取，此外還購買有PVC管帽可調(diào)節(jié)支撐長度。

1.5 裝填土樣

根據(jù)配比試驗，每次在模型箱中裝填15 cm隨即壓實一次，壓實完成后對土樣表面進行刮毛處理，以便進行下一層土樣的裝填，土樣裝填完成如圖4所示。在填筑模型土體的過程中進行監(jiān)測儀器的埋設(shè)，監(jiān)測儀器如圖5所示。

圖4 土樣裝填完成

圖5 監(jiān)測儀器

2 數(shù)值模擬

2.1 基坑模型的建立

采用Midas GTS數(shù)值模擬軟件，結(jié)合室內(nèi)試驗得到的土體參數(shù)及圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)，進行基坑開挖全過程數(shù)值模擬。通過土體變形和圍護結(jié)構(gòu)變形等與模型試驗進行對比，研究C×O型鎖扣鋼管樁基坑開挖對周邊環(huán)境及支護結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律。

建立基坑實際尺寸為22.77 m×15.20 m(長×寬)，開挖深度25.34 m。為了降低和消除邊界對模擬結(jié)果的影響，在有限差分軟件中，根據(jù)圣維南原理及大量實踐經(jīng)驗，本次選取的模型的尺寸為174.81 m×110 m×101.36 m，計算模型三維軸側(cè)圖如圖6所示，圍護結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖7所示。

圖6 有限元計算模型三維軸側(cè)圖

圖7 圍護結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

2.2 計算工況

工況1：自應(yīng)力平衡。

工況2：施加圍護樁，保存計算結(jié)果。

工況3：開挖2.3 m，并在距離基坑地表1.9 m架設(shè)第1道支撐。

工況4：開挖10.2 m，在第1道支撐架設(shè)完成后，向下開挖7.9 m，并在坑底以上2 m處架設(shè)第2道鋼支撐，保存工況4計算結(jié)果。

工況5：開挖15.5 m，在第2道支撐架設(shè)完成后，向下開挖5.3 m，并在坑底以上1.7 m處架設(shè)第3道鋼支撐，保存工況5計算結(jié)果。

工況6：開挖20.5 m，在第3道支撐架設(shè)完成后，由坑底繼續(xù)向下第4步開挖5 m，并在坑底以上1.7 m處架設(shè)第4道鋼支撐，保存工況6計算結(jié)果。

工況7：開挖25.3 m，在第4道支撐架設(shè)完成后，基坑開挖直至設(shè)計標(biāo)高-25.3 m處，保存工況7計算結(jié)果。

3 試驗數(shù)據(jù)與分析

基坑地表沉降隨距離的變化曲線如圖8所示。如圖8所示，不同工況下，e-f路徑和g-h路徑地表沉降z隨距基坑邊線距離s的變化趨勢基本一致。在工況4過程中，2條路徑上的最大沉降均發(fā)生緊鄰基坑邊線處，模擬結(jié)果約為3 mm，略小于實測結(jié)果的4.5 mm。隨著基坑開挖深度的增加，沉降量逐漸增大，地表沉降曲線變?yōu)橄掳嫉摹吧仔巍?；?dāng)開挖到坑底(工況7)時地表沉降達到最大，e-f路徑上最大地表沉降約為20 mm，g-h路徑上最大地表沉降約為15 mm。

圖8 基坑地表沉降隨距離的變化曲線

圖9為地表豎向位移云圖。由圖可知，基坑開挖引起的地表沉降具有明顯的空間效應(yīng)，地表沉降曲面形狀隨著基坑開挖而發(fā)生改變。當(dāng)基坑開挖小于2.3 m，見圖9(a)，未架設(shè)首道支撐時，地表沉降最大值為3.27 mm，發(fā)生在基坑長邊跨中緊鄰圍護樁后，基坑短邊附近地表沉降略小于長邊。隨著基坑開挖深度的增加，基坑短邊附近地表沉降與長邊附近沉降的差距逐漸拉大，當(dāng)基坑開挖到坑底(工況7，圖9(d))后，地表沉降達到最大值21.4 mm，位于e-f路徑上，小于地表沉降控制值(37.95 mm)，在鋼支撐組合支護體系下，基坑周邊地表沉降得到了很好的控制。

圖9 不同工況下地表沉降云圖

圖10所示分別為基坑長邊跨中(c-d路徑)和短邊跨中(a-b路徑)圍護樁水平位移與樁體深度的監(jiān)測及模擬結(jié)果。由圖10可知，在基坑開挖各工況下，基坑長邊跨中和短邊跨中圍護結(jié)構(gòu)水平位移的數(shù)值計算結(jié)果與實測結(jié)果稍有不同，這是由于數(shù)值模擬忽略了基坑周邊施工車輛的活載影響。工況3(開挖至2.3 m)之前圍護樁為懸臂結(jié)構(gòu)，樁體變形曲線前傾，頂部位移最大(圖10(a))。隨著進一步的開挖，圍護樁水平位移逐漸增大，上部變形在架設(shè)支撐后受到限制，后續(xù)開挖引起的樁體最大水平位移點隨之下移，圍護樁變形逐漸變?yōu)楣?，見圖10(b)～(d)。最終，開挖到坑底時，c-d路徑樁體水平位移達到最大，模擬結(jié)果為28.80 mm，發(fā)生在0.68倍基坑深度的17.13 m處，略大于實測最大水平位移26.76 mm(圖10(e))。圍護結(jié)構(gòu)模擬變形曲線在內(nèi)支撐架設(shè)深度處發(fā)生斜率突變，實測變形曲線沒有該現(xiàn)象，這是由于數(shù)值模型中未記入鋼圍檁局部受壓變形以及鋼圍檁與圍護結(jié)構(gòu)間縫隙的影響。

圍護結(jié)構(gòu)水平變形空間效應(yīng)明顯，基坑短邊圍護結(jié)構(gòu)變形略小于長邊，在同一深度上的圍護結(jié)構(gòu)變形呈中間大、兩頭小的分布情況。當(dāng)基坑開挖到2.3 m時(工況3)，基坑長邊跨中樁頂處位移最大為0.6 mm。在架設(shè)首道支撐后(工況4后)，圍護樁的主要變形位置隨著開挖的加深而逐漸沿樁身下移。在開挖到坑底(工況7)后，圍護結(jié)構(gòu)水平變形達到最大，最大水平位移的模擬結(jié)果為28.76 mm，發(fā)生在圍護結(jié)構(gòu)長邊對稱軸深17.13 m位置，接近最大水平位移實測結(jié)果26.76 mm(圖10(e))，小于設(shè)計控制值30 mm，說明在鋼支撐組合支護體系下，圍護結(jié)構(gòu)變形得到了較好的控制。

圖10 基坑長邊中心圍護樁水平變形曲線

在基坑短邊圍護結(jié)構(gòu)17.13 m深度處，水平位移沿基坑邊線方向的變化曲線呈拋物線形?；娱L邊圍護結(jié)構(gòu)17.13 m深度處沿k-l路徑的水平變形曲線呈“盆形”，跨中8 m長度范圍內(nèi)的水平位移均等于最大水平位移，空間效應(yīng)對基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的影響主要發(fā)生在距離基坑陰角小于8 m的范圍內(nèi)。

圖11 圍護結(jié)構(gòu)17.13 m深度處水平位移曲線

4 結(jié)論

1)基坑地表沉降曲線隨著開挖深度的變化，呈略微凸起的三角形曲線形式，基坑短邊和長邊路徑上的最大沉降均發(fā)生緊鄰基坑邊線處，模擬結(jié)果約為3 mm，略小于實測結(jié)果(約為4.5 mm)。隨著基坑開挖深度的增加，沉降量逐漸增大，地表沉降曲線變?yōu)橄掳嫉摹吧仔巍弊兓?/p>

2)隨著基坑開挖深度的增加，樁體變形曲線前傾，頂部位移最大。隨著進一步的開挖，圍護樁水平位移逐漸增大，上部變形在架設(shè)支撐后受到限制，后續(xù)開挖引起的樁體最大水平位移點隨之下移，圍護樁變形逐漸變?yōu)楣?，樁身位移在基坑開挖完成時最大。

3)圍護結(jié)構(gòu)水平變形空間效應(yīng)明顯，基坑短邊圍護結(jié)構(gòu)變形略小于長邊，在同一深度上的圍護結(jié)構(gòu)變形呈中間大、兩頭小，圍護樁的主要變形位置隨著開挖的加深而逐漸下移，向坑內(nèi)凸起的區(qū)域范圍逐漸變大。