临近开挖对深厚软土桩基内力与变形影响现场试验研究

茅焕明

【摘要】基坑开挖时临近建筑物的桩基础将受到开挖引起土体位移的影响，导致桩身产生附加应力、弯矩和侧向位移。本文通过系统的1：1现场原位试验，获得了基坑距离、宽度变化时桩身内力、位移、桩基和基坑间土体深层位移的分布与变化规律，为分析基坑开挖对桩基影响提供试验基础。

【关键词】临近开挖；桥梁桩基；内力；变形；现场试验

基金编号：上海铁路局科研计划项目2013144

Field test study on internal force and deformation of pile foundation excavation in deep-soft soil area Abstract：Unloading of foundation pit excavation will no doubt induce the soil displacement，which can result in additional stress， bending moment and lateral displacement of piles that in nearby area. A series of prototype tests in situ had been performed， some vertical distribution of monitoring items had been obtained， such as the internal force and displacement of pile shaft， the horizontal displacement of any soil straum between pile foundation and excavation， and their variation tendency with the excavation width and its distances from the pile foundation had been discussed. These test results had lay a good foundation for further analyzing the affaction of excavation on adjacent pile foundation. Keywords：pile foundation， excavation， in situ test， instrumented pile， internal force， deformation

1、引言

在建筑物附近進行基坑开挖时，开挖引起土体位移将导致桩身产生附加应力、弯矩和位移，严重时可造成桩基开裂、破坏或变形超限，影响上部结构的安全或正常使用，这一现象在深厚软土地区更为明显。

为了分析基坑开挖对临近桩基影响，国内外学者开展了一些研究。Coutts和Wang[1]结合新加坡双线地铁隧道从某高架桥墩桩基础两侧穿越的工程实例，预先在高架桥桩身埋设了应力、应变监测元件，得到了较为详细的桩身附加弯矩和轴力的监测数据。杨敏等[2]采用三维弹塑性有限元法，模拟无支撑基坑开挖与临近桩基的相互作用，对比分析了临近桩基对基坑开挖所引起土体变形场的影响，并讨论了基坑的空间效应、开挖深度、支护墙刚度、桩基和基坑距离、桩基刚度和桩头约束条件等因素对临近桩基附加侧向位移和弯矩的影响。吴翔天[3]通过室内试验研究了隧道开挖对单桩和群桩承载性状的影响。陈观胜等[4]通过现场试验，

利用测斜装置得到深基坑开挖对深层土体水平位移的影响曲线。杨位洸等[5]根据侧移土桩的Poulos理论编制计算程序，计算澳门南方大厦基坑开挖过程中软土流动造成建筑物桩基础侧向位移和弯矩分布。

由于软土性质具有明显的区域性，深厚软土地区临近开挖对桩基内力与变形影响的工作机理和工作性状较为复杂，且缺乏经典的计算理论。为此，本文以深厚软土地区高速铁路桥梁建设为工程背景，开展1：1现场原型试验，旨在探讨临近开挖对桩基内力与变形位的影响。

2、试验现场概况及方案

2.1试验目的

通过该试验，拟达到以下目的：

1）掌握基坑宽度、与桩基距离改变时，桩身内力与位移的分布与变化规律；

2）研究基坑与桩基之间土体深层水平位移随基坑宽度、与桩基距离改变时的变化规律。

2.2试验现场概况

试验场地位于新建宁波货运北站站场内，地处浙江省宁波市江北区庄桥街道邵余村附近，具体位置如图1所示。

图1 试验场地位置示意图

对试验场地进行补充地质勘察、勘探取样与室内试验，获得了试验场地的土层分布情况与各土层物理力学性质指标。勘察结果表明，试桩附近土层分布自上而下为：表层为杂填土，结构松散，均匀性差，层厚4.8m；4.8m～13.1m范围内为流塑状淤泥，具有高孔隙比、高压缩性、低力学强度的特点；往下为4.8m厚的软塑状粉质黏土夹粉土，局部粉粒含量高，中～高压缩性；17.9m～30.5m范围内为流～软塑淤泥质粉质黏土，高压缩性，厚度12.6m；再往下到桩底范围内为软塑粉质黏土，中等偏高压缩性。

2.3试验方案与设备

2.3.1试验方案

参照杭甬铁路客运专线桩基础设计参数，在试验场地内制作单排3根钢筋混凝土钻孔灌

注桩，桩径1.0m，桩长45m，桩间距3m。地面以上浇筑长7.4m、宽1.4m、高1.0m的钢筋混凝土承台。

计划开挖长度a=25m，深度h=3m。共设计了三种开挖工况B1、B2、B3，与之对应的基坑边缘与承台边缘距离L分别为15m、10m、5m，开挖宽度b分别为10m、15m、20m；三种工况均观测至各测试元件数据稳定时终止。试验方案如图2所示。

（a） 试验方案立面示意图

（b） 试验方案平面示意图

图2 试验方案示意图

2.3.2测试内容及仪器设备

根据本项试验目标，确定的测试项目与仪器设备见表1。

2.3.3测试元件布置

根据试验需要，在桩身和桩侧土体布置测试元件与设备，详述于下。

（1）取试桩桩身上部34m范围内不同深度作为测试断面，在各测试断面钢筋笼两侧（开挖侧与对侧）对称布置一对应变计（如图3所示），对桩体应力/应变进行测试，获得桩身应力分布规律，并以此分析桩身弯矩和位移变化情况。

（2）在桩基与基坑之间布置深层水平位移量测装置，以获得开挖过程中距试桩不同距离处土层水平位移沿深度的分布规律。深层水平位移测点距离试桩中心的距离分别为2.2m、3.7m。试验过程中，深层水平位移分别采用滑动式测斜（图2中以H标记）与固定式测斜（图2中以G标记）两种装置进行观测。

（3）在承台顶面四角和测斜管口布置沉降观测点，用全站仪对观测点进行观测，获得各点沉降及水平位移。

表1 测试项目及仪器设备

实验内容 试验项目 试验元件 试验仪器

应力测试 桩身应力 应变计 综合测试仪

变形测试 承台及土体水平位移 观测点 全站仪

土层水平位移 倾角传感器/测斜管 倾角传感器

图3 桩身应变计布置示意图

桩身位移、桩侧土应力、桩与基坑之间土体位移的分布规律。

3、試验结果与分析

对各测试项目的实测结果进行整理，对比分析三种开挖工况达到稳定状态时

图4 桩身弯矩曲线

从图4可以看出：

（1） 三种开挖工况下，桩身最大弯矩值均出现在地面下12m附近，B1、B2、B3工况的最大弯矩值依次为137.6kN·m、257.2kN·m、352.9kN·m；桩顶由于承台的约束有较小的弯矩值，小于对应最大弯矩值的1/10；桩身26m以下弯矩值均小于10kN·m。

（2） 随着基坑的加宽与临近，尽管桩身弯矩沿竖向分布趋势基本不变，但桩身正、负弯矩值均增大；4.8m～13.1m深度范围内为淤泥质软弱土层，上部卸载情况下桩身承受绕流阻力，可能是造成该范围内桩身弯矩值增长较快的原因之一；30.5m以下为粉质粘土，力学性能较上层土层性能好，因此30m以下弯矩值接近0且随着基坑的加宽与临近变化不明显。

3.1桩身弯矩

试验测得i断面的拉应变 和压应变 （测得应变值为 ，则 单位为1×10-6）。试验过程中，由于桩侧土压力的作用，桩身变形可视作横力作用下弯曲变形。对任意断面i，设拉、压测点的间距为 （本试验中 =0.8m），则拉、压测点的应变为

（1）

式（1）中， 为i断面弯矩；E为桩身弹性模量，本试验桩身混凝土等级为C40，根据《混凝土结构设计规范GB50010-2002》，取E=32.5GPa；I为截面对中性轴的惯性矩，本试验桩径D=1m，则 （m4）；

两式相减，可得

（2）

其中， ，为i断面拉、压

应变差值，则对本次试验

（kN·m）

3.2桩身位移

横向受力情况下，基桩上任意一个桩单元（i单元）转角示意图如图5所示

图5 桩单元转角示意图

假设从i断面到i+1断面之间任一断面的应变差值可根据两断面应变差值线性插值，则距离i断面z处断面的拉、压应变差值为

（3）

式中， 为i单元的长度。

将式（2）、式（3）代入挠曲线的近似微分方程 得

（4）

式（4）对z积分可得转角公式

（5）

将z=0代入式（5），得到

（6）

将z=li与式（6）代入式（5），可得到i+1断面的转角 与i断面转角 之间的关系

（7）

式（5）再次对z积分可得位移公式

（8）

z=0时， i断面的位移为

（9）

将z=li、式（6）、式（9）代入式（8），可得到i和i+1断面水平位移 与 之间的关系

（10）

试验数据处理时，由于桩长较长，可近似取桩端转角为0和位移为0，逐段向桩顶计算。由于试验元件测量系统误差的存在，依据桩顶观测点位移观测值，将总体误差根据各测试单元长度按比例分配，得到各测试断面位移修正值。

根据上述方法，获得桩身各测试断面的水平位移，绘制桩身水平位移曲线如图6所示。从图6可以看出：

（1）临近基坑开挖时，桩身向基坑一侧发生偏移，各工况桩身位移在地面下0～15m较为明显，且桩身最大位移值均出现在桩顶。工况B1、B2、B3的桩顶位移值分别为10.5mm、20.5mm和27.9mm。

（2）随着基坑的加宽与临近，位移随深度的变化趋势基本一致，桩身各深度水平位移量均有增大，但深度越小的桩身位移增量越大，说明基坑开挖对桩身上部位移影响更为明显。

（3） 工况B1、B2、B3桩身位移值小于1mm的范围分别在深度16m、18m、20m以下，说明基坑与桩基距离越小，影响深度越大。

3.3桩与基坑之间土体水平位移

依据全站仪测得的测斜管管口观测点的位移值，将总体误差均分至测试步长，得到各测试断面位移修正值，得到三种工况下桩与基坑之间距离桩轴线2.2m（H1测孔）和3.7m（H2测孔）处的土体深层水平位移曲线，如图7所示。

（a） 距离桩轴线2.2m（H1）土体深层水平位移曲线

（b） 距离桩轴线3.7m（H2）土体深层水平位移曲线

图7 桩侧土体深层水平位移曲线

从图7可以看出：

（1）三种工况下，桩侧土位移值均沿深度方向逐渐减小，由于上层土体为工程性质差的淤泥质土，土体位移基本出现在0～15m范围内，最大位移出现在地面；B1、B2、B3工况下，距离桩轴线2.2m处土体最大水平位移值依次为18.0mm、41.5mm、55.0mm，距离桩轴线3.7m处的土体最大水平位移值依次为24.4mm、50.6mm、65.5mm，说明越靠近基坑侧的土体水平位移越大。

（2）随着基坑宽度的增加、与桩基之间距离的减小，各深度土体位移都逐渐增大，桩身水平位移沿深度方向的分布趋势基本不变；由于很难保證埋深较大的测斜管安装过程衔接良好，所以曲线中会出现突变值较小的拐点。

（3） 随着基坑临近和宽度增加，0～15m范围内土体水平位移值增大较快，说明基坑开挖对浅层土体位移影响较大。

4、结论

通过1：1现场原位试验，探讨了深厚软土地区临近开挖对桩基内力、变形、桩侧应力、邻近土体深层位移的影响，结果表明：

（1）随基坑的临近与加宽，桩身弯矩沿竖向分布趋势基本不变，最大弯矩逐渐增大；桩身各深度位移量均增大，且地面下0～15m的桩身位移增量较大；桩侧土体内部应力减小且变化趋势不变；土体深层水平位移逐渐增大。

（2）三种开挖工况下，桩身弯矩主要出现在背离基坑侧的4～26m范围内，且最大弯矩均出现在桩身12m左右。工况B1、B2、B3的桩身最大弯矩依次为137.6kN·m、257.2kN·m、352.9kN·m。

（3）三种开挖工况下，桩身上段向基坑一侧发生偏移，最大位移均出现在桩顶处；工况B1、B2、B3的桩顶最大位移量依次为10.5mm、20.5mm、27.9mm；20m以下桩身位移值在1mm内，说明基坑开挖对桩身上部位移影响更为明显。

（4）在试验开挖条件下，桩与基坑之间土体水平位移在浅层15m范围内比较明显，且越靠近基坑边缘的土体水平位移越大；土体深层水平位移随基坑的加宽与临近而增大；工况B1、B2、B3下，距离桩轴线2.2m处土体最大水平位移值依次为18.0mm、41.5mm、55.0mm，距离桩轴线3.7m处的土体最大水平位移值依次为24.4mm、50.6mm、65.5mm。

参考文献：

[1] Coutts DR ，Wang J. Monitoring of reinforced concrete Piles under horizontal and Vertical loads due to tunnelling. In： Tunnels and Underground Structures， Balkema， London， 2000：198-212.

[2]杨敏，周洪波，杨桦.基坑开挖与临近桩基相互作用分析[J].土木工程学报.2005，38（4）：91-96.