开挖卸荷对淤泥质土既有静压桩影响现场试验研究

杨苏春,张明义*,管金萍,李兆龙

开挖卸荷对淤泥质土既有静压桩影响现场试验研究

杨苏春1,张明义1*,管金萍1,李兆龙2

1. 青岛理工大学土木工程学院, 山东 青岛 266033 2. 中青建安建设集团有限公司, 山东 青岛 266033

为研究开挖卸荷过程中淤泥质土体侧移对既有嵌岩桩基影响，在淤泥质土体开挖前预设多个测斜点，长时间监测开挖卸荷过程中与开挖面不同距离下各深度的变形数据，根据淤泥土体位移变化规律结合郎肯土压力理论建立计算模型，利用该模型进行桩基嵌岩深度范围的确定及桩身优化设计。研究结果表明：（1）基坑开挖卸荷时在开挖面下2 m处土体位移达到最大，最大影响深度约为4 m；（2）基坑开挖卸荷2天内土体变化较明显，2 d后土体位移趋于稳定；（3）淤泥质土层嵌岩桩嵌固端具体深度并不是定值，应根据桩顶土体侧移力及桩身的长度反推确定。

开挖卸荷; 嵌岩桩; 现场试验; 嵌岩深度

在诸多沿海城市地下存在较厚的淤泥层这就给建筑物的施工增添了较多麻烦，受地基承载力的限制，因静压桩机重量较大且移动不便只能先施工桩基再进行基坑开挖。然而，为了保证桩基具有足够的承载力，桩基必须穿过淤泥质土层嵌入岩体，这就需要较长的桩身使桩底作用于岩体。这种地层的存在造成了先成桩后开挖卸荷的情况，淤泥土的灵敏度高，扰动后会发生较大变形，在淤泥中的桩基也会受到卸荷造成的水平推力。这类开挖卸荷造成的施工荷载并在结构设计时并未考虑，此类情况造成的工程事故屡见不鲜，最为出名的是上海闵行区莲花南路在建的莲花河畔景苑楼体整体倾覆事件[1]。

针对软土地层基坑开挖对既有工程桩的影响，不少专家学者对此进行了研究[2-17]：Franx C等[2]、De Beer EE等[3]、Poulos HG[4]等都对土体运动对桩基的影响做过现场试验。这些现场的试验报告显示，软土的触变和蠕变性会产生较大侧向水平位移进而引起桩承受的侧压力变大，即使是大尺寸的桩也不可避免地发生变形，竖向承载力遭到破坏，甚至发生断桩现象。

然而具体的嵌岩深度方面的研究，国内学者产生很大的分歧：黄求顺[5]在实验的基础上认为，3D(D为桩径)为最佳嵌岩深度，5D为最大嵌岩深度，并且已在规范中体现出来，但他认为笼统地描述5D为最大嵌岩深度是片面的、不合适的。因为5D只适用于岩石的弹性模量与混凝土的弹性模量相差不大的桩，对于大量的大于10D的嵌岩桩是不适用的；明可前[6]通过实验认为，4D为最佳嵌岩深度，而刘松玉[7]等学者认为泥质软岩中的嵌岩桩的最大嵌入深度为7D；同时，封昌玉[8]认为嵌岩深度是发挥嵌岩段侧阻力的最佳深度；然而浙江大学张忠苗[9]则指出嵌岩桩本不应该存在最大嵌岩深度而是最佳入岩深度且为1.5~2.5 m。

本文的研究目的就是针对以上两点，确定开挖卸荷对既有桩基的影响，确定合理的嵌岩深度并结合“桩基优化设计”保证桩基不因卸荷引起的施工荷载发生倾斜、断裂，保证工程质量。

1 试验场地概况

该工程拟建5层建筑物，场区通设1层地下室，埋深5.7~7.5 m，基坑开挖深度4.0~6.9 m。场地自上而下土层分布及土层厚度如表1所示。基础采用预制方桩，桩顶距离自然地坪4 m，桩长9 m，以基岩作为桩端持力层，采用静压沉桩工艺，基坑的施工顺序是先打桩后进行基坑开挖。场区钻探深度范围内具有较厚的淤泥层，淤泥流动性强，稳定性差，承载力低，上层土体开挖时易受干扰，土体移动桩基会受到影响。

表 1 土层概况

2 现场试验

2.1 试验流程

由于基坑开挖时的方向可能会有随机性，为能测出各方向土体侧移，测点选择正交放置且与桩的距离逐渐增大。结合相关规范[18]试验中设了6个有代表性的测点，测点深度10 m，随着基坑的开挖1，2，3号测点逐渐退出，4，5，6号测点保存完整，测点与桩的位置关系如图2。下放测斜管（如图2a）时，各测斜管的、方向保持一致（东西方向为方向，南北方向为方向），垂直下放，接管（如图2b）严密，测斜管应与地面平齐，多余的部分截断。下放测斜管必然存在初始位移，以复测的偏移量与初始偏移量的差值为土体滑移量。每次测量前先将探头通过缆线与测读仪连接起来，调试完毕后再将探头下放到管底（如图2c），每隔0.5 m测一次数据（如图2d）。每一方向进行正、反两次测量取平均值作为实际数值。

图 1 测点与桩的位置关系

图 2 安装与测试

定测点→钻机就位→钻孔→下放测斜管→回填→连接测斜仪→调试测斜仪→将探头下放管底→测初始偏移量→每日复测。

3 结果及分析

在位移监测进行到第8 d时，在4号测点正东方向4 m处进行了塔吊基础开挖（图3），开挖深度由自然地坪下挖4 m（基底）；监测进行到第30 d时现场进行土方作业大开挖由东向西进行，直至将测斜点南侧土体全部掏空（图4），开挖深度由自然地坪下挖4 m。

图 3 塔吊基础施工

为保证数据稳定地表1 m范围内易受扰动区域的数据不体现。4，5，6号测点的分析曲线分别为图5-7。

图 5 4号测点位移

图 6 5号测点曲线

图 7 6号测点曲线

土体位移变化形态分析。开挖前（第1~8 d）土体变形较为微小，图5~7中测点位移曲线较为重合。监测第8 d时，在距离4号测点东南2 m处进行塔吊基础的开挖施工（图3），开挖深度4 m。此时，测点其它方向土体尚未开挖。塔吊基础施工后，各测点位移在第8~10 d出线了明显的突变，根据图5~7及表2中各测点数据可以看出，距离开挖面越近土体位移越大，方向（东西）土体总体位移要小于方向（南北）。测点处开挖面以上（0~-4 m）的土体位移呈现随深度逐渐减小的趋势，开挖面以下0~2 m内的土体随深度呈现出微增的趋势，在开挖面下2 m处达到最大位移，开挖面下2~4 m范围内土体位移逐渐收敛至0，说明开挖卸荷对土体的影响深度有限，最大影响深度约为4 m。开挖后的2 d内（第9~10 d）土体位移变化较大，第10~31 d土体位移均微小增加较为稳定。第31 d进行基坑大开挖（图4），将监测点南侧土体全部清运。类似的变化规律也出线在第31~33 d的位移曲线图中，开挖后的2 d内（第31~33 d）土体变化剧烈，开挖2 d后土体位移稳定，开挖面下2 m出发生最大土体位移。

表 2 塔吊基础开挖各测点位移变化

表 3 大开挖各测点位移变化

土体位移的变化速率分析。吊基础开挖前，土体较为稳定其最大位移变化速率在0.4~0.8 mm/d；塔吊基础开挖后当天的位移变化较为剧烈，由表2、表3可见在距离开挖面2 m、3 m、4 m位置的监测点，位移变化速率随距离增大逐渐减小，各深度的变化速率与前述土体位移变化形态相同，在开挖面以下2 m处产生最大位移速率；方向由于开挖产生了自由面位移变化速率明显大于方向；开挖后两天土体位移速率逐渐恢复到开挖前的稳定水平。

开挖卸荷对不同距离土体影响。前述分析了开挖对深度方向的影响，其影响深度约为4 m。由图8可见，开挖时距离开挖面0~2 m范围内位移变化较为剧烈，距开挖面4 m距离处各深度变化速率趋近一致，可以认为开挖距离影响范围为4 m。

图 8 不同距离下各深度位移变化速率

图 9 计算模型

4 理论分析

4.1 土压力计算

由试验结果得出移动土体的作用范围，在基底（开挖完成面）以下2 m范围内土体位移较为剧烈，基底以下2 ~4 m范围内土体位移逐渐减小至0，中下部未开挖土体对桩身倾斜起到抑制作用，为使计算结果偏于安全不考虑未开挖土体提供的反力，开挖卸荷产生的桩基扰动反力均由嵌岩段提供，由此根据土体侧移与深度关系建立嵌岩桩计算模型，如图9。

4.2 算例

4.3 计算配筋

为防止开挖卸荷引起的土体侧压力过大导致桩身断裂，需进行配筋计算。

4.3.1 抗弯计算简图如图10。

图 10 计算简图

已知=p×=13.43 kN/m，×=500×500 mm，使用HRB400级钢筋，f=360 N/m2，设定钢筋放一排，a=ʹ=35 mm，则0=-a，0=465 mm。

4.3.2 抗剪计算

由于0.7fbh0=0.7×1.89×500×465=307.6 kN>，所以不需要配箍计算，按照最小配箍率配箍筋，已知C50混凝土的抗拉强度f=1.89 N/mm2，箍筋一般用一级钢。

设计中配箍满足最小配箍率ρ≥min

5 结论

通过对淤泥质土开挖卸荷过程现场多测点、长时间的土体位移监测试验和理论分析，得出的结论可适用于淤泥质土体侧移对嵌岩桩的影响：

（1）基坑开挖卸荷后，开挖面以下0~2 m内的土体随深度呈现出微增的趋势，在开挖面下2 m处达到最大位移，开挖面下2~4 m范围内土体位移逐渐收敛至0，最大影响深度约为4 m。

（2）基坑开挖卸荷2 d内土体变化较明显，2 d后土体位移趋于稳定。

（3）本文建立的计算模型适用于淤泥质土层嵌岩桩，能够克服开挖卸荷造成的附加荷载对桩身造成的影响，使桩身抗弯、抗剪等满足要求，防止桩基断裂、倾斜。

（4）因桩身作用力是由桩顶土体侧移力叠加桩身长度引起的水平力及弯矩共同组成，桩基抗力由桩身配筋及嵌岩深度决定，故淤泥质土层嵌岩桩嵌固端深度并不是定值，应根据桩顶土体侧移力、桩身长度及配筋情况反推确定。

[1] 张自伟.质量高于一切——由上海倒楼事故谈本项目工程桩基础质量[J].深交所,2009(7):15-17

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[3] De Beer EE, Wallays M. Forces induced in piles by unsymmetrical surcharges on the soil around the piles [C]. Madrid: Fifth Eur Conf on Soil Proc /Sp, 1972:325-332.

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[5] 黄求顺.嵌岩桩承载力的试验研究//中国建筑学会地基基础学术委员会论文集[M].太原:山西高校联合出版 杜,1992:48-52

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[19] 李广信,张丙印,于玉贞.土力学[M].北京:清华大学出版社,2004

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

国家自然科学基金资助项目(51778312);山东省自然科学基金(ZR2016EEP06);山东省重点研发计划项目(2017GSF16107);青岛市企业技术创新重点项目计划(LX201801.0229)

杨苏春(1988-),男,博士研究生,主要从事岩土及地下工程研究. E-mail:18560609732@qq.com

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