砂土地层悬臂倾斜长短桩支护性能模型试验研究

袁聪聪， 袁宗义， 詹刚毅， 徐长节， 石钰锋， 龚宏华

(1. 华东交通大学 江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室， 江西 南昌 330013；2. 华东交通大学 江西省地下空间技术开发工程研究中心， 江西 南昌 330013；3. 中交第四航务工程勘察设计院有限公司， 广东 广州 510230； 4. 中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070； 5. 江西地方铁路开发有限公司， 江西 南昌 330001)

0 引言

排桩经常作为基坑工程的围护结构出现，传统排桩为直型等长桩，依靠锚撑结构提供水平向承载力。将排桩倾斜一定角度变为倾斜桩，可以通过排桩本身提供水平承载力，以避免内支撑的使用，降低工程造价，同时提供足够的施工作业面。根据对排桩受力特性研究发现，排桩上部所受荷载要远大于排桩下部所受荷载，因此可以通过设置长短桩，减少一部分排桩下端桩长，来减少工程造价。

对于倾斜桩，孔德森等[1]、刘涛[2]通过模型试验、现场足尺试验和数值模拟等方法研究了不同倾斜角度下单排桩的受力特性；郑刚等[3]依托天津某基坑工程，利用数值模拟结合模型试验的方法，发现倾斜桩的支护效果与斜桩桩侧摩阻力和倾斜角度成正比关系，并且从支护效果而言，认为倾斜桩是强于直桩的，而倾斜桩中，斜直交替的桩型强于全斜桩桩型；Wang等[4]建立了T-P模型，估算水平荷载作用下倾斜桩的水平动力阻抗和相互作用系数； Zhou等[5]借助数值模拟方法，研究了斜交PCP桩基础的变形特性，提出了斜向桩的加固方案，并与竖向基桩加固方案进行了比较；王建[6]对前排桩倾斜的双排桩研究指出，随着倾斜角度增大，桩身正负弯矩的最大值之间的差值增大，其中，开挖面以上的最大弯矩增大，开挖面以下的最大弯矩减小。

长短桩在工程中已有较多使用[7-9]，郑刚等[10]通过模型试验研究了基坑开挖过程中不同排桩间距对悬臂长短桩的变形和力学特性影响，并对比了等长桩与长短桩的支护效果；徐力[11]通过数值模拟与模型试验对不同形式的长短桩组合围护结构的受力特性进行了深入探讨；成守泽[12]通过数值模拟方法研究了不同嵌固深度和桩间距组合情况下，短桩桩长变化对围护桩受力及变形、坑底隆起和地表沉降的影响；王恒力等[13]依托珠海某长短桩围护结构的深基坑工程，通过数值模拟方法对长短桩进行了研究，指出应注意长短桩之间变形协调，不可使短桩出现“踢脚”等现象；Xu等[14]结合实际工程，利用数值模拟方法探讨了短桩长度和不同长短桩组合形式对桩身受力变形的影响。

由上述分析可知，目前对长短桩及倾斜桩研究较多，但是倾斜长短组合桩属于新型支护结构，尚未见对其支护效果的研究。本文通过重力式室内常规物理模型试验模拟倾斜长短桩围护结构在基坑开挖过程中的受力变形特性，研究不同倾斜角度、长短桩配比对倾斜长短桩的工作性状影响，以期为类似基坑工程设计、施工提供参考。

1 室内模型试验方案

通过重力式室内常规物理模型试验，观察不同倾斜角度、长短桩配比下基坑开挖对围护结构及周边土体的影响，研究不同倾斜长短桩的支护效果。

1.1 试验方案

试验模型由模型箱、试验土、支护桩和测量传感系统组成。根据对称原则，模型箱取基坑一半进行模拟，设计不同的倾斜角度与长短桩配比进行基坑开挖，试验方案见表1。测量开挖过程中的桩顶水平位移、地表沉降、桩身弯矩，以此分析倾斜角度与长短桩配比对倾斜长短桩支护效果的影响。排桩如图1所示。

表1 试验方案

图1 排桩示意图

1.2 模型箱及支护桩制备

1.2.1 模型箱

对于模型试验来说，其尺寸规格影响着试验效果[15]。为减小边界效应等因素对试验结果的影响，本文模型箱内部空间尺寸设计为1.74 m×1.74 m×1.2 m(长×宽×高)。模型箱主体框架为防锈钢材，在四周布置10 mm厚的透明钢化玻璃以便于观察试验现象。模型箱见图2。

(a) 模型箱实物

1.2.2 冠梁

本试验主要为研究长短倾斜桩的受力特性，对于冠梁并未严格按照相似关系进行模拟，冠梁模型只需将离散的围护桩连接为一个整体，不作强度、刚度要求，在此基础上应当便于试验排桩倾斜角度施工、试验进行，因此，冠梁选用重量较轻、便于加工的木梁模拟。冠梁模型由底板与顶板组成，如图3所示。底板预留桩孔，直径为32 mm、孔位中心间距54 mm，并按各工况所需的倾斜角度挖孔； 顶板预留直径为15 mm的小孔，便于电阻应变片导线穿过。

图3 冠梁

1.2.3 支护桩

原型的基坑支护桩为钻孔灌注桩，采用C30混凝土，密度为2.4 g/cm3，桩径及桩中心距分别为0.8 m和1.3 m。考虑试验选材及模型相似合理性，模型几何相似比定为24。通过相似比理论对支护桩等比例缩小，最终选定外径32 mm、壁厚2 mm的PVC管(弹性模量E=2.993 GPa)模拟支护桩。其中，模型几何相似比CL=24,支护桩弹性模量、桩身应力相似比为CE=Cσ=30/2.993=10.02，桩身弯矩相似比为CM=CσCL3=10.02×243=138 516.48。

在试验前对模型桩进行标定，在图4所示刻度线位置布设应变片，在中心位置施加集中力，通过反算获取桩身应变与桩身所受弯矩之间的关系。

图4 模型桩标定试验(单位： cm)

依据材料力学，简支梁受跨中集中力荷载时有：

(1)

式中：σ为应力；E为弹性模量；ε为应变；M为弯矩；W为截面惯性矩。

对于PVC管型简支梁，由于其截面为圆环，故有：

(2)

式中：D为PVC管外径；d为PVC管内径。

则

(3)

1.2.4 试验用砂

试验用砂选用南昌地区河砂，为去除大颗粒杂物，保证土体均匀性，采用5 mm筛对河砂进行筛分，随后对其进行颗粒级配试验、直剪试验等基础土工试验，得到土体参数(见表2)和砂土颗粒级配曲线(见图5)。

表2 试验用砂土体参数

图5 试验用砂土颗粒级配曲线

1.3 测量系统

1.3.1 桩身弯矩测量

通过在支护桩内粘贴电阻应变片来测量桩身应变，然后通过式(3)计算桩身弯矩。

本试验电阻应变仪选用江苏东华测试有限公司生产的DH3816N静态应变仪，应变片选用BFH120-3AA-D150高精度电阻应变片，灵敏系数为2.0±1%，按每10 cm一组应变片对称布设。因试验选用1/4桥接线法，故另需准备温度补偿片1个。布设应变片步骤如图6所示。

(a) 整理所需PVC管

1.3.2 桩顶水平位移测量

在冠梁中部布设电子百分表以测量不同开挖深度时的桩顶水平位移。

1.3.3 地表沉降测量

在冠梁外侧地表处，按距冠梁0、10、20、30、40、50、60 cm布置电子百分表，共布置7个。由于电子百分表测头较为尖锐，容易陷入砂层中，在砂层发生变形时不能准确反映其变形大小，故在百分表测头下垫1个轻质硬块。

1.4 试验实施过程

在进行试验前，用马克笔在模型箱上标记桩位置、冠梁位置、桩底高度、电子百分表位置、每层开挖位置等，以尽可能减少误差，并在模型箱内壁涂抹凡士林以减小砂土与箱壁的摩擦，减小边界效应。

向模型箱中填入砂土至预定桩底位置，放入预制好的冠梁与支护桩，随后保证支护桩短桩竖直状态下，使用落雨法填入砂土，砂土总厚度为1.2 m。填土完成后，将表面轻轻刮平并静止至少24 h，以保证土体变形稳定。为方便试验进行，在本试验中未考虑地下水的影响。

土体稳定后，在预定位置架设电子百分表，并连接电阻应变仪，调试好仪器。如图2(c)所示逐层开挖，每层10 cm； 每次开挖完一层后，等待一段时间(不少于20 min)至仪器读数稳定，再进行下一层基坑开挖；共开挖4层，总开挖深度为40 cm，桩身插入深度为20～30 cm(短桩/倾斜长桩)。

在试验完成后，以聚乙烯薄膜覆于模型箱，避免试验用砂由于外界环境变化导致砂样性质及其力学参数浮动过大。

2 试验结果分析

2.1 不同倾斜角度

本节选取倾斜长短桩中一长两短与等长长桩试验结果作为对比，分析不同倾斜角度下(长桩倾斜角度分别为0°、10°、20°)倾斜长短桩的支护性能优劣。

2.1.1 桩顶水平位移与地表沉降

图7和图8分别示出0°、10°、20°倾斜角度下一长两短组合与等长长桩的桩顶水平位移、地表沉降。由图可知，在进行对比的4种工况中，0°、10°、20°倾斜角度下的一长两短组合与等长长桩的桩顶水平位移最大值分别为-4.98、-2.96、-1.28、-3.17 mm，地表沉降最大值分别为-10.73、-7.15、-3.13、-8.21 mm。

图7 不同倾斜角度时桩顶水平位移

图8 不同倾斜角度时地表沉降

倾斜角度为0°的长短桩变形最大，这是因为相比等长长桩，其减少了部分支护桩的桩长，造成了支护能力减弱。

通过将长短桩中的长桩倾斜一定角度，能够有效减少桩顶水平位移与地表沉降，在倾斜10°、20°的时候桩顶水平位移最大值减少了40.72%、74.23%，地表沉降最大值减小了11.0%、61.8%。桩顶水平位移与地表沉降随着倾斜角度增加而减小，说明支护桩的水平承载力随着倾斜角度增加而增大。这是因为倾斜长短桩中倾斜长桩的轴力具有水平分量，可以增强排桩的水平承载能力，抵抗土压力，减小支护桩水平位移。因此，在一定范围内，随着倾斜桩倾斜角度增加，其支护效果会提高。

随着基坑开挖深度的增加，所有工况的桩顶水平位移均增大，且等长长桩与长桩倾斜角度为0°、10°的长短倾斜桩在开挖超过30 cm后，桩顶水平位移的增长速率明显加快，原因是当开挖深度较大、土压力较大时，桩身插入比减小，导致被动区土体变形过大，产生了塑性变形，导致位移变化加快。

2.1.2 桩身弯矩

不同倾斜角度时桩身弯矩最大值见表3。图9示出开挖至坑底时0°、10°、20°倾斜角度下的一长两短与等长长桩的桩身弯矩结果。

表3 不同倾斜角度时桩身弯矩最大值

(a) 长桩弯矩

倾斜角度为0°的长短桩与等长长桩相比，基坑开挖面以上，长桩、短桩的最大弯矩值增长率分别为37.7%、34.2%；基坑开挖面以下，长桩、短桩的最大弯矩值增长率分别为23.8%、-7.9%。当等长长桩中部分桩的桩长减小时，一长两短桩型中的长桩在基坑开挖面上、下弯矩均呈增长趋势；而短桩在基坑开挖面以上弯矩略微增加，在开挖面以下弯矩减小。

当倾斜角度为10°、20°时，与倾斜角度为0°时相比，在开挖面以上长桩的桩身最大弯矩分别减小9.6%、14.6%，在开挖面以下长桩的桩身最大弯矩分别减小15.4%、34.0%。由此可知，当倾斜角度增大时，一长两短桩型中的长桩在基坑开挖面以上桩身弯矩会略微减小，而开挖面以下弯矩减幅更大。

当倾斜角度为10°、20°时，在基坑开挖面以上，长桩的最大弯矩略小于短桩，而在基坑开挖面以下，长桩弯矩明显大于短桩弯矩。

2.2 不同长短桩配比

本节选取倾斜长短桩中一长一短(长桩倾斜角度为10°、20°)、一长两短(长桩倾斜角度为10°、20°)与等长长桩相互对比，分析不同长短桩配比时倾斜长短桩的支护特点及规律。

2.2.1 桩顶水平位移与地表沉降

图10和图11分别示出一长一短(10°、20°)与一长两短(10°、20°)与等长长桩的桩顶水平位移与地表沉降。不同长短桩配比时桩顶水平位移与地表沉降值见表4。

图10 不同长短桩配比时桩顶水平位移

图11 不同长短桩配比时地表沉降

表4 不同长短桩配比时桩顶水平位移与地表沉降值

在相同倾斜角度时，一长两短桩型对支护结构变形控制能力要弱于一长一短桩型，而随着倾斜角度增加，两者之间差距会逐渐缩小。在开挖深度较小时，不同桩型之间差距不大，随着不断开挖，桩顶水平位移差距越来越大，倾斜角度为20°的倾斜长短桩在开挖深度较大时，其支护效果明显优于其他桩型。

2.2.2 桩身弯矩

图12示出开挖至坑底时10°、20°倾斜角度下2种桩型的桩身弯矩结果。由图可知： 倾斜角度为10°、20°时，一长两短桩型相比于一长一短桩型，在开挖面以上桩身最大弯矩增长率分别为10.1%、9.8%，而开挖面以下分别为10%、9.6%。说明在倾斜角度相同时，增加短桩的占比，长桩、短桩的桩身弯矩小幅度增加。

(a) 长桩弯矩

3 结论与讨论

本文利用室内缩尺模型试验研究了基坑开挖下倾斜长短桩的支护效果，对比了不同倾斜角度和长短桩配比对倾斜长短桩支护效果的影响，得出如下结论：

1)对于倾斜长短桩而言，在倾斜桩倾斜角度范围为0°～20°时，其支护效果随着倾斜角度增大而提高。

2)随着倾斜桩倾斜角度增大，长桩与短桩弯矩都逐渐减小，且开挖面以下的桩身弯矩较开挖面以上的桩身弯矩减小幅度更大。

3)对于倾斜长短桩，长桩与短桩弯矩最大值在开挖面以上相近；而开挖面以下，长桩弯矩显著大于短桩弯矩。

4)倾斜长短桩中，短桩占比越大，其支护效果越弱，长短桩所受弯矩越大。

5)通过模型试验研究发现，倾斜长短桩能够在不增加支护桩的前提下，提高支护桩的支护效果。在实际工程中，可考虑作为不设置内支撑的围护结构方案。

在工程中一般采用长短桩穿越深厚软土地层，后续可考虑以长桩穿越深厚软土来研究倾斜长短桩的受力特性。