局部破坏对内撑式排桩支护基坑影响的模型试验

2023-11-13曹卫平席茂阳

水资源与水工程学报 2023年5期

曹卫平, 席茂阳, 赵呈, 赵敏

(1.西安建筑科技大学土木工程学院, 陕西西安 710055; 2.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室,陕西西安 710055; 3.西安工业大学建筑工程学院, 陕西西安 710021)

1 研究背景

随着社会经济的高速发展,地下空间开发规模和基坑开挖深度不断增加,深基坑支护问题日益凸显。基坑支护结构属于临时性结构,其安全储备较小,基坑开挖具有较大风险。已有工程事故案例表明,支护结构的破坏、土体失稳及内支撑失效会引起基坑出现大范围的垮塌,造成十分严重的后果。例如,在杭州地铁一号线萧山湘湖站北2基坑坍塌事故中,出现了土方超挖、支撑体系存在薄弱环节等情况,该情况导致基坑的围护结构地连墙外侧受压向坑内产生过大侧向位移,而钢支撑与地连墙预埋件未进行焊接,造成部分支撑轴力过大及严重偏心,最终致使支撑体系失稳,基坑发生坍塌[1];新加坡Nicoll大道地铁基坑由于第九道支撑与围檩连接处发生屈曲致使第九道支撑失效从而引发邻近支撑连续失效,导致基坑发生破坏[2];西宁地区某基坑由于未进行第二道锚杆施工及存在超挖等情况,在进行基础桩钻孔施工时,局部桩间土体发生滑塌,桩后土体迅速滑落到坑内,导致基坑局部滑塌[3]。上述事故表明,支撑失效、土体渗漏等局部破坏是导致基坑失稳的重要原因,对支护结构局部破坏及局部渗漏引起的支护结构渐进连续破坏及基坑垮塌性状的研究尤为重要。

郑刚等[4]通过带水平支撑的排桩支护基坑模型试验,研究了基坑开挖及局部支护桩破坏时支撑轴力的变化及支撑局部破坏进而引发支撑连续破坏的规律,结果表明,局部支护桩破坏会使附近支撑的轴力明显降低及支撑失效荷载传递存在就近现象。董利虎等[5]以河南某基坑工程为例,分析了基坑开挖阶段支护结构的变形及坑外地表沉降规律,并针对开挖期间存在的工程问题提出了应对措施。程雪松等[6-8]开展了悬臂式排桩支护基坑的数值模拟及模型试验,研究了支护桩局部破坏进而引发连续破坏的机理,提出了荷载传递系数的概念,为复杂环境下基坑连续破坏机理的研究奠定了基础。王卫东等[9]通过对上海地区深基坑工程的现场实测,发现基坑开挖深度越深,则围护结构侧移、支撑轴力、坑外最大地表沉降越大,且沉降值基本介于开挖深度的0.1%～0.8%之间。Clough等[10]通过对实际工程案例的统计,得出砂土、硬黏土及残积土地层基坑坑外地表最大沉降基本介于0～0.5%H。目前已有的研究成果虽然初步揭示了深基坑开挖引起的土体变形[11]、坑外地面沉降[12]、围护结构受力变形特性[13]及破坏的机理,并且还有许多关于基坑支护的空间效应[14]和环境效应[15]的研究成果,但关于支撑局部失效及土体渗漏对基坑内撑式排桩体系影响的研究较少。

基坑工程具有较强的复杂性和不确定性,尤其涉及到土体变形、围护结构变形及位移等方面的问题更为复杂[16]。为探究支护结构局部破坏及局部渗漏对基坑的影响,减少基坑事故的发生,本文开展了深基坑开挖室内模型试验,研究了内支撑失效和土体渗漏等局部破坏发生后的空间影响范围及其随时间的发展状态,得到了支护桩桩顶位移、桩身弯矩、土体沉降及内支撑轴力的变化特征及一些规律性认识,研究成果可为类似实际工程提供一定的参考。

2 基坑模型及试验概况

2.1 基坑模型及支护结构

模型试验对应的原型工程为开挖平面尺寸为23 m×13 m、挖深为9 m的基坑。图1为基坑模型布置图,模型试验在尺寸为1.22 m×0.77 m×0.97 m(长×宽×高)的模型槽内进行,选取1/4基坑面积开展试验,基坑开挖模型平面尺寸为560 mm×320 mm,开挖深度为450 mm。

图1 基坑模型布置图(单位:mm)

模型试验设计需符合相似三定理,综合考虑模型试验的场地、装置及材料,取试验几何相似比CL=20,相应的容重相似比Cγ=1;应变相似比Cε=CLCγ/CE,其中CE为弹性模量相似比[17];位移相似比CX=CεCL。

基坑支护采用内撑式排桩结构,模型桩采用硬质PVC圆管制作,有效桩长为820 mm,圆管外径为40 mm、壁厚为2 mm,弹性模量E=3.13 GPa,相应原型为直径0.8 m、桩长16.4 m的C30混凝土桩。模型支护桩沿基坑长、短边共布设12根,桩间距为80 mm,图1中用编号1～12表示桩P1～P12。其中应变监测桩为P2、P4、P6、P8、P10、P11,每根监测桩设置6个监测断面,在桩内壁受拉、受压侧各布设1个应变片;桩P1、P4、P6、P9、P12后设置百分表,用以监测桩顶位移的变化。

内支撑采用硬质PVC空心圆管,圆管外径为20 mm、壁厚为1 mm。在图1中3根内支撑的两端设置圆头螺杆,既能保证内支撑两端近似为点接触,确保内支撑近似仅受轴力作用,也能通过调节螺母使其伸长实现内支撑与围檩紧密接触以模拟施加预应力、使其缩短以模拟内支撑卸载失效。在内支撑表面中部位置布设一对应变片,用以监测其轴力。内支撑主要以受压为主,要确保抗压刚度EA与原型相似,则内支撑需对应原型为直径为0.16 m的钢管。模型试验中围檩采用与内支撑材料相同的硬质PVC管片模拟,其厚度取2.5 mm。

2.2 坑外地表沉降观测点

根据工程实测获得砂土基坑开挖时坑外地表沉降的主要影响范围在距坑边1.0H以内(H为开挖深度,其值为450 mm)。由于模型槽大小的限制,坑外沉降监测区设置在距坑边0.5H范围内,且根据试验结果表明,沉降主要影响范围在0.5H以内,可忽略边界效应的影响。图1中给出了4个坑外地表沉降观测点S1、S2、S3、S4的布设位置。

2.3 试验土体

试验所选用的地基土为干燥、洁净的中粗河砂,实测其界限粒径d10、d30、d60及平均粒径d50分别为0.145、0.370、0.920、0.650 mm,其他部分参数见表1。相关研究表明,模型试验中模型桩桩径D与试验土体平均粒径d50的比值大于40时可忽略土颗粒大小的尺寸效应,本试验中D/d50=61.5,因此可不考虑砂土颗粒大小的尺寸效应对试验结果的影响。

表1 试验砂土主要参数

2.4 试验过程

试验前在模型槽内壁预设高度控制线,便于前期分层填筑及后期分层开挖。在模型槽内壁粘贴摩擦系数较低的塑料薄膜,以减小支护桩、土体与模型槽内壁的摩擦力,从而消除边界效应的影响。在支护桩后布置一层挡土布,并用环氧树脂将挡土布与支护桩接触部分进行粘连。挡土布用以模拟实际工程中的喷浆加固结构。

地基土填筑至8 cm时将支护结构固定,第一层填筑7cm,随后按每层15 cm分层填筑至基坑顶面,每层地基土填筑完成后进行整平,分2次振密约6 min,各层接触面拉毛并利用小直径钢筋竖向插捣,避免水平分层。记录填土高度及质量,经计算得到地基土平均密度为1.853 g/cm3,相对密实度Dr=62%,土体为中密。

本次试验共9个步骤,分3个阶段进行,其中步骤1～4为基坑开挖试验;步骤5～7为内支撑失效试验;步骤8、9为土体渗漏试验,渗漏试验的目的在于研究土体渗漏对支护结构的影响及坑外塌陷范围。表2为试验具体步骤。

表2 试验具体步骤

3 试验结果及分析

3.1 基坑外地表沉降量的变化

图2为试验不同阶段各步骤基坑外地表沉降量变化曲线(以隆起为正,沉降为负)。

图2 试验不同阶段各步骤基坑外地表沉降量变化曲线

根据图2按不同试验阶段对基坑外地表沉降状况分析如下。

(1) 基坑外地表沉降随基坑开挖深度的变化。步骤1安装内支撑且施加预应力,施加预应力后使坑外土体隆起,但隆起量微小;步骤2～4开挖过程中,坑外地表隆起量逐渐减小。可见基坑开挖阶段坑外地表沉降变化很小。实际工程中基坑外地表变形常受基坑周围土体性质、地下水水位、围护结构刚度、基坑开挖深度等因素的影响,较为复杂,本试验所用地基土经过分层振动夯实填筑,土体性质较好且无地下水影响,同时围护结构采用内撑式支护体系,结构稳定,故测得基坑外地表沉降量较小。

(2) 内支撑失效对基坑外地表沉降的影响。步骤5内支撑C2失效,此时基坑外地表几乎无沉降。由于内支撑C2位于C1和C3之间,失效后其所承受的荷载能转移到支护桩及邻近内支撑,因此基坑外地表沉降不明显。

沉降监测点位于支护桩P11和P12之间的后部土体,而支护桩P11和P12处于内支撑C1的作用范围内,当步骤6内支撑C1失效时,地表沉降量较步骤5显著增大。这是由于内支撑C1失效后其所承受的荷载只有小部分能传递到C3,大部分荷载传递到其内支撑范围内的支护桩上,因此基坑外地表沉降明显。当步骤7内支撑C3继续失效时,地表沉降量进一步增大,但增幅较小。其原因是内支撑C3位于坑角,其失效后大部分荷载都传递到坑角附近的支护桩上,而沉降监测点距坑角较远,因此监测点沉降量变化较小。

内支撑全部失效后,监测点S1最大沉降量为0.95 mm,约为0.21%H,对应工程原型的沉降量为38 mm,约为0.42%H;监测点S2、S3最大沉降量分别为0.55、0.09 mm;监测点S4无明显沉降,位于次要影响区。试验结果与Clough等[10]对砂土基坑实测得出的基坑外地表最大沉降介于0～0.5%H之间的结论相符。

(3) 土体渗漏对基坑外地表沉降的影响。图3为土体渗漏破坏形成的桩后滑裂面。步骤8划破支护桩P10～P11间的挡土布,桩后土体失稳并迅速滑落到基坑底部,基坑外地表出现锥形塌陷区①(图3);步骤9划破支护桩P2～P3间的挡土布,基坑外地表出现锥形塌陷区②(图3),同时塌陷区①的垮塌范围及深度进一步增加。待土体渗漏停止后监测点S1、S2、S3的沉降量均达到最大值,最大沉降量位于监测点S1处,约为22 mm,但监测点S4无显著沉降,表明其位于渗漏破坏的次要影响区(图2)。待土体渗漏稳定后,塌陷区①影响范围覆盖了约2/3基坑长边,塌陷区②影响范围覆盖了整个基坑短边,影响范围分布广泛。

图3 土体渗漏破坏形成的桩后滑裂面

3.2 支护桩桩顶水平位移的变化

图4为试验不同阶段各步骤支护桩桩顶水平位移随时间变化曲线(向基坑内位移为正,向基坑外位移为负)。根据图4按不同试验阶段对支护桩桩顶水平位移状况分析如下。

图4 试验不同阶段各步骤支护桩桩顶水平位移随时间变化曲线

(1)桩顶水平位移随基坑开挖深度的变化。步骤1安装内支撑且施加预应力后,各支护桩桩顶向基坑外位移,这与预应力的施加有关。随开挖的加深,各桩均向坑内方向位移。步骤4中仅有支护桩P1向坑外方向位移,出现这一现象是由于内支撑C3布设在坑角,基坑长、短边上压力大小和方向不同,随着开挖深度的加深,压力差增大,支护桩P1在内支撑轴力的作用下向坑外位移。基坑开挖完成后,支护桩P6桩顶位移最大,约为0.07 mm。开挖阶段各支护桩位移量较小且每步开挖位移增幅很小,表明此时基坑稳定性较好。

(2)内支撑失效对桩顶水平位移的影响。内支撑C2失效后,仅邻近内支撑失效位置的支护桩P9桩顶向坑内有较小位移。当C1、C3接连失效后,各支护桩桩顶均向坑内位移,且位移增幅明显比单一内支撑失效更明显。内支撑全部失效后,坑角附近的支护桩P4桩顶位移最小,为0.11 mm,而位于基坑长边的支护桩P12桩顶位移最大,为1.84 mm。可见内支撑失效阶段不同位置支护桩桩顶位移差别较大,空间效应较明显。

(3)土体渗漏对桩顶水平位移的影响。步骤8划破支护桩P10～P11间的挡土布后,桩后土体失稳滑落到坑底,邻近渗漏位置的支护桩P9、P12桩顶向坑内有明显位移,其中支护桩P12桩顶位移最大,约为2.32 mm,其余各桩桩顶向坑内的位移较小。步骤9支护桩P2～P3间土体渗漏破坏后,各支护桩桩顶向坑内位移的增幅微小,土体渗漏对桩顶位移影响不显著。

3.3 支护桩桩身弯矩的变化

(1)桩身弯矩随基坑开挖深度的变化。图5为基坑开挖完成后支护桩桩身弯矩分布。由图5可以看出,位于基坑长边的支护桩P11桩身弯矩最大,而坑角附近的支护桩P4、P6桩身弯矩较小。图6为支护桩P11在步骤1～4过程中桩身弯矩随开挖深度的变化曲线。图6表明,步骤1支护桩P11最大弯矩为0.21 N·m,反弯点在桩身z=25 cm处;步骤4支护桩P11最大弯矩为0.72 N·m,反弯点在桩身z=50 cm处。随着开挖深度的加深,由于基坑内土体被卸除量增大,导致桩后土压力增大,但桩顶被围檩与内支撑所限制,因此桩身弯矩增大且反弯点下移。

图5 基坑开挖完成后支护桩桩身弯矩分布

图6 支护桩P11桩身弯矩随开挖深度变化曲线

(2)内支撑失效对桩身弯矩的影响。图7为内支撑失效阶段支护桩桩身弯矩变化曲线。由图7可以看出,步骤5内支撑C2失效后,邻近失效内支撑的支护桩P10、P11桩身弯矩明显减小,远离失效内支撑的支护桩P2和位于坑角的支护桩P6桩身弯矩无明显变化。步骤6、7内支撑C1、C3接连失效后,各支护桩桩身弯矩均有所减小,反弯点明显上移,且位于基坑中部附近的支护桩桩身弯矩变化幅度最大。这表明内支撑局部失效后,部分荷载转化为支护桩的位移协调,使支护桩向坑内位移,导致支护桩上部正弯矩有所减小,下部负弯矩有所增大;当内支撑连续失效时,转化为位移协调的比例进一步增大,使得支护桩桩后被动土压力转变为主动土压力,桩身正弯矩进一步减小,且反弯点进一步上移,同时支护桩受影响的范围进一步扩大。

图7 内支撑失效阶段支护桩桩身弯矩变化曲线

表3为内支撑失效阶段各支护桩桩身最大负弯矩。内支撑失效阶段桩身最大负弯矩变化最显著,因此需判断支护桩是否发生过大的变形或可能出现断裂的情况,通过单桩安全系数Kd与荷载(弯矩)传递系数I的大小来判断支护桩是否发生破坏。程雪松等[6]通过试验得出支护桩单桩安全系数Kd=1.875,本试验采用的基坑和支护桩材料与其类似,因此Kd取值为1.875;本试验中内支撑C3失效后支护桩弯矩增量最大,临近失效内支撑位置的支护桩P8最大负弯矩由失效前的-0.496 N·m 增大到失效后的-0.813 N·m(表3),荷载传递系数I为1.64。由此可知I

表3 内支撑失效阶段各支护桩桩身最大负弯矩 N·m

(3)土体渗漏对桩身弯矩的影响。图8为土体渗漏阶段支护桩桩身弯矩变化曲线(以邻近渗漏部位的支护桩P11、P2为例)。步骤8支护桩P10～P11间土体渗漏后,支护桩P10和P11桩身弯矩有所增大,支护桩P11的变化相对更为显著。

图8 土体渗漏阶段支护桩桩身弯矩变化曲线

由图8可以看出,支护桩P11最大负弯矩为-1.04 N·m,相较于土体渗漏前(步骤7)增加了8%;步骤9支护桩P2～P3间土体渗漏后,支护桩P2最大弯矩为0.37 N·m,较步骤8增大约18%。总体来看,局部土体渗漏对桩身弯矩影响不大,且离土体渗漏位置较远的支护桩桩身弯矩几乎没有变化。由于土体渗漏是通过破坏桩间挡土布模拟的,支护桩本身没有发生破坏,支护结构整体保持稳定,因此桩身弯矩变化不大。

3.4 内支撑轴力的变化

(1)内支撑轴力随基坑开挖深度的变化。图9为基坑开挖阶段各内支撑轴力随开挖深度变化曲线(以压为正,拉为负)。

图9 内支撑轴力随开挖深度变化曲线

图9显示,各内支撑轴力随开挖深度呈波浪型变化,即内支撑轴力在每步开挖时有所减小,在变形稳定时间内又有所增大;内支撑C1、C2、C3初始轴力分别为19、14、46 N,基坑开挖完成后,较初始轴力分别增大了约9、12、2 N,其中靠近基坑中部的内支撑C2轴力增幅最大,而坑角附近的内支撑C3轴力增幅最小,空间效应较明显。

内支撑布设高度对荷载传递有一定影响,随着基坑开挖深度的加深,位于桩顶处的内支撑轴力变化幅度逐步减小,表明此时内支撑布设过高,应随着开挖深度的加深而适当降低,这既能提高支撑的作用,也能给支护结构提供更大的抗侧移刚度[4]。

(2)失效内支撑对未失效内支撑的影响规律。基坑开挖完成后,内支撑C1、C2、C3的轴力分别为28、26、48 N。步骤5内支撑C2失效,内支撑C1、C3的轴力比C2失效前分别增大了4、1 N,增幅分别约为15%、4%,内支撑C1距C2更近且轴力增幅更大,表明失效内支撑的荷载传递存在就近现象。内支撑C2失效破坏后,其承担的荷载约有20%通过围檩传递到其余内支撑,将近80%的荷载转换为支护结构的位移协调。步骤6内支撑C1失效后,C3轴力约增大4 N,增幅为C1失效前其支撑轴力的12%,表明C1失效后有12%的荷载传递到邻近内支撑,其余88%的荷载转换为支护结构的位移协调。当内支撑C2、C1接连失效时,内支撑所承担的荷载转化为支护结构位移协调的比例更大,内支撑连续失效影响的范围也更广,邻近内支撑所承受的荷载也进一步增加。

4 讨论

本文通过模型试验分析了砂土基坑中内撑式排桩支护结构在基坑开挖、内支撑失效以及土体渗漏等阶段支护结构的受力及变形特性。基坑开挖阶段内撑式支护结构整体稳定性较好,对周边环境影响程度较低,其中靠近内支撑的支护桩桩顶位移及受力更小,与周勇等[18]所得结论类似。试验过程中,当单一内支撑失效后,失效支撑的荷载会传递到其余支撑,致使未失效支撑受力增大,且荷载的传递存在就近现象,失效内支撑数量的增多会导致未失效支撑所承受的荷载进一步增大,进而可能会引起支撑全部失效,这一试验结果与Choosrithong等[19]所得研究成果类似。

本试验表明,内支撑全部失效后基坑外地表最大沉降值为0.95 mm,约为0.21%H,对应工程原型约38 mm,约为0.42%H,与Clough等[10]对砂土基坑实测得出基坑外地表最大沉降介于0～0.5%H的结果相符,与王卫东等[9]针对上海地区基坑工程现场实测所得基坑外地表最大沉降值基本介于0.1%～0.8%H的结果也相符。

内支撑接连失效会导致支护桩桩后土压力激增,可能会使桩后挡土布(模拟实际工程中的喷浆结构)发生破坏,进而引发二次事故。针对内撑式排桩支护结构的破坏试验,大多数学者仅分析了内支撑连续失效对支护结构的影响规律,并未考虑到由于内支撑接连失效而引发的二次事故。为降低类似事故的发生率,本文进一步分析了内支撑失效后土体渗漏对支护结构的影响规律,使得研究成果更加全面,对工程实践具有一定的参考价值。