0 引言

　　 深基坑常用支护形式有排桩+内支撑体系和排桩+锚杆体系,锚杆相对内支撑体系在造价和施工便利上有优势,但锚杆的存在会对后续临近建筑物的施工造成障碍,因此也具有局限性 ^[1]。

　　 一种新型的、可限制支护结构位移的预应力悬臂桩(或地下连续墙,余同)被应用在基坑支护领域。与传统的锚拉式或支撑式支护结构不同,该支护结构的变形控制不依靠预应力锚杆或内支撑,而是在悬臂式支护桩受拉侧布置预应力钢绞线并施加竖向的预应力,使之产生朝向基坑外的变形趋势,部分抵消开挖基坑产生的朝向基坑内的变形,预调支护结构的水平位移在容许范围,控制和调整支护结构的变形,从而解决悬臂式结构变形过大的问题 ^[2]。

　　 预应力悬臂桩在工程上已有少量应用,但其理论研究尚不透彻,工程设计过程中适用的变形计算方法有待研究。通常基坑变形分析方法中的经验法,如Peck曲线法 ^[3]、Clough and O′Rourke包络线法 ^[4]、Mana and Clough 稳定安全系数法 ^[5]等,对预应力悬臂桩的适用性有待进一步验证,因为经验法通常建立在工程实测资料的基础上,只反映特定条件下的基坑变形规律 ^[6]。

　　 本文设计了一组试验,研究预应力悬臂桩变形形态,为工程设计提供参考依据。

1 试验目的

　　 图1 预应力悬臂桩与普通悬臂桩变形形态比较   

　　  

　　 如图1所示,预应力悬臂桩通过对支护桩在基坑底面位置的截面施加预应力,形成反向弯矩,以改变支护桩的变形形态,使基坑底面位置的桩身截面转角由θ大于零变化为接近θ等于零,从而减小支护桩在基坑底面位置的水平位移和由于转角的放大效应而在基坑顶面位置产生的水平位移,使支护桩最大变形由δ₀减小为δ₀-Δ,实现无水平支撑构件条件下控制基坑变形的目的。

　　 本文拟通过试验模拟,研究基坑面以下预应力悬臂桩的变形形态。通过改变模型板入土长度、截面刚度、土面处水平位移等因素,研究其对支护结构变形形态、土面处水平推力的影响。

　　 图2 试验原理图   

　　  

2 试验方案

2.1 试验原理

　　 试验原理见图2,模型箱内装填一定高度的土,采用亚克力板(有机玻璃)模拟实际工程的支护桩或地下连续墙; 通过改变模型板的厚度t以及嵌固长度D,模拟实际工程中不同直径和嵌固深度的支护桩; 通过控制与模型板连接的4个丝杆前进或后退,使模型板在开挖面以上产生可控的“平动式”水平位移ω来模拟预应力悬臂桩的实际水平位移; 由于土面处的水平位移ω₀与土反力密切相关,因此通过改变ω₀的大小,可以模拟土反力的变化; 通过连接在丝杆上的力传感器测量丝杆的轴力,计算其合力及合力矩,模拟实际工程悬臂支护桩在基坑界面位置的剪力及弯矩。

2.2 试验装置

(1)模型箱

　　 模型箱采用亚克力板(有机玻璃)和方形钢管制作而成,见图3和图4,箱体内净尺寸长×宽×高为2 000mm×402mm×1 500mm。

(2)模型板

　　 模型板采用厚度分别为15,20,25,30mm共4种规格的亚克力板。

　　 图3 模型箱正面   

　　  

　　 图4 模型箱全景   

　　  

(3)变形控制及测力装置

　　 模型板与4根丝杆相连接,通过控制丝杆前进或后退,使模型板在基坑底面以上位置产生与预应力悬臂桩相似的变形形态。专门制作的转动装置,可以控制丝杆前进或后退时,杆体本身不发生旋转。将拉(压)力传感器连接在丝杆上,测量丝杠受力,丝杆、力传感器及转动装置如图5所示。

　　 图5 丝杆、力传感器及转动装置  

　　  

2.3 试验土料

　　 试验用土采用细砂和水拌合,含水量6%,容重13.5kN/m³,强度指标:黏聚力c=0,内摩擦角φ=38°。

2.4 试验工况

　　 (1)共设计了4种厚度模型板,以模拟不同刚度的支护桩或地下连续墙。

　　 (2)对每种厚度的模型板,设计4种嵌固长度250,450,650,850mm,以模拟支护桩不同嵌固深度。

　　 图6 模型板水平位移曲线图 (模型板厚度t=15mm)  

　　  

　　 图7 模型板水平位移曲线图 (模型板厚度t=20mm)   

　　  

　　 图8 模型板水平位移曲线图 (模型板厚度t=25mm)   

　　  

　　 (3)每次试验中模型板厚度t、嵌固长度D固定,依次调节丝杆位置,使模型箱内土面以上的模型板产生水平位移5,10,15,20mm,在每个位移形态时,测量土面以下模型板各点的水平位移,并记录4个丝杆的拉(压)力读数。

3 试验结果

3.1 模型板水平位移曲线

　　 各试验工况下模型板水平位移曲线随模型板厚度t、嵌固长度D、土面处水平位移ω₀的变化见图6～9,其中深度0点对应模型箱内土面处,并定义土面以下深度为正值,土面以上深度为负值。

3.2 土面处水平推力H₀

　　 各试验工况下模型板土面处水平推力H₀随模型板厚度t、嵌固长度D、土面处水平位移ω₀的变化见图10。

　　 试验中模型板土面处水平推力H₀为4根丝杆的合力。对于实际工程的悬臂支护桩,H₀为基坑基底处的剪力。通过控制4根丝杆的水平位移相同,得到在4根丝杆的共同作用下土面产生与位移方向相反的弯矩M₀,以保持模型板土面处的转角为零。对于实际工程中预应力悬臂桩,弯矩M₀为预应力悬壁桩在施加预应力和土压力共同作用下在基底处的净弯矩。

　　 图9 模型板水平位移曲线图(模型板厚度t=30mm)   

　　  

　　 图10 水平推力H₀变化曲线  

　　  

4 试验结果分析

4.1 整体变形形态分析

　　 通过分析图6～9,得到如下结果:

　　 (1)模型板的变形形态可以较好地模拟预应力悬臂桩的变形形态,即基坑深度范围内桩身发生水平平动位移,基坑底面位置桩身转角为零。

　　 (2)模型板的变形形态整体上可分为三类:1)“踢脚”型:嵌固长度过短,水平位移曲线上不存在位移零点,嵌固长度范围内模型板整体发生上大下小的水平位移,将这种变形形态称为“踢脚”型。如D=250mm模型板的变形。2)“转动”型:嵌固长度较短,水平位移曲线上仅存在1个水平位移零点,模型板绕该点发生旋转,这种曲线形态称为“转动”型,位移零点称为转动点。如t=15mm,D=450mm,ω₀=20mm; t=20mm,D=450mm,ω₀=15mm或20mm时的模型板变形。3)“嵌固”型:嵌固长度范围内出现不少于2个水平位移零点,变形曲线呈快速收敛的“波浪”型,一般在第2个水平位移零点以下,变形量值很小,可以近似认为以下部分的变形为零,这种曲线形态称为理想“嵌固”型,可近似将第1个水平位移零点,称为嵌固点。本文将该点距离土面的深度,称为嵌固点深度。如t=15mm,D=850mm,ω₀=20mm时的模型板变形。

　　 对应于实际工程中的支护桩,若发生“踢脚”型和“转动”型水平变形,表明支护桩嵌固长度不够,被动土反力将会达到极限状态,有可能造成支护结构因承载能力不足而发生破坏,预应力悬臂桩设计时应避免“踢脚”型和“转动”型水平变形发生。

4.2 嵌固长度D的影响

　　 模型板厚度t、土面处水平位移ω₀保持不变,分析水平位移曲线随嵌固长度D的变化规律。以模型板厚度t=25mm、土面处水平位移ω₀=10mm为例,如图11所示。可见,嵌固长度过短时(D=250mm),模型板水平位移曲线为“踢脚”型; 随嵌固长度增加(D=450mm),模型板水平位移曲线由“踢脚”型过渡到“转动”型; 当超过某一嵌固长度时(D=650mm),模型板水平位移曲线为“嵌固”型; 此时再增加嵌固长度,模型板水平位移曲线变化不大。该现象说明,对于实际工程,当基坑深度一定、支护结构截面刚度和位移量不变时,支护结构存在一个相对固定的嵌固点。支护结构在嵌固点以下不发生向基坑内侧的位移,因此,其内侧土的反力不增大,被动土压力只在嵌固点以上起作用。

　　 图11 嵌固长度D对模型板 变形形态的影响(t=25mm)  

　　  

　　 对比土面处水平推力H₀随嵌固长度D的变化曲线,如图10(b)中t=25mm曲线所示,在“踢脚”型和“转动”型变形形态范围时,当D在250～650mm,水平推力H₀随嵌固长度D增加,基本为线性增加。当嵌固长度D大于某一临界值时,如D=650mm,水平推力H₀基本不再增加。

　　 试验表明,在基坑深度和位移控制值不变的条件下,当支护结构嵌固长度达到“嵌固”型条件后,增加嵌固长度不能有效提高支护结构抗水平荷载的能力。

4.3 土面处水平位移ω₀的影响

　　 当模型板厚度t、嵌固长度D保持不变,模型板变形形态随土面处水平位移ω₀的变化分为以下三种情况:

　　 (1)嵌固长度过短时。以模型板厚度t=25mm、嵌固长度D=250mm试验为例,如图8(a)所示,模型板无嵌固点,随土面处水平位移ω₀增加,模型板整体向内平移,呈“踢脚”型形态。

　　 对比嵌固长度D=250mm、不同模型板厚度时土面处水平推力H₀随土面处水平位移ω₀的变化曲线,如图12所示。可见,随土面处水平位移ω₀增加,土面处水平推力H₀基本上不增长。说明模型板后面的土体发生ω₀=5mm的位移之后,已达到被动土压力极限状态。

　　 试验表明,实际工程设计不管支护结构的刚度如何变化,如出现“踢脚”型变形,支护结构则处于失稳状态。

　　 图12 “踢脚”型模型板的土面处水平推力H₀随土 面处水平位移ω₀的变化曲线(D=250mm)  

　　  

　　 (2)嵌固长度较短时。以模型板厚度t=25mm、嵌固长度D=450mm和D=650mm两组试验为例,如图8(b)及图8(c)所示,模型板水平位移曲线出现1个位移零点,呈“转动”型。随土面处水平位移ω₀增加,“转动”点下移。

　　 对比嵌固长度D=450mm、不同模型板厚度时土面处水平推力H₀随土面处水平位移ω₀的变化曲线,如图13所示。可见,随土面处水平位移ω₀增加,土面处水平推力H₀近似线性增长。说明模型板后面的被动土反力也在随之增长,但随土压力增加,支护结构在转动点的转角随之增加,造成基坑面处位移过大。实际工程如将支护桩设计为这种“嵌固”型变形形态,则支护结构位移则较大。

　　 图13 “转动”型模型板的土面处水平推力H₀随土面 处水平位移ω₀的变化曲线(D=450mm)  

　　  

　　 (3)嵌固长度较大时。以模型板厚度t=25mm、嵌固长度D=850mm试验为例,如图8(d)所示,模型板水平位移曲线出现2个位移零点,模型板变形形态呈“嵌固”型。随土面处水平位移ω₀增加,第1位移零点下移,但下移量有限。该试验的第1位移零点以下的嵌固段与总嵌固长度的比值在0.4～0.6之间。

　　 对比嵌固长度D=850mm、不同模型板厚度时土面处水平推力H₀随土面处水平位移ω₀的变化曲线,如图14所示。可见,随土面处水平位移ω₀增加,土面处水平推力H₀近似线性增长。说明模型板后面土体的被动土反力也在随之增长。因嵌固点以下具有一定长度的嵌固储备,是实际工程理想的嵌固长度。

　　 试验表明,对于“嵌固”型的支护结构,即使支护结构已发生较大位移,支护结构的抗水平荷载能力仍随水平位移增加而继续增长。但对于“踢脚”型的支护结构,支护结构发生一定水平位移后,支护结构的抗水平荷载能力则不再增长。

　　 图14 “嵌固”型模型板的土面处水平推力H₀随土面处 水平位移ω₀的变化曲线(D=850mm)  

　　  

5 结论

　　 通过试验模拟预应力悬臂桩悬臂段的变形形态,分析了模型板嵌固长度D、模型板厚度t、土面处水平位移ω₀的改变对模型板嵌固段变形形态和土面处水平推力H₀的影响,得出以下主要结论:

　　 (1)对不同嵌固长度D、模型板厚度t、土面处水平位移ω₀的试验,悬臂支护结构出现“踢脚”型、“转动”型、“嵌固”型三种变形形态。为达到控制位移的目的,应设计为嵌固型的预应力支护结构。针对不同的水平推力、支护结构刚度,只有在支护结构的嵌固长度达到一定值时,才能实现嵌固要求。

　　 (2)对于“嵌固”型变形形态,模型板厚度t相同时,土面处水平推力H₀与土面处水平位移ω₀基本成线性增长关系。嵌固点随土面处水平位移ω₀增大而下移。该试验中嵌固点以下的长度与嵌固长度的比值在0.4～0.6之间。对于“嵌固”型的支护结构,即使支护结构已发生较大位移,支护结构的抗水平荷载能力仍随位移增加而继续增长。

　　 (3)当模型板的嵌固长度达到某一临界值后,再增加嵌固长度,水平推力基本不再增加。此时,嵌固点位置基本不变,说明被动土压力只在嵌固点以上起作用。对于“嵌固”型的支护结构,增加嵌固长度不能有效提高支护结构抗水平荷载的能力。