第 5 期 李启民等 : 双排挤扩支护桩试验研究 9 上发展起来的一种新型支护结构 由于挤扩机具的 挤压作用, 支盘周围土体得到了相当程度的压密作 用, 降低了压缩性, 提高了压缩模量, 其物理力学 性质优于原状土 [] 更为重要的是, 双排挤扩支护 桩前 后排的挤扩盘相连后, 形成了一种特殊类型

第 0 卷第 5 期岩土力学 Vol.0 No.5 009 年 5 月 Rock and Soil Mechanics May 009 文章编号 :000-7598 (009) 05-8-05 双排挤扩支护桩试验研究 李启民, 王树仁, 唐业清, 何满潮 (. 中国地质大学 ( 北京 ) 工程技术学院, 北京 0008;. 燕山大学建筑工程与力学学院, 秦皇岛 066004;. 北京交通大学土木建筑工程学院, 北京 00044;4. 中国矿业大学 ( 北京 ) 力学与建筑工程学院, 北京 0008) 4 摘要 : 介绍了一种新型基坑支护桩 双排挤扩桩, 探讨了双排挤扩支护桩的挤密效应 受力机制 工作特性和计算方法 土工模型试验和数值模拟试验表明, 双排挤扩支护桩受力体系近似于一种特殊类型的多层框架结构 与双排悬臂支护直桩相比较, 双排挤扩支护桩的空间刚度大幅度增加, 结构受力合理, 桩顶位移减小, 桩体弯矩正负交替分布, 弯矩最大值减小, 嵌固深度减小, 支护高度增加, 桩体材料得到全面利用 双排挤扩支护桩有着明显的技术优势, 可降低风险, 为深基坑工程提供了一种更加合理的新型支护手段 关键词 : 双排挤扩桩 ; 深基坑支护 ; 模型试验 ; 数值模拟 ; 工作特性中图分类号 :TU 47 文献标识码 :A Experimental research on squeezed pan piles in double-row as retaining and protecting of foundation excavation LI Qi-min, WANG Shu-ren, TANG Ye-qing, HE Man-chao 4 (. School of Engineering and Technology, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 0008, China;. School of Civil Engineering and Mechanics, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China;. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 00044, China; 4. School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 0008, China) Abstract: A new type of retaining and protecting structure called squeezed pan pile in double-row is introduced; and then its compaction efficiency, loading transfer behaviors, characteristics and the calculation method are discussed. Squeezed pan piles in double-row are indicated that its stress system is similar to a special frame structure through model test and numerical simulation. Compared with the cantilever reinforced concrete retaining straight piles, the major characteristics of squeezed pan piles in double-row contain: () The space rigid is increased enormously; the displacement in top of piles can be reduced greatly. () The stress system is proper; bending moments are alternating distributed; the maximum bending moment is decreased. and () The embedded depth can be shortened; retaining height can be enhanced; the material of piles can be utilized sufficiently. It is concluded that the squeezed pan piles in double-row have many significant advantages including advanced technology and little risk. It will provide a more reliable method of retaining and protecting for foundation excavation. Key words: squeezed pan piles in double-row; retaining and protecting for deep foundation excavation; model test; numerical simulation; characteristics 引言 随着我国城市化进程的发展, 城市人口饱和问题 城市空间拥挤问题以及耕地危机问题将进一步突出 解决这些问题的有效措施之一, 就是充分利用城市的高空和地下等有效空间, 兴建高层建筑与地下设施 因此, 基坑工程成为我国城市化进程发展中的一个重要课题 双排支护桩是基坑支护结构的一种形式, 它是将单排支护桩的桩距拉大, 然后布置成前后排形式 双排支护桩结构刚度大 变形小 整体稳定性好 抗倾覆能力高, 克服了悬臂式单排支护桩存在的不足, 保证了基坑周围环境的安全 所以, 双排支护桩适合于建筑物密集 场地狭小 地基土力学性质较差以及深度较大的基坑工程 [] 双排挤扩支护桩是在普通双排支护直桩的基础 收稿日期 :007--7 第一作者简介 : 李启民, 男,964 年生, 博士, 高级工程师, 国家一级注册结构工程师, 主要从事岩土工程 结构工程和地热工程的研究与设计工作 E-mail: qiminli@6.com

第 5 期 李启民等 : 双排挤扩支护桩试验研究 9 上发展起来的一种新型支护结构 由于挤扩机具的 挤压作用, 支盘周围土体得到了相当程度的压密作 用, 降低了压缩性, 提高了压缩模量, 其物理力学 性质优于原状土 [] 更为重要的是, 双排挤扩支护 桩前 后排的挤扩盘相连后, 形成了一种特殊类型 的多层框架结构, 从而改变了双排普通悬臂钢筋混 凝土支护直桩的受力体系 双排挤扩支护桩的空间 刚度大大增加, 桩体弯矩正负交替分布, 是一种更 加合理的新型支护方式 土工模型试验设计 该土工模型试验的几何尺寸 时间因素以及初 始条件 ( 包括受力状态 ) 与现场原型相似, 但试验 土体与现场土体的力学性质 ( 包括桩周土体的界面 性状 ) 是相同的, 无法与上述其他相似比取得一致, 这是长期以来桩的土工模型试验普遍存在的缺陷 严格地讲, 支护桩的土工模型试验是一种 土工模 拟, 它全面记录了支护结构从容许到极限再到破坏 的应力 - 应变全过程, 反映了支护结构的受力变形规 律. 试验材料 模型试验在大型土工试验槽中进行, 试验材料 制备包括试验土制备 桩位成孔 桩体应变片制作 安放 土压力盒埋设 钢筋混凝土模型桩制作等 () 试验地基土制备 该试验地基土取自北京地区一般性粉土, 过筛 后再按一定的含水率进行配置, 分层回填夯实, 并 控制其重度, 回填至设计标高后进行静压和养护处 理 试验地基土的物理力学性质指标为 : 含水率 w 5.7 %, 重度 6.75 kn/m, 塑限 wp 6.56 %, 液限 wl 6. %, 塑性指数 Ip 9.57, 压缩系数 a 0.7 MPa -, 压缩模量 Es 5.0 MPa, 内摩擦角 6.7, 黏聚力 c 5.8 kpa () 桩位成孔 地基土在土工槽中养护完毕后, 用洛阳铲取土 成孔, 再按模型桩设计要求采用专用的挤扩机具形 成挤扩体腔模 () 模型桩制作 模型桩设计直径为 4 mm, 桩长为 800 mm, 挤扩头直径为 0 mm 双排模型桩的型式分为 种, 分别为钢筋混凝土直桩 ( 表中代号为 F) 和钢 筋混凝土盘形挤扩桩 ( 代号 G) 模型桩同排中心距 为 400 mm, 前后排中心距为 50 mm 模型桩采用钢筋混凝土灌注桩, 在桩位成孔完 成后, 放入钢筋笼, 浇注混凝土 钢筋笼主筋为 4 mm, 箍筋为 4@50 mm, 混凝土强度等级 为 C0, 细骨料为中砂, 粗骨料为豆石, 其粒径 5 mm 本试验将前后排桩的支盘设在同一高度, 研究 一种特殊类型的支护结构受力变形规律 支盘位置 错开后的前后排桩受力变形规律, 计划在下一阶段 进行试验 挤扩支护模型桩尺寸 应变片 ( 黑圈点 ) 位置 支盘位置以及试验结束后开挖的挤扩支护模 型桩的实物照片见图 图 双排模型挤扩桩示意图 ( 单位 :mm) Fig. Squeezed pan model piles in double-row (unit: mm). 模型试验与测试 模型桩在自然条件下养护, 室温为, 个 月后进行基坑开挖, 在基坑顶面进行加载, 模拟现 场堆载进行对比试验 双排模型桩试验的桩位布置 见图 图 桩位布置平面图 ( 单位 :mm) Fig. Plan of model piles site (unit: mm) 试验采用液压千斤顶逐级加载, 利用液压稳压 器控制工作压力 试验采用慢速维持荷载法, 其标 准为每 0 min 桩顶位移量小于 0.0 mm 模型试验对比分析. 桩顶位移分析 通过对双排支护直桩和双排盘形挤扩支护桩

0 岩土力学 009 年 的位移进行对比与分析, 探讨双排盘形挤扩支护桩 的桩顶位移规律 该试验模拟桩后堆载 桩前基坑 开挖的情况 试验中, 后排桩随桩间土一起向前移 动, 后排桩的位移很难测准, 所以本试验没有记录 后排桩的桩顶位移 表 为双排悬臂钢筋混凝土模型支护直桩与模 型挤扩支护桩在逐级荷载 ( ) 作用下的水 平位移量, 该水平位移量为 组试验位移量的平均 值 图 为上述两种模型桩在逐级荷载 ( ) 作用下的前排桩桩顶水平位移曲线图 表 双排模型桩 ( 前排 ) 桩顶位移试验记录 Table Displacement in the top of front piles 双排模型的前排桩位移 / mm / kpa 支护直桩 (F) 挤扩支护桩 (G) 7.8 0.006 0.00 50.8 0. 0.04 8. 0.5 0.9 5.0.8 0.56 56..77.0 87.5.4.65 08. 4.95.94 50.0 9.9.55 8..0 4.47.5 8.57 6.4 75.0 9.0 47.5 5.4 桩顶位移 / mm 0 8 6 4 0 8 6 4 0 加载板陷入地基土中过深, 终止加载 直桩 F 位移盘桩 G 位移 0 00 00 00 400 / kpa 图 双排桩 ( 前排 ) 桩顶位移曲线比较图 Fig. Contrast curve of displacement in the top of double-row piles (front piles) 通过比较可以看出, 在相同的荷载作用下 ( 等 效于相同的基坑深度 ), 双排盘形挤扩支护桩桩顶位 移 ( 前排桩 ) 是双排支护直桩的桩顶位移 ( 前排桩 ) 平均值的 0.4 倍, 平均减小 59 %. 极限荷载分析 双排支护桩的桩顶位移较小, 在 个安全等级 的基坑工程中均可使用 根据 建筑基坑工程技术 规范 (YB 958-97) 附录 H, 悬臂支护桩的桩顶 位移应控制在 h /00~h /50 的范围内, 其中,h 为基坑开挖深度 根据基坑工程的安全等级 ( 级 ) 和最 大位移允许值 (.67 5.5 7. mm), 确定本试验 中各种支护桩在正常使用极限状态时的极 限值 极限值的比值以及比值的平均值, 详见表 表 模型桩在正常使用极限状态时的极限荷载比较 Table The limit load contrast of model test piles at limit state of regular service 安全 等级 最大位移允许值 极限值 / kpa / mm F G G 与 F 桩极限值比值 级.67 9.7 54..9 级 5.50.6 98.5.404 级 7. 9. 5.6.464 极限值比值平均值.96 由表 可以看出, 双排悬臂挤扩支护桩在正常 使用极限状态下的是双排悬臂支护直桩地 面荷载的.96 倍, 双排悬臂挤扩支护桩破坏时地 面荷载比双排悬臂支护直桩约增大 45 %. 桩体内力分析 通过对双排支护直桩和双排盘形挤扩支护桩的 桩身弯矩进行对比, 探讨双排盘形挤扩支护桩的桩 身弯矩分配规律 表 为双排模型桩分别在 4 种作用下 的桩身最大弯矩值 由表可以看出, 双排悬臂挤扩 支护桩在正常使用极限状态下的前排桩最大弯矩是 双排悬臂支护直桩最大弯矩的 0.5 倍, 其后排桩最 大弯矩为 0.57 倍, 分别平均减少 48 % 和 4 % 表 正常使用极限状态下模型桩最大弯矩 Table The maximum moment of double-row model piles at limit state of regular service / kpa 最大弯矩 / (N m) F G 前排后排前排后排 7.8 58 0 9 0 0.67 G 与 F 桩最大弯矩比值 6.5 6 97 7 78 0.86 0.8 9.8 90 05 0 78 0.4 0.60 G 与 F 桩最大弯矩比值平均值 前排后排前排后排 50.0 9 455 88 7 786 4 49 0.0 0. 0.5 0.57 图 4 为双排悬臂钢筋混凝土模型桩 ( 直桩和挤 扩盘桩 ) 分别在 q 9.8 kpa 作用下的桩身 弯矩分布图 可以看出, 双排悬臂挤扩支护桩的弯 矩分布与直桩的弯矩分布截然不同, 弯矩分布沿桩 身正负交替变化, 使桩身弯矩分布均匀化, 避免了

第 5 期 李启民等 : 双排挤扩支护桩试验研究 弯矩集中造成的材料浪费 4. 弯矩分析图 6 为双排悬臂钢筋混凝土挤扩模型桩在 q 08. kpa 作用下, 其前 后排桩的弯矩分布图, 该数值模拟图与模型试验图基本吻合, 进一步证实了双排盘形挤扩支护桩的桩身弯矩分配规律 在作用下, 双排挤扩盘桩的弯矩图与悬臂式 层框架结构在水平荷载作用下的弯矩图基本一致, 弯矩正负交替变化 值得注意的是, 底层框架的固定端比较靠上, 并不是支护桩的下端点 (a) 模型直桩 (b) 模型挤扩桩 图 4 悬臂模型桩弯矩试验 (q=9.8 kpa) Fig. 4 The bending moments of model piles 4 数值分析 4. 数值计算模型 计算区域范围 : 宽 高.0 m.8 m ; 求解区 域离散为四边形网格, 共划分单元 7 4 个 在数值模型的建立过程中, 除模拟桩与土层外, 对桩与土层间的接触面也进行了细致的模拟 计算模型采用 Mohr-Coulomb 屈服准则 混凝 土桩与土层的接触面参数设为 K 5 MPa K 5 MPa fric 5 基坑开挖前计算模型为 : 侧向水 平约束, 底面固定 根据实际情况, 将整个过程分 为 个步骤进行模拟, 即使用材料的自重应力作为 模型的初始应力, 在加入桩的情况下用 FLAC 软件 计算至平衡状态, 然后进行桩侧土的开挖形成基坑, 计算至平衡, 在桩右侧顶面进行分级加载分析 4. 位移场分析 如图 5 所示, 基坑开挖后, 随着基坑顶面分级 载荷的逐渐增大, 支护桩向基坑临空侧产生的水平 位移也逐渐增大 当载荷增至 q 08. kpa 时, 双 排挤扩桩的桩顶最大水平位移约为.8 mm, 与土工 模型试验位移数据相一致 n s 图 6 双排挤扩盘桩弯矩图 (q=08. kpa) Fig.6 Moment curves of double-row model pan piles (q=08. kpa) 5 计算方法探讨 5. 土压力计算 双排桩的侧土压力计算尚未统一, 国内外详尽 的资料报道也比较少 为了近似考虑后排桩间距的 影响, 取作用于前 后排桩的主动土压力强度之和 为规范中的主动土压力强度 ( 即按 建筑基坑支护 技术规程 (JGJ 0-99) 的规定所计算的土压力 ), 并考虑非连续布桩的影响, 按主动土压力合力影响 系数确定前 后排桩的主动土压力强度分配系数 [] 被动土压力计算方法与主动土压力一致 5. 受力分析 图 7 为双排挤扩盘形支护桩的受力分析图,F 点变形为 0 支护桩弯矩最大值 / (N m) 8.679 0 -.68 0 -.84 0 4 6.08 0 5.000 0 6.04 0 X 向位移 / m -.0 0 - -.5 0 - -.0 0 - -5.0 0-4 0 5.0 0-4 图 5 双排挤扩盘桩周围土体水平位移场 (q=08. kpa) Fig. 5 Horizontal displacement field of double-row model pan piles (q=08. kpa) 图 7 挤扩桩受力分析图 Fig. 7 Loading analysis diagram of double-row model pan piles

岩土力学 009 年 支护桩在主动土压力的作用下向基坑方向倾 斜, 主动区挤扩体下面与地基土有脱离趋势, 被动 区挤扩体上面与地基土也有脱离趋势, 故可忽略掉 主动区挤扩体下面的地基土的作用力和被动区挤扩 体上面的地基土的作用力, 即取 qb 0, q b4 0, qd 0, q d 0, q d6 0 根据挤扩盘 B L 上方预埋的土压力盒和挤扩盘 DI 下方预埋的土压力盒所显示的数据, 挤扩体上 下压力为作用在挤扩盘上的土柱重力和端阻力 所 以, 挤扩体上的力矩主要是由作用在挤扩盘上的土 柱重力 摩阻力和端阻力形成 [4] 挤扩体 B L 挤扩体 D J 上以及挤扩体 ID 下的 力矩标准值可表示为 Mk h qr r () M k h4 h5 qr r () M k kqpk r r () 式中 : M k M k 分别为挤扩体 B L 和挤扩体 D J 上 的力矩标准值 ; M 为挤扩体 ID 下的力矩标准值 ; k r r 分别为挤扩盘的外 内半径 ; q pk 为土体极限端阻力标准值 作用于半个挤扩体上面的土体侧阻力 Q 可表 示为 Qsk kπ( r r ) qsk (4) Qsk kπ( r r ) qsk (5) Qsk k π( r r ) qsk (6) 式中 : Q sk Q sk Q sk 为挤扩体水平力标准值 ; q sk 为土体极限侧阻力标准值 根据上述结论, 计算模型桩各段的弯矩值, 再 将计算结果与模拟试验结果 数值分析结果进行比 较, 得出上述公式中的系数, 并对其进行数学处理, 最后得出其取值范围 : k 0.4~0.7, k 0.~0.6 5. 计算模型 根据模型试验和数值模拟的内力分析结果, 可 将双排盘桩受力结构图简化为一种特殊类型的 层 框架结构, 并取基坑开挖面以下 / 处作为固定端, 即 h6 0.5h 层框架高为 ( h h6 ), 前排桩的刚度为 ( EI ) 前, 后排桩的刚度为 ( EI ) 后 由于挤扩体的 断面大, 而且前后桩的距离远小于桩的长度, 可认 为框架横梁的线刚度远大于桩的线刚度, 这样可假 定框架横梁只有水平位移而不产生转角, EI横梁 双排挤扩盘形支护桩的计算简图见图 8 双排挤扩支护桩的前 后排桩内力可按钢筋混 s [5] 凝土框架结构进行计算, 常用计算方法有迭代法 反弯点法 D 值法以及 PKPM 结构软件计算等 6 结论 图 8 挤扩桩计算简图 Fig.8 Scheme of calculation 通过室内模型试验, 并应用 FLAC 软件进行数 值模拟分析, 双排挤扩支护桩完全改变了双排普通 悬臂钢筋混凝土支护直桩的受力体系, 属于一种特 殊类型的多层框架结构, 并得出以下结论 : () 与双排支护直桩相比较, 双排挤扩支护桩 空间结构刚度大大增加, 桩顶位移减小, 前排桩的 桩顶位移平均减小 59 % () 双排挤扩支护桩受力体系合理, 桩体弯矩 正负交替分布, 弯矩值趋于均匀化, 出现多个极大 值, 最大值减小, 前后排桩弯矩最大值平均减少 48 % 和 4 %, 桩体材料得到全面利用 () 双排挤扩支护桩嵌固深度小, 支护高度增 加, 正常使用极限状态下的比双排支护直 桩增加 9.6 %, 破坏时比双排支 护直桩约增加 45 % 参考文献 [] 唐业清, 李启民, 崔江余. 基坑工程事故分析与处理 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社, 999. [] 钱德玲. 挤扩支盘桩受力性状的研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 00, (): 494-499. QIAN De-ling. Study on bearing behavior of squeezed branch pile[j]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 00, (): 494-499. [] 熊巨华. 一类双排桩支护结构的简化计算方法 [J]. 勘察科学技术, 999, (): -4. [4] 李启民, 何满潮, 唐业清. 挤扩支盘支护桩试验研究 [J]. 岩土力学, 005, 6(0): 7-40. LI Qi-min, HE Man-chao, TANG Ye-qing. Experimental study on squeezed branch piles as retaining and protecting of foundation excavation[j]. Rock and Soil Mechanics, 005, 6(0): 7-40. [5] 何颐华, 杨斌, 金宝森, 等. 双排护坡桩试验与计算研究 [J]. 建筑结构学报, 996, 7(): 58-66. HE Yi-hua, YANG Bin, JIN Bao-sen, et al. A study on the test and calculation of double-row fender piles[j]. Journal of Building Structures, 996, 7(): 58-66.