挡墙平动模式下邻近长-短桩复合地基基坑土压力试验研究*

郭院成 谷少闯 魏艳卿 李明宇

(1.郑州大学土木工程学院， 郑州 450001； 2.洛阳理工学院土木工程系, 河南洛阳 471000)

随着城市建筑密度的增加，建设用地逐渐减少，不可避免会出现在紧邻既有建筑一侧开挖基坑的情况。在基坑工程设计时，需慎重考虑由复合地基传递的附加荷载以及基坑开挖土体位移场的变化对邻近基坑支护结构土压力的影响[1]。

目前在基坑支护结构土压力的研究中，形成了以薄层分析法为主的多种土压力计算分析方法[2-6]；不少学者对邻近建筑与基坑之间的有限土体进行了研究[7-11]，分析重点主要集中在有限土体内部滑裂面的发展规律，但未对有限土体的荷载传递特性进行深入探讨；也有学者对既有建筑不同基础形式对邻近基坑土压力的影响进行了研究[12-14]；但目前暂未见针对邻近长-短桩复合地基的基坑土压力进行的系统研究报道。

基于此，设计了邻近天然地基和长-短桩复合地基两种工况下挡墙平动试验，研究挡墙土压力的分布特征及其在挡墙平动条件下的变化规律，最后对邻近长-短桩复合地基开挖基坑时支挡结构上的土压力提出简化计算的方法。

1 模型试验设计

1.1 模型试验内容

长-短桩复合地基通常是指由刚性长桩和柔性或散体材料桩共同组成的地基。如图1所示工况，为邻近长-短桩复合地基旁开挖的深基坑。据此分别设计了天然地基和长-短桩复合地基挡墙平动试验。试验在模型箱中进行，通过在模型箱土体中布置模型桩来模拟长-短桩复合地基。通过监测不同位移条件下的挡墙土压力、桩间土压力、桩顶应力来分析长-短桩复合地基对邻近基坑挡墙上土压力的影响。

图1 既有建筑与邻近基坑工况Fig.1 A deep foundation excavation adjacent to an existing building

1.2 模型试验设备

试验模型箱的内部填土长×高×宽尺寸为1.6 m×2.7 m×1.6 m，如图2、图3所示。活动挡墙高为2 m，通过四排丝杆与外部钢框架相连，活动挡墙的移动可通过控制丝杆来实现。

图2 试验设备Fig.2 The testing apparatus

图3 模型箱后侧活动挡墙Fig.3 The movable retaining structure at the back of the modle box

1.3 模型试验土体

试验用砂土含水率为0.13%，密度为1.611 t/m3，由级配试验[15](图4)确定试验填土为细砂。褥垫层材料选用级配良好的粗砂，褥垫层厚度取60 mm。

图4 砂土颗粒分配曲线Fig.4 The grading curve of sand

1.4 模型桩材料

刚性长桩采用铝管材料制作，桩径为100 mm，桩长为2.1 m，弹性模量为13.68 GPa，铝管外侧采用滚花处理。柔性短桩采用聚氨酯橡胶材料制作，桩径为120 mm，桩长为1 m，桩体弹性模量为60.35 MPa，桩体外侧用胶水粘砂处理。

1.5 模型桩及传感器布置

试验加载板平面长×宽尺寸为0.8 m×0.8 m，加载板边缘距活动挡墙0.2 m，褥垫层长×宽×厚尺寸为0.8 m×0.8 m×0.06 m。在活动挡墙侧壁沿中线从上到下每隔200 mm布置一土压力盒，用以监测试验过程中的挡墙土压力。另外在加载板及活动挡墙上均对称布置4只位移计，实时监测加载板的沉降量及刚性活动挡墙位移量。以上传感器的布置及实物见图5、6。

图5 复合地基桩体及传感器布置 mmFig.5 Arrangements for the piles in composite foundation and sensors

图6 加载板、位移计、千斤顶等布置Fig.6 Arrangements of the loading plate, displacement gauges and jacks

1.6 试验过程

在模型箱中分层填入土体至桩端高度，然后放入桩体并用水平尺保证桩体的竖直度，而后填入土体至桩顶面高度，最后布置桩间土压力盒、加载板、位移计和千斤顶等设备。试验所需上部超载由液压千斤顶提供。对于天然地基，当加载板沉降量为荷载板边长的0.01时停止加载[16]。对于长-短桩复合地基，将桩间土应力与天然地基最终加载量相等时的加载量定为长-短桩复合地基试验的最终加载量。当地基加载量达到最终加载量后，在保持上部荷载不变的同时，进行刚性活动挡墙平动试验。试验中活动挡墙高为2 m，而由杨斌的研究[17]可知“当挡墙向外的平动量达到0.5%H(H为活动挡墙高度)后，墙后土体达到主动极限状态”，因此，试验挡墙平动分为10级，每级挡墙的平动量为1 mm，当挡墙平动量达到10 mm后试验结束。

2 试验研究

2.1 复合地基传力性状

长-短桩复合地基在上部荷载保持不变的情况下，挡墙平动位移导致荷载分担比的变化如图7所示。可知：长桩及短桩的荷载分担比均随着挡墙平移量的增大而增大，桩间土的荷载分担比则随着挡墙平移量的增大而减小。当平移量达到10 mm时，长桩的荷载分担比相对挡墙静止时增加了18.5%，短桩增加了7.1%，桩间土的荷载分担比减小了25.6%。

长桩； 短桩； 桩间土。图7 挡墙平动模式下长-短桩复合地基荷载分担比曲线Fig.7 Curves for load-sharing ratios of the composite foundation during the translation of retaining structures

2.2 挡墙土压力沿深度分布特征

图8为不同平动位移情况下挡墙上土压力沿深度的分布曲线。可知：挡墙上土压力均随着挡墙平动量的增大而减小，在短桩桩端下部，复合地基传递至挡墙的附加土压力要大于其他深度，这主要是短桩桩端附加应力的作用效果。

0 mm; 1 mm; 2 mm; 3 mm; 4 mm; 5 mm; 6 mm; 7 mm; 8 mm; 9 mm; 10 mm。图8 挡墙平动模式下邻近长-短桩复合地基基坑挡墙上土压力分布曲线Fig.8 The lateral earth pressure behind retaining structures adjacent to the composite foundation with long-short piles in different translational displacement

挡墙未发生位移时，挡墙上土压力沿深度方向的两个极值点分别在0.4，1.2 m深度处，当挡墙平移量达到10 mm时，挡墙上部土压力极值点的位置下移到了0.6 m深度，挡墙下部土压力极值点的位置下移到了1.2 m深度处。

2.3 与邻近天然地基挡墙土压力对比

从图9可以看出：静止条件下距地面深度0.8 m及以上深度范围内，邻近长短桩复合地基挡墙附加土压力与邻近天然地基挡墙附加土压力大致相等。

天然地基-挡墙(无位移)； 复合地基-挡墙(无位移)； 天然地基-挡墙(平移10 mm); 复合地基-挡墙(平移10 mm)。图9 挡墙平动模式下邻近天然地基和复合地基挡墙上土压力对比曲线Fig.9 Comparisons of the lateral earth pressure behind retaining structures in natural foundation and adjacent to composite foundation in different translation displacement

随着平动量的增大，挡墙在0.8 m以上深度范围内复合地基产生的挡墙附加土压力显著减小，这主要是桩间土的荷载分担比减小以及桩体的遮挡效应的影响。在距地面0.8 m及以下深度区域，特别是在1.2 m深度处，邻近长-短桩复合地基挡墙上的土压力要远大于天然地基挡墙上的土压力，这主要是短桩桩端应力的作用效应。

3 邻近长-短桩复合地基挡墙土压力计算

3.1 附加荷载等效模型

长-短桩复合地基承担的基底竖向附加荷载q可分为三部分：

q=qs+qp1+qp2

(1)

式中：qs为桩间土分担的附加应力；qp1为短桩分担的等效附加应力；qp2为长桩分担的等效附加应力。

qp1、qp2对挡墙主要通过桩侧阻力和桩端应力形式产生土压力。

由于桩侧阻力产生的土压力计算较为复杂，为简化计算，采用等效增大桩间土顶面附加应力，而将桩体分担的等效附加应力作用在桩底端进行受力计算，如图10所示，其中ζqs作用在地表；qp1作用在距地表l1(l1为短桩桩长)深度；qp2作用在距地表l2(l2为长桩桩长)深度处。

图10 长-短桩复合地基附加荷载作用等效模型Fig.10 The equivalent model of composite foundation with long-short piles subjected to additional laods

当工程中无长-短桩复合地基荷载分担试验数据时，各深度等效荷载取值如下：

ζqs=1.2fak

(2a)

(2b)

(2c)

式中：fak为天然地基承载力特征值；m1、m2分别为短桩和长桩的面积置换率；Ra1、Ra2分别为短桩和长桩的单桩竖向抗压承载力特征值；Ap1、Ap2分别为短桩和长桩的单桩截面积。

3.2 水平土压力计算

由于长桩桩端常位于基坑底面以下，在计算邻近长-短桩复合地基基坑土压力时可不考虑qp2对邻近挡墙土压力的影响。qs和qp1传递至邻近挡墙的附加应力可按图11所示荷载扩散模型进行计算。

图11 附加荷载作用下挡墙土压力计算模型Fig.11 The calculation model of the lateral earth pressure behind the retaining structure

由ζqs扩散至挡墙的竖向附加应力Δσk1可由式(3)计算：

(3)

Δσk1的作用深度范围为a至3a+b。

由qp1扩散至挡墙的竖向附加应力Δσk2可由式(4)计算：

(4)

Δσk2的作用深度范围为l1+a至l1+3a+b。

3.3 计算结果验证

将按上述计算模型得出的结果与试验实测值进行对比，从图12可以看出：挡墙土压力的计算值与试验值变化趋势基本一致，利用计算式预测的土压力结果可满足工程需要。

试验值； 计算值。图12 挡墙主动土压力试验值与计算值对比Fig.12 Comparisons of active earth pressure between the experimental results and the calculated ones

4 结束语

对邻近长-短桩复合地基挡墙土压力分布特征及其随挡墙平动的变化规律进行研究，得出结论如下：

1)在挡墙静止及挡墙平动模式下，邻近长-短桩复合地基挡墙附加土压力在短桩桩端附近深度出现极大值，计算邻近长-短桩复合地基挡墙附加土压力时需考虑短桩桩端附加应力的影响。

2)当维持上部荷载不变且挡墙发生平动位移时，短桩加固深度范围内，邻近长-短桩复合地基挡墙土压力小于天然地基，而在短桩桩端以下部分，邻近长-短桩复合地基挡墙土压力则要显著大于相应位置处由天然地基产生的挡墙土压力。

3)邻近长-短桩复合地基条件下的基坑土压力可近似按桩间土附加应力、短桩附加应力和长桩附加应力分别产生的基坑土压力的代数和来计算。