软土层中灌注桩变形性状分析

软土层中灌注桩变形性状分析

1灌注桩的变形性状研究上海是世界上三个软土城市之一。自20年来，随着城市建设项目的快速发展，出现了大量的深层水井项目。在多年的工程实践中,针对上海地区不同的基坑工程条件,形成了相对成熟的围护型式。其中钻孔灌注桩排桩结合外侧水泥土搅拌桩止水帷幕的围护方式,由于具有施工工艺简单、质量易控制、桩径和桩距可根据需要灵活调整等优点,已成为上海地区深基坑工程的主要围护型式之一。上海城区建筑物密集、地下管线众多、环境保护要求高;因此,基坑支护结构除满足自身强度要求外,还须满足变形要求,从而使基坑工程的设计及施工从强度控制转向变形控制。变形控制的关键是对基坑变形性状的认识,到目前为止,虽然上海地区已有大量的灌注桩排桩作为围护结构的深基坑工程实践,但对灌注桩的变形性状尚缺乏系统的研究和总结。一些学者,如Peck、Clough、Long、Yoo等,基于大量工程实践对基坑的变形进行了研究,但由于基坑工程具有很强的区域特性,其他地区的有关研究成果能否直接应用于上海地区的基坑工程变形预测尚有待探讨,而且支护结构类型很多,针对灌注桩的变形性状的研究尚少见报道。因此,基于上海地区的基坑工程实践,对灌注桩的变形性状进行系统的研究具有重要的工程意义。本文根据上海软土地区80个采用钻孔灌注桩作为围护结构的深基坑工程案例的有关变形数据,从统计角度对灌注桩变形性状进行了分析,并研究了相关因素对基坑变形的影响规律,从而为软土地区灌注桩类基坑的变形控制设计和施工提供参考。2支护结构的开挖深化收集了上海地区80个采用钻孔灌注桩作为围护的深基坑工程案例,具体数据可参考文献。数据包括基坑围护的基本信息和基坑开挖变形数据,包含基坑开挖深度H、软土层顶面埋深hst、软土层厚度hs、灌注桩的直径d、深度Hw及抗弯刚度EI、水平支撑的类型与道数、首道支撑的深度位置h1、平均支撑间距h及坑底抗隆起稳定系数Fs。其中软土层厚度是指上海地区软弱的第③层淤泥质粉质黏土层和第④层淤泥质黏土层的厚度之和。变形数据包括最大的墙体侧向位移δhm、最大侧向位移的深度位置Hδhm及墙顶侧向位移δtop。有关变量的物理意义如图1所示。在80个工程案例中,采用钢筋混凝土支撑、钢支撑和采用双排桩不设内支撑的基坑分别为56、23和1个。图2为这些基坑的开挖深度分布情况,可以看出,采用灌注桩作为围护结构主要应用于5~15m的开挖深度范围内的基坑工程中,并在7~13m的范围内最为广泛,最大开挖深度达到22.85m。定义灌注桩在坑底以下的深度与基坑开挖深度的比值为插入比,即(Hw-H)/H,它是衡量基坑围护经济性和影响坑底抗隆起稳定系数的一个重要指标。所收集案例的插入比均大于0.6,最大插入比为2.01,平均插入比为1.11。3灌溉3.1灌注桩的变形图3为灌注桩的最大侧向位移与开挖深度之间的关系,图中数据包括尚未开挖到坑底的中间工况。可以看出,最大侧向位移随开挖深度的增加而增大,所有基坑的最大侧向位移基本介于0.1%H和1.0%H之间,平均最大侧向位移约为0.44%H。采用钢筋混凝土支撑和钢支撑基坑的最大侧向位移平均值分别为0.46%H和0.42%H,两者很接近,表明钢筋混凝土支撑和钢支撑在控制灌注桩的变形上没有显著的差别。Long曾收集了来自全世界296个基坑的变形数据,在其列出的软土层厚度小于0.6倍开挖深度的分类中和软土层厚度大于0.6倍开挖深度且开挖面为硬土层的分类中,分别有27个和4个采用灌注桩围护的基坑,其平均最大侧向位移分别为0.14%H和0.19%H。可以看出,Long统计的这两类土层中灌注桩的平均最大侧向位移较上海地区的平均侧向位移要小得多。Yoo收集了表层为填土与残积土、下卧岩石层地层中的11个采用灌注桩围护基坑的平均最大侧向位移为0.16%H,也较上海软土地区灌注桩的变形小得多,这表明土层条件对基坑变形的影响非常显著。图4为灌注桩无量纲化最大侧向位移(最大侧向位移与开挖深度的比值)与开挖深度之间的关系。总体而言,无量纲化最大侧向位移随着开挖深度的增大而减小,且钢筋混凝土支撑与钢支撑的规律亦相似。3.2墙体开挖深度较大的中间工况图5为灌注桩最大侧向位移的深度位置与开挖深度之间的关系。采用钢筋混凝土支撑的基坑包括尚未开挖到坑底的中间工况,而钢支撑基坑则仅包括最终工况。可以看出,对于开挖深度较小的中间工况,由于此时墙体一般处于悬臂开挖状态,因而最大侧向位移的深度位置一般位于墙顶;对于开挖深度较大的中间工况,最大侧向位移远离墙顶并大致位于开挖面的附近。对于开挖到坑底的最终工况,最大侧向位移的深度位置均大致分布于开挖面的附近,且基本介于H-5m~H+5m的范围之内,钢支撑与钢筋混凝土支撑基坑最大侧向位移深度位置的分布规律基本相似。Ou的研究表明,除了第1次开挖以外,最大侧向位移的深度位置常发生在开挖面附近,这与本文统计规律一致。3.3影响灌木变形的因素分析3.3.1土支撑基坑的位移图6给出了灌注桩无量纲化的最大侧向位移与Clough定义的支撑系统刚度EI/(γwh4)之间的关系。钢筋混凝土支撑和钢支撑基坑的支撑系统刚度相差不大,且都基本分布于30~2000之间。钢筋混凝土支撑基坑与钢支撑基坑一样,随着支撑系统刚度的增大,无量纲化最大侧向位移呈现出减小的趋势。所有数据点基本落于Clough给出坑底抗隆起稳定系数Fs=1.1和Fs=3.0曲线之间。Addenbrooke定义位移柔度为lg(h5/EI),并认为它能更好地反映出支撑体系对位移的影响。图7为灌注桩无量纲化的最大侧向位移与位移柔度之间的关系。可以看出,数据的离散性很大,并且无量纲化的最大侧向位移与位移柔度之间无明显的关系。这表明,在反映支撑系统的刚度对墙体最大侧向位移的影响规律上,Addenbrooke定义的位移柔度lg(h5/EI)并不比Clough定义的支撑系统刚度EI/γwh4更优越。3.3.2钢筋混凝土支撑基坑与钢混凝土基坑间的几何关系图8为灌注桩插入比与无量纲化最大侧向位移的关系。从图中可以看出,钢筋混凝土支撑基坑与钢支撑基坑一样,无量纲化的最大侧向位移与插入比(Hw-H)/H之间并没有明显的关系。这是由于本文收集的基坑的插入比均较大,进一步增加插入比并不能显著减小灌注桩的变形的缘故。3.3.3变形的影响上海地区第③层淤泥质粉质黏土和④层淤泥质黏土一般强度低、变形大、灵敏度高且具有流变特性,为典型的软弱土层。这里分析灌注桩墙底以上第③、④层软土层的总厚度对灌注桩变形的影响。定义墙底以上软土层厚度为hsw,它可通过图1所示的软土层顶面埋深hst、墙体的深度Hw及软土层厚度hs算出。图9给出了最大侧向位移与墙底以上软土厚度的关系,其中横坐标为墙底以上软土厚度hsw与墙体深度Hw的比值,纵坐标为无量纲化最大侧向位移。可以看出,无量纲化的最大侧向位移随着墙底以上软土厚度与墙体深度比值的增大而呈现出增长的趋势。图10为墙底以上软土厚度对最大侧向位移深度位置的影响情况。可以看出,随着墙底以上软土厚度的增加,最大侧向位移的深度位置略有下降的趋势。3.3.4稳定系数fs之间的关系Mana给出了根据Terzaghi定义的坑底抗隆起稳定系数Fs来预测无量纲化最大侧向位移的上、下限曲线。图11为灌注桩无量纲化最大侧向位移与坑底抗隆起稳定系数Fs之间的关系。需指出的是,这里的Fs均是采用上海市基坑工程设计规程推荐的方法计算出来的。可以看出,数据点大部分落于Mana建议的上下限范围内,但最大侧向位移与Fs之间并无明显关系。这表明采用Mana方法来预测上海地区灌注桩的最大侧向位移时难以给出较好的结果。其原因是,虽然Mana统计的基坑的地层条件与上海土层具有一定的可比性(均为软黏土),但该方法是依据采用柔性支护的钢板桩的变形数据得到的,而上海地区灌注桩的刚度较钢板桩要大得多的缘故。3.3.5墙体侧向位移基坑第1次开挖时围护结构一般处于悬臂受力状态,因而首道支撑的深度位置h1实际上决定了基坑悬臂开挖的深度,悬臂开挖深度对基坑施工初期的墙体变形会产生较大的影响。图12为墙顶侧向位移与首道支撑深度位置之间的关系。可以看出,墙顶的侧向位移随着首道支撑位置深度的增加而呈现出指数增长的趋势。当1h>2.0m以后,增加h1会导致墙顶侧向位移迅速增长,因而要控制墙顶的侧向位移,应尽量将首道支撑设置在小于2.0m的深度范围内。Hashash采用有限元分析表明,在开挖深度超过一定深度后,悬臂开挖对墙体最大变形的影响就会消失。图13给出了墙体最大侧向位移与首道支撑深度位置的关系,图中的横坐标为首道支撑的深度位置与开挖深度的比值,而纵坐标为墙体无量纲化最大侧向位移。可以看出,墙体最大侧向位移与首道支撑深度位置的关系不大,说明首道支撑深度位置主要是影响墙顶的侧向位移,而对墙体最大侧向位移没有明显的影响,这也验证了Hashash理论分析结论的正确性。4灌注桩的最大侧向位移通过对上海软土地区80个采用灌注桩围护的深基坑变形资料的统计分析,得到如下结论:(1)灌注桩的最大侧向位移随着开挖深度的增加而增大,所有基坑的最大侧向位移基本介于0.1%H和1.0%H之间,平均最大侧向位移为0.44%H。钢筋混凝土支撑和钢支撑在控制墙体的变形上没有明显差别。最大侧向位移的深度位置基本介于H-5