明挖基坑中拔除鋼板樁引起的土體變形研究
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趙占軍
（石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，河北 石家莊050081）
[摘要]軟土地質(zhì)條件下，受拔樁振動和樁身帶泥現(xiàn)象的影響，鋼板樁拔除后遺留的孔隙往往大于自身體積，若不及時填充，可能會引起周圍土體的變形。結(jié)合某基坑工程，對拔除鋼板樁后的土體變形進(jìn)行觀測，并將地表沉降實(shí)測值與基于Mindlin解的彈性理論值進(jìn)行了對比分析。
[關(guān)鍵詞]基坑；樁；鋼板樁；拔樁；變形
[中圖分類號]TU447[文章編號]1002-8498(2016)07-0055-04
鋼板樁是一種邊緣帶有鎖口，并可以通過自由組合的方式，將鎖口對接形成連續(xù)緊密的擋土墻或擋水墻的鋼結(jié)構(gòu)體。相比于其他支護(hù)方式，因其在止水性、施工簡便性、環(huán)保性、耐久性以及可重復(fù)使用性等方面的突出優(yōu)點(diǎn)，鋼板樁在世界范圍內(nèi)迅速得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，已經(jīng)覆蓋了眾多巖土工程領(lǐng)域。20世紀(jì)50年代，我國首次在鐵路橋梁的圍堰施工中引進(jìn)鋼板樁。隨著社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，我國對鋼板樁的需求日益增多，工程應(yīng)用前景廣闊。與此同時，國內(nèi)外許多學(xué)者也對鋼板樁開展了相關(guān)科學(xué)研究，主要集中在以下幾個方面：鋼板樁的冷彎性能、耐腐蝕性能等特性的研究；鋼板樁孔型等結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；鋼板樁的打設(shè)工藝和流程；鋼板樁的工程應(yīng)用研究，尤其是在圍堰和基坑臨時支護(hù)施工中的應(yīng)用。
由于鋼板樁自身有一定的體積，在拔除后會在土體內(nèi)部遺留孔隙。在軟土地質(zhì)條件下，甚至?xí)胁糠周浲粮街跇扼w表面一同被帶離地面，從而增大土體損失。如果不及時填充孔隙，在兩側(cè)土壓力的作用下，周圍土體變形可能會引起地表沉陷或開裂。對于周圍存在敏感建（構(gòu)）筑物時，拔除鋼板樁引起的地表變形更是不容忽視。許瓊鶴等認(rèn)為拔樁帶泥體積與樁身寬度、土質(zhì)情況及表面粗糙程度等有關(guān)，一般單樁帶泥量為樁身體積的2~5倍。Mejer和Van Tol通過室內(nèi)模型試驗(yàn)來研究板樁拔除引起的周圍沉降，但由于試驗(yàn)在砂中進(jìn)行，并未報(bào)道相應(yīng)的實(shí)際工程。本文結(jié)合某個采用鋼板樁支護(hù)的明挖基坑工程，對拔除鋼板樁后的地表變形進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，并對比分析了不填充孔隙和及時填充兩種情形下的變形特點(diǎn)，為類似工程提供參考。
1工程概況
某基坑工程位于連云港市海州區(qū)，其中明挖段長約80m，寬約4m，開挖深度5.5m左右，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鋼板樁墻加內(nèi)支撐的形式。其中，鋼板樁墻深9m，采用型號SP-Ⅳ的U形鋼板樁，每塊鋼板樁的寬B、h、厚t和截面積As尺寸分別為400，170，15.5 mm和96. 99cm2。為了加強(qiáng)鋼板樁墻的整體剛度，沿鋼板樁墻頂部全線設(shè)置冠梁，冠梁焊接在鋼板樁上。內(nèi)支撐采用外徑609mm、壁厚16mm的鋼管支撐，水平方向布置間距為6m左右。為了保證開挖安全和方便組織施工，基坑縱向采用分段順序開挖的方式，每段長度約為20m�；娱_挖剖面及地層分布如圖1所示。
連云港地區(qū)廣泛分布著海相沉積軟土，具有高含水率、高孔隙比、高壓縮性和低強(qiáng)度等特性。在本工程支護(hù)深度范圍內(nèi)，地基土從上到下主要由雜填土層、淤泥質(zhì)黏土層和深厚淤泥層組成，各土層的土體物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。
如圖2所示，在鋼板樁墻打設(shè)完成、土體開挖之前，在基坑中間區(qū)段的兩側(cè)空曠地帶對稱布置了2個水平位移觀測點(diǎn)(I1~I4)和5個地表沉降觀測點(diǎn)(S1～S10)。其中，水平位移觀測點(diǎn)與鋼板樁墻的距離分別為2m和4m，通過打設(shè)16m深PVC測斜管的方法，采用加拿大RST數(shù)字式測斜儀測量不同深度的水平位移變化值。地表沉降觀測點(diǎn)與鋼板樁墻的距離分別為1，3，5，7，9m，采用幾何水準(zhǔn)方法，儀器使用光學(xué)水準(zhǔn)儀和銦鋼水準(zhǔn)尺。此外，在鋼板樁拔除之后，將基坑左側(cè)遺留的孔隙及時用水泥漿填充，而右側(cè)不做任何處理．從而分別研究這兩種情形下拔除鋼板樁對周圍土體的影響。
2 拔樁引起的土體豎向位移
由于本工程場地存在深厚淤泥土層，黏性較大，外加拔樁過程中的振動影響，樁身存在大量帶泥現(xiàn)象，實(shí)際遺留孔隙體積要大于樁體自身體積。根據(jù)現(xiàn)場粗略測算，樁身附著的黏土體積約為樁身體積的2.5倍。因此，這種情形下的拔樁對周圍土體的變形影響不容忽視。
2.1 土體豎向位移
鋼板樁拔除后30d內(nèi)土體豎向位移變化曲線如圖3所示，橫坐標(biāo)以對數(shù)坐標(biāo)系表示。由圖3可見，對于未填充孔隙的一側(cè)，鋼板樁拔除會引起周圍地表發(fā)生明顯沉降，且大部分沉降發(fā)生在拔樁后的10d內(nèi)。在第30d時，周圍土體的沉降已基本趨于穩(wěn)定，最大沉降發(fā)生在距離鋼板樁墻最近的S1點(diǎn)，約6. 4mm。然而，對于及時采用水泥漿填充孔隙的一側(cè)，鋼板樁拔除引起的地表沉降顯著減小，最大沉降同樣發(fā)生在距離鋼板樁墻最近的S6點(diǎn)，但只有1. 8mm。其余觀測點(diǎn)S7~S10的沉降值均<1mm，且在第7～9天時就已經(jīng)穩(wěn)定，因此并未在圖中表示。可見，采用水泥漿及時填充孔隙的措施可以有效減少拔樁引起的周圍地表沉降70%左右。
拔樁引起的各點(diǎn)地表沉降與其距離鋼板樁墻的位置關(guān)系如圖4所示，橫坐標(biāo)表示觀測點(diǎn)與鋼板樁墻距離和鋼板樁深度的比值�？梢�，隨著距離鋼板樁墻越遠(yuǎn)，拔樁引起的周圍地表沉降越小，且衰減較快，在距離7m和10m處的沉降只有0.4mm和0. 1mm。為了分析拔除鋼板樁對周圍環(huán)境的影響范圍，圖4還給出了Mejer和Van Tol，Clough和O'Rourke的研究成果。其中，Mejer和Van Tol通過模型試驗(yàn)研究認(rèn)為拔樁對周圍地表（砂）的影響范圍約為鋼板樁深度的一半。假設(shè)將鋼板樁拔除看作一個細(xì)而長的基坑開挖，Clough和0'Rourke則認(rèn)為基坑開挖的影響范圍約為其開挖深度的2倍。由圖4可見，本文中拔樁的影響范圍約為1倍的鋼板樁深度，實(shí)測曲線更加接近Mejer和Van Tol的影響范圍包絡(luò)線，而基坑開挖的研究成果并不適用于鋼板樁拔除。
2.2實(shí)測結(jié)果與彈性理論計(jì)算對比
基于彈性理論的Mindlin解，吳宏偉和徐光明推導(dǎo)出了單個圓形鉆孔開挖所釋放的正應(yīng)力和剪應(yīng)力引起的地表任意位置（x，y）的沉降：
式(1)中各參數(shù)的意義。
本文中拔樁引起的土體損失截面形狀呈U形，為了簡化計(jì)算，可將其等效為等截面面積的鉆孔損失引起的地表沉降，等效后的鉆孔直徑D可表示為：
式中：As為鋼板樁的截面積；δ為考慮樁身帶泥現(xiàn)象引起的土體損失系數(shù)，如前所述，該系數(shù)可取2.5。
將式(2)代入式(1)，計(jì)算出拔除單個鋼板樁引起的觀測點(diǎn)位置處的地表沉降，并將各樁的計(jì)算結(jié)果線性疊加。圖5表示各觀測點(diǎn)實(shí)測沉降值與彈性理論值的對比。可見，彈性理論值要比實(shí)測值平均低60%左右。造成這一差異的主要原因，一是沒有考慮各樁之間的相互影響，二是沒有考慮土的屈服和塑性變形，而按照土的塑性理論可知，塑性變形一般比彈性變形大得多。然而，實(shí)測結(jié)果和理論結(jié)果一致表明拔樁引起的地表沉降隨著距離鋼板樁墻的增大而減小。
3 拔樁引起的土體水平位移
- 土體水平位移
圖6表示鋼板樁拔除后30d時的土體水平位移，正值表示向坑內(nèi)的側(cè)移。由圖6可見，拔除鋼板樁引起的土體水平位移呈三角形分布，即最大水平位移發(fā)生在地表處，并隨著深度逐漸減小。這可能是由于拔除鋼板樁前已拆除鋼管支撐，拔樁后使孔隙外側(cè)土體處于懸臂狀態(tài)，從而產(chǎn)生向內(nèi)側(cè)的位移。對于未填充孔隙的一側(cè)，距離鋼板樁墻2m(I1)和4m(I2)處的土體最大水平位移分別為4.23 mm和2. 31mm，影響深度約為鋼板樁嵌入深度的1.5倍。采用水泥漿及時填充孔隙后，拔樁引起的周圍土體水平位移顯著減小，距離鋼板樁墻2m(I3)和4m(I4)處的土體最大水平位移分別只有1.04，0.61mm，且影響深度也明顯減小。
3.2土體應(yīng)變
如圖7所示，根據(jù)Finno和Nerby的定義，任一深度處的土體水平應(yīng)變εh等于該深度處相鄰兩點(diǎn)的水平位移變化差值與其初始水平距離之比：
根據(jù)式(3)，并結(jié)合圖6中水平位移觀測點(diǎn)I1和I2的數(shù)據(jù)，圖8給出了鋼板樁拔除引起的不同深度處的土體水平應(yīng)變計(jì)算值。由圖8可見，最大水平應(yīng)變發(fā)生在地表附近，且隨著深度逐漸衰減。對于未填充孔隙的一側(cè)，在地表以下14m范圍內(nèi)，鋼板樁拔除引起的土體水平應(yīng)變比較明顯。而對于及時填充孔隙的一側(cè)，鋼板樁拔除引起的土體水平應(yīng)變總體很小，且影響深度也有限。
4結(jié)語
1)在軟土地質(zhì)條件下，若對拔樁遺留的孔隙不做處理，拔除鋼板樁將引起周圍地表發(fā)生沉降，影響范圍約為1倍鋼板樁深度，且隨著與鋼板樁墻距離增大而減小。最大地表沉降可達(dá)6. 4mm，比基于彈性Mindlin解的理論值大約60%。拔樁引起的土體最大水平位移發(fā)生在地表附近，為4. 23 mm。
2)若對拔樁遺留的孔隙及時用水泥漿填充，可以有效減少拔樁引起的土體變形和影響范圍。最大地表沉降和水平位移分別減少70%和75%左右，只有1.8，1.04mm。可見，軟土條件下拔樁對周圍環(huán)境的影響不容忽視，應(yīng)當(dāng)有效采取相關(guān)措施。
