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软土深基坑中立柱桩变形影响因素和变形预测研究第30卷增刊 2008年10月
岩土工程学报 Chinese Journal of Geotechnical Engineering
Vol.30Supp. Oct..2008
GB 50144-2019 工业建筑可靠性鉴定标准(完整正版，清晰无水印)软土深基坑中立柱桩变形影响因素和变形预测
ors and prediction on deformation of soldier piles in deep foundation pi
桩能够提高支撑体系的承载力及稳定性；当基坑尺寸 较大时，可减小支撑的计算长度。由于立柱桩的变形 受到施工工艺，土层地质条件，施工荷载、气温、立 柱桩自重等众多因素的影响，较为准确地预测立柱桩 的隆沉是个复杂的课题。 本文分析了在顺作法和逆作法基坑施工中立柱桩 的变形机理和所受的影响因素。结合上海地区某地铁 车站深开挖过程的立柱桩变形监测数据，通过反向分 析对顺作法基坑施工中立柱桩的回弹量预测。
两种施工工艺下立柱桩变形分
1.1顺作法开挖中立柱桩分析
对于深基坑开挖，如果场地条件充许往往采用顺 作法施工。基坑开挖时，土体应力释放，坑底回弹， 带动立柱以及坑边逆作结构上移。随着结构不断施工， 柱身开始承担荷载，产生沉降。挖土一施工一再挖土 再施工，使得桩身在自重、上部荷载、正摩阻力、 负摩阻力、桩端阻力共同作用下，发生抬升与沉降的 交替变化。该过程是一个复杂的受力过程，为方便分 析，将桩身受力分成两种情况，即不考虑桩身自重及 上部荷载作用和只考虑桩身自重及上部荷载作用，运 用叠加原理分析基坑开挖对立柱桩竖向位移的影响。 位于基坑开挖面以上的立柱桩一般都是格构式钢 柱，用角钢和缀板焊接而成，格构柱截面示意图如图 1所示。由于钢立柱设计要求偏差较小，且立柱横跨 较大，选用角钢时，必须有别于一般围护结构支撑 所用的角钢。工程桩在承受竖向荷载后，就会产生沉 降。顺作法施工时工程桩受力在地下室大底板形成之 后，由于大底板的刚度非常大，可以认为不会产生弯 曲变形，因此顺作法施工中工程桩的沉降体现为整体 沉降和倾斜，而不会出现沉降高高低低的现象。立柱
桩发生不均匀沉降对结构的影响主要表现在支承柱附 近的楼板结构，不均匀沉降产生的次弯距，导致支承 主附近的楼板最大正弯距增大，在楼板配筋不变的情 况下，楼板混凝士的最大正应力和最大负应力均增大， 导致楼板在角部开裂。在上海等软土地区的工程桩， 桩上竖向荷载90%左右由桩侧摩阻力承担，因此基本 属于摩擦桩（桩上垂直荷载主要由桩侧摩阻）。
1.2逆作法开挖中立柱桩分析
立柱桩是逆作法施工中的主要受力构件之一，也 是逆作法施工中的重要组成部分。同时在逆作法中仍 然采用部分结构梁板代替水平支撑，因此必须考虑立 柱桩之间的沉降和差异沉降的控制问题。立柱桩支撑 上部荷载，根据地下工程的规模和施工条件，可选用 图2所示的立柱与下部桩基连接方式。 在设计时必须验算强度和整体稳定性，布置支撑 立柱桩需要兼顾上部永久结构柱和下部桩的布置。施 工中需要验算逆作施工过程中局部承载和变形。局部 承载包括立柱桩的强度计算、单肢稳定计算和楼板的 剪切计算。变形计算包括施工过程中的立柱桩之间以 及立柱桩与地下墙的差异沉降。不考虑桩身自重及上 部荷载作用时，立柱桩像“浮”在土中。基坑开挖后， 坑底应力释放，坑内土体回弹，带动立柱桩上移，桩 身上部承受向上的正摩阻力作用，桩被抬升；桩身下 部土体阻止桩的上移，对桩产生向下的负摩阻力，正、 负摩阻力最终达到平衡。桩在正、负摩阻力作用下， 产生弹性伸长。 下部土体对桩产生向下的负摩阻力，由反作用力， 桩对下部土体有向上的作用力，致使桩端土体应力释 放，产生隆胀，桩也随之上升。可以得出，基坑开挖 应力释放引起桩的上移是桩身弹性伸长、桩端土体隆
图2支持上部荷载示意图 Fig.2 Schematic plan of upper supporting loads on soldier piles
胀两部分组成的。桩身弹性伸长可由应力应变关系求 得；桩端土体隆胀造成的抬升量，可认为桩端土体受 力状态与基坑开挖坑底应力释放导致坑底回弹类似， 可利用坑底隆起回弹量计算公式求得。只考虑桩身自 重及上部荷载作用理论已较成熟，易求得桩位移计算 结果。 上述结果叠加后，就是立柱在土方开挖一结构施 工这样一次过程中的变形量。在基坑开挖卸荷过程中， 沉降和抬升作为控制因素交替出现，立柱桩通常随时 间的变形曲线呈现出锯齿形态。 逆作法施工中，坑内土体卸荷引起坑底土体回弹， 带动立柱桩隆起，地下室和上部结构施工，增大立柱 桩承受的向下荷载。在整个逆作法施工中，立柱桩身 承受的荷载有上部外荷载、正负阻力、负摩阻力、桩 端阻力和桩体自身重力。各种荷载的共同作用使得立 柱桩发生升或者沉降变形。
要事先精确地计算确定立柱桩最终沉降和抬升的 数值，目前还有一定的困难。不过随着计算手段的发 展，变形控制在一定程度上还是能够把握的，根据以 前一些成功的工程经验，主要应采取以下两点措施： （1）设定工况并计算沉降 对于逆作法，坑边逆作施工流程通常是事先设定 的，在各工况下立柱受力可以正确计算，按荷载与地 质数据进行沉降估算。各立柱桩之间的沉降计算插值 应当满足结构设计要求，其沉降差一般可定为11～20 mm （2）施工动态控制 有时理论计算和实际会有较大差异，因此保证结 构安全是信息化施工的重要任务。对立柱桩的竖向和 水平变形、地下水位、挖土工况条件等要全面监测， 根据实测结果再按实际工况来反算土体力学参数，修 正下一步工况计算。当出现相邻立柱间沉降差超过报 警值时，可以采取停止施工、注浆和加固等措施。实 践证明，施工动态控制可以保证沉降差在一定范围内 的要求。
3立柱桩变形反分析与预测研究
根据上海地区某超深基坑（开挖深度近38m）的 立柱桩现场较完整的立柱桩随着坑内土体开挖而变形 的资料，通过反分析对软土中基坑开挖引起的立柱桩 回弹量特征做出预测。
上海地区某超深基坑开挖设置九道混凝土支撑，
等，软士深基坑中立柱桩变形影响因素和变形预测研究
图3现场平面图与立柱回弹监测点布置 Fig.3 Siteplan andmonitoringmarks of heav
通过现场地层的地质调查，给出了该场地的地质 参数，如图5所示。其中回弹模量是由室内土样的回 弹试验获得，试验过程不排水。对于第一层淤泥质黏 土的卸荷级别是从200kPa到25kPa；对于非常软黏 土，第二层淤泥质黏土和砂质粉土的卸荷级别分别是 300到25kPa，400到25kPa和500到25kPa。该场 地的地下水位约是在地表以下1m处。
3.2现场立柱桩回弹监测结果分析
参考意义。根据Bjerrum（1973）提出的对于砖体结 构物开裂的最小挠曲值为1/500，该基坑开挖引起的 立柱桩与墙体顶部的最大挠曲值为1/500，现场支撑 没有发现裂缝。
立柱桩累计回弹量及预测
王体开挖中，假设认为开挖面中心点处下部土体 单元的体积不发生改变，开挖中没有水从土体单元中
流出，工程现场的黏土的水平和渗透系数都非常小， 这样可以计算土体的瞬间回弹。假设挖掉的土体作为 反力作用在底部土体单元上，用Janbu等人[311956年 提出的公式计算土体的回弹量，即
其中是开挖第i层土体引起的开挖面下部土体单 元回弹量；9是基础压力，这里是土体的重量；B是 基础的宽度；I.弹性理论的影响因子；E土体的弹性 模量，计算中采用图中的土体回弹模量。 立柱桩嵌入直径1.2m的工程桩2m深，该工程 桩在最低开挖面下，长32m，在粉细砂土层中，该层 细砂的有效内摩擦角约36.5°。上部土体开挖引起立 柱桩向上抬起，工程桩通过桩侧摩擦力限制立柱桩的 上抬趋势。工程桩的水平向桩间距是8m。根据 Meyerhof(1976)6)提出的公式计算桩侧摩阻力：
式中，，是工程桩周侧摩阻力，假定该阻力均匀的分 布在立柱桩周围的土体上；当砂土的有效内摩擦角为 36.5°时，β值为0.331，。是桩上部平均有效压力。 依次计算了四种情况下坑底土体回弹量： （1）采用室内土样回弹模量值，不考虑桩的摩擦 力对土体回弹的限制。 （2）采用室内土样回弹模量值，考虑桩的摩擦力 对土体回弹的限制。 （3）采用两倍室内试验获得的土样回弹模量值 不考虑桩的摩擦力对土体回弹的限制。
图5土层面和平均地质参数图 Fig. 5 Soil profile and average geotechnical parameters
（4）采用两倍室内试验获得的土样回弹模量值， 考虑桩的摩擦力对土体回弹的限制。 图7是立柱桩C1和C2的实际测量值，应用上述 两种计算公式DB31T 1223-2020 一次性食品安全封签管理技术规范.pdf，获得的计算数据也列在图7中。需要 持别注意一点的是，实测的立柱桩回弹量是和时间相 关的，是一种累计值，而计算的土体回弹值是土体开 挖到某一深度时候的值，与时间没有关系。L2到L10 表示的是该点的计算值是在坑内土体开挖到该道支撑 位置，以上部的开外土体重量作为作用在工程桩顶部 的上部荷载。
图7立柱桩实测累计变形值和计算值 Fig. 7 Measured heave of soldier piles and the calculated dat
从图7可见对于情况1，没有考虑桩的影响，计 算出的土体回弹量比立柱桩量测值要大许多。而保持 土体的弹性模量不变，考虑下部工程桩的侧摩阻力全 部均匀地分布在立柱桩周围的土体上（范围是长8m 宽22.6m）时候，由计算结果可见土体的回弹量大大 地降低，最大的土体回弹量与情况1比较，降低了 35%。对于情况3，从图中可见此种情况中土体的回 弹趋势与实测的立柱桩回弹趋势相类似，而计算值仍 然偏大，与情况1比较最大土体回弹值降低了52%， 可见土体弹性模量值的大小对计算结果影响很大。对 于情况4，同时提高士体的弹性模量和考虑下部工程
图6立柱桩与墙体的回弹曲线 Fig. 6 The heave curves of the soldier piles and the diaphragm walls
桩摩阻力对土体回弹的影响，此时计算的土体回弹量 与实测的立柱回弹量比较吻合，但是最大的回弹量 要稍微小于实测值。 将上部土体的重量换算成竖向的有效应力，图8 是每层土体开挖引起的立柱桩回弹增量值与累计的竖 向有效应力值图形。计算的情况1和情况2时的立柱 回弹值也引用在该图上。
图8各土层开挖引起的立柱桩的回弹增量图 Fig.8 The incremental heave of columns versus the total vertical effectivestress
由图8可见，计算的立柱桩回弹增量与实测的立 柱桩回弹值差别较大。结果表明，立柱在开挖开始到 开挖至第五道支撑的施工期内，每层士体开挖引起的 立柱回弹响应值较大，而实测值在该时间段内的值较 小。实测值表明，在第6道支撑到第8到支撑施工期 内立柱的回弹增量值最大。实测数据和计算数据的差 异表明，由于计算中仍然是假设体的应力应变关系 是弹性的，采用的是弹性模量，而实际土体是非线性 弹塑性的。随着开挖深度的不断加大，在坑底有可能 出现土体塑性变形区域，从而导致实测值与计算预测 的立柱桩回弹增量值不吻合。但是如果计算中提高土 体的回弹模量值并考虑工程桩的摩擦阻力对土体回弹 的抑制，似乎计算的土体累计变形值与实测值有一定
对软土地区深基坑开挖中立柱桩对土体开挖卸荷 的响应做了一些研究，阐述了在顺作法和逆作法中立 柱桩的受力机理，并探讨了影响立柱桩上抬或者下沉 的影响因素。结合某超深基坑开挖中（顺作法施工） 空心立柱桩变形的详实现场资料，对立柱桩随着上部 土体的逐层开挖的响应、立柱桩总体的累计变形作了 些反分析计算研究。 研究表明，施工中立柱桩受到的荷载比较复杂DB11／T 1322.46-2018 安全生产等级评定技术规范 第46部分：户外广告设施设置和运行维护单位， 般立柱桩的上抬还是下沉与施工方式相关。在顺作 法中立柱桩对土体卸荷的响应是向上回弹，而在逆作 法中往往由于上部结构荷载较大，立柱桩下沉。根据 立柱桩实测资料，采用Janbu等人于1956提出的计算 土体沉降变形公式，再结合Meyerhof（1976）提出的 计算桩周围侧摩阻力公式，计算了4组分别考虑不同 土体卸荷模量和工程桩摩阻力是否抑制土体回弹情 况。计算的结果与实测值对比表明，土体的模量值的 选取对计算结果影响较大，若考虑工程桩的全部侧摩 阻力均匀加载在立柱桩周围土体上，计算的第四种情 况得到的结果与实测的立柱回弹相差非常小。 由于自前仍然缺少软土地区深开挖中立柱桩的完 整实测资料，加上立柱桩的变形受到施工影响较大， 较为准确的预测变形方法有待进一步的考证与验证。