韩士钊，陈义乾
(1.中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101300；
2.西安交通大学 人居环境与建筑工程学院，陕西 西安 710049)
随着经济社会的快速发展以及城市化进程的大力推进，目前各种用途的地下空间已在世界各大中城市陆续得到开发利用，地下工程建设项目的数量和规模也迅速增大，如超高层建筑物的基坑、大型地下综合管廊、地铁工程的车站深基坑等。目前，我国基坑的支护桩支护体系主要以钻孔灌注桩为主，作为临时性支护工程，在基坑开挖以及上部建筑物建设完成后，这些支护结构将会被回填永埋地下，造成极大的资源浪费。
目前，一种新型的支护结构形式锁扣钢管桩可以有效避免钻孔灌注桩施工效率较低、不可回收利用等缺点，锁扣钢管桩桩身之间通过锁扣相互连接，可以有效地形成挡土和防渗结构，近年来在一些挡土围堰工程中被广泛利用。目前，一些学者对锁扣钢管桩的受力与变形特性开展了相关研究。陈艳平[1]和INAZUMI S等[2]对锁扣钢管桩的力学特性以及防渗性能进行了研究，结果表明，锁扣钢管桩具有良好的抗弯性能和防渗性能。EMI S等[3]对锁扣钢管桩和混凝土界面间剪切力进行了研究，并提出了一种新型铰链，可以很好的传递两者界面上的剪切力。邵志豪等[4]和杨森焱[5]对锁扣钢管桩在具体工程中的应用情况进行了研究。严佳梁[6]对钢管桩在软土地区中作为支护桩的适用性进行了探讨。此外，张世明等[7-10]对不同锁扣钢管桩的链接形式和施工工法进行了研究。高森亚[11]在总结前人研究的基础上，归纳出了钢管桩的受力以及变形机理，针对研究的不足，在试验的基础上提出了改进的方法。周小龙[12]针对青岛地铁某基坑钢管桩超前支护进行了重点研究，通过现场监测，表明钢管桩在基坑支护中对土体的侧向位移有着明显的约束作用。李富荣等[13]以盐城地区大型软土基坑为工程背景，通过室内大模型试验，研究了静压桩在沉入过程中的挤土效应，并对比了单桩和排桩桩周土的孔隙水压力，定量研究了挤土效应与孔隙水压力的影响。李智[14]通过室内模型试验，研究了钢管桩排桩支护力学和变形特性，以及开挖过程中对基坑稳定性的影响，并探讨了钢管桩代替钻孔灌注桩的可行性。刘思楠等[15]利用Midas GTS NX有限元软件对昆明某基坑工程钢管桩沉桩过程进行了模拟，研究发现钢管桩在沉桩的过程中，桩周土体的水平位移向外扩张以及变化速率逐渐增大。杨代喜[16]利用ANSYS模拟软件对锁扣型钢管桩在围堰中的应用性进行了研究，结果表明锁扣钢管桩的受力特性是满足要求的。梁荣柱等[17]对锁扣钢管桩在基坑围护过程中的土体变形、桩体力学和变形特性进行了协调性分析。张楷等[18]对钢管桩的抗承载性能进行了研究。
综上所述，目前的研究成果大多是针对传统的钢管桩排桩的支护性能进行研究，少部分涉及了锁扣钢管结构力学特性及施工工法。然而，针对锁扣钢管桩围护结构在基坑开挖卸载后应力与变形特性却鲜有报道。在不同类型的锁扣桩中，C-O型锁扣具有独特的优势，其锁扣连接处的O型圆孔可以作为注浆管，达到止水的效果，从而在基坑支护中实现支挡与止水的结合。因此，将选择C-O型锁扣钢管桩作为研究对象，以相似理论为基础，通过室内模型试验与数值模拟相结合的方法，以探明基坑开挖下锁扣钢管桩围护结构的力学及变形特性，为今后锁扣钢管桩基坑围护结构的应用和优化提供理论依据。
1.1 模型相似比
根据相似理论以及相似准则，目前相似理论通常有3条定理[19]，即相似第1定理、第2定理(π定理)、第3定理。对于长度远大于厚度的杆件，变形主要以弯曲变形为主，因此在进行模型试验相似材料的制作，主要考虑材料的抗弯刚度，对于材料的轴向变形与剪切变形应尽量满足相似关系即可[20]，本次试验的相似参数为:Cl=30,Cγ=1,CE=Cσ=30。
1.2 模型箱
模型试验采用可拼接式模型箱，尺寸为2.0 m×1.0 m×1.7 m(长×宽×高)，模型箱四周用厚2 cm的透明有机玻璃围护，玻璃外部用角钢焊接，角钢厚10 cm，其中模型箱正面用可拆卸的有机玻璃用螺丝连接，可根据试验需要进行拆解，方便填土以及试验中基坑开挖。
1.3 模型土体的制作
目前对模型试验中相似土体的选取，不同学者有不同的思路，在进行模型试验过程中，大多研究者对支护结构以及监测装置进行了重点研究，而对于相似土体的选取大致有3种类型：纯砂土，现场原型土过筛重塑，以及加入不同物质调节土体物理参数法。本次试验为了与现场实际工程土体物理性质尽可能相似，现采用第3种方法，不同配合比环刀试样如图1所示。
图1 不同配合比土样
1.4 模型桩以及支撑的选择
在基坑支护中，支护桩的作用主要是抵抗桩侧土体，影响支护桩整体稳定性的主要因素是桩体的抗弯刚度，为了尽可能使模型材料的属性与钢管桩属性相似，本次试验主要考虑抗弯刚度的相似。
根据强度相似准则
(1)
式中:EI为材料抗弯截面模量，根据材料力学中有关计算公式，材料抗弯截面模量与桩体直径D4成正比，则原型管桩的弹性模量约为模型桩的20倍，综合考虑对比后本次模型管桩外径为50 mm，壁厚2 mm，长1 000 mm。
C-O型锁扣桩模型桩截面示意图如图2所示，实物图如图3所示。
图2 C-O型锁扣桩模型桩截面示意(mm)
图3 C-O型锁扣桩实物图
冠梁和围檩采用硬质PVC板模拟1 000 mm×400 mm×8mm(长×宽×厚)，在固定位置用环氧树脂胶将其与排桩连接。在实际基坑中，支撑主要起抗压的作用，因此本次支撑的选取主要考虑EA相似，综合分析后选取PVC空心管作为基坑支撑材料，直径33 mm，壁厚2.4 mm。由于购买的PVC管材为标准管，长度1 000 mm。因此需要根据实际宽度进行截取，此外还购买有PVC管帽可调节支撑长度。
1.5 装填土样
根据配比试验，每次在模型箱中装填15 cm随即压实一次，压实完成后对土样表面进行刮毛处理，以便进行下一层土样的装填，土样装填完成如图4所示。在填筑模型土体的过程中进行监测仪器的埋设，监测仪器如图5所示。
图4 土样装填完成
图5 监测仪器
2.1 基坑模型的建立
采用Midas GTS数值模拟软件，结合室内试验得到的土体参数及围护结构参数，进行基坑开挖全过程数值模拟。通过土体变形和围护结构变形等与模型试验进行对比，研究C×O型锁扣钢管桩基坑开挖对周边环境及支护结构变形的影响规律。
建立基坑实际尺寸为22.77 m×15.20 m(长×宽)，开挖深度25.34 m。为了降低和消除边界对模拟结果的影响，在有限差分软件中，根据圣维南原理及大量实践经验，本次选取的模型的尺寸为174.81 m×110 m×101.36 m，计算模型三维轴侧图如图6所示，围护结构网格划分如图7所示。
图6 有限元计算模型三维轴侧图
图7 围护结构网格划分
2.2 计算工况
工况1：自应力平衡。
工况2：施加围护桩，保存计算结果。
工况3：开挖2.3 m，并在距离基坑地表1.9 m架设第1道支撑。
工况4：开挖10.2 m，在第1道支撑架设完成后，向下开挖7.9 m，并在坑底以上2 m处架设第2道钢支撑，保存工况4计算结果。
工况5：开挖15.5 m，在第2道支撑架设完成后，向下开挖5.3 m，并在坑底以上1.7 m处架设第3道钢支撑，保存工况5计算结果。
工况6：开挖20.5 m，在第3道支撑架设完成后，由坑底继续向下第4步开挖5 m，并在坑底以上1.7 m处架设第4道钢支撑，保存工况6计算结果。
工况7：开挖25.3 m，在第4道支撑架设完成后，基坑开挖直至设计标高-25.3 m处，保存工况7计算结果。
基坑地表沉降随距离的变化曲线如图8所示。如图8所示，不同工况下，e-f路径和g-h路径地表沉降z随距基坑边线距离s的变化趋势基本一致。在工况4过程中，2条路径上的最大沉降均发生紧邻基坑边线处，模拟结果约为3 mm，略小于实测结果的4.5 mm。随着基坑开挖深度的增加，沉降量逐渐增大，地表沉降曲线变为下凹的“勺形”；
当开挖到坑底(工况7)时地表沉降达到最大，e-f路径上最大地表沉降约为20 mm，g-h路径上最大地表沉降约为15 mm。
图8 基坑地表沉降随距离的变化曲线
图9为地表竖向位移云图。由图可知，基坑开挖引起的地表沉降具有明显的空间效应，地表沉降曲面形状随着基坑开挖而发生改变。当基坑开挖小于2.3 m，见图9(a)，未架设首道支撑时，地表沉降最大值为3.27 mm，发生在基坑长边跨中紧邻围护桩后，基坑短边附近地表沉降略小于长边。随着基坑开挖深度的增加，基坑短边附近地表沉降与长边附近沉降的差距逐渐拉大，当基坑开挖到坑底(工况7，图9(d))后，地表沉降达到最大值21.4 mm，位于e-f路径上，小于地表沉降控制值(37.95 mm)，在钢支撑组合支护体系下，基坑周边地表沉降得到了很好的控制。
图9 不同工况下地表沉降云图
图10所示分别为基坑长边跨中(c-d路径)和短边跨中(a-b路径)围护桩水平位移与桩体深度的监测及模拟结果。由图10可知，在基坑开挖各工况下，基坑长边跨中和短边跨中围护结构水平位移的数值计算结果与实测结果稍有不同，这是由于数值模拟忽略了基坑周边施工车辆的活载影响。工况3(开挖至2.3 m)之前围护桩为悬臂结构，桩体变形曲线前倾，顶部位移最大(图10(a))。随着进一步的开挖，围护桩水平位移逐渐增大，上部变形在架设支撑后受到限制，后续开挖引起的桩体最大水平位移点随之下移，围护桩变形逐渐变为弓形，见图10(b)～(d)。最终，开挖到坑底时，c-d路径桩体水平位移达到最大，模拟结果为28.80 mm，发生在0.68倍基坑深度的17.13 m处，略大于实测最大水平位移26.76 mm(图10(e))。围护结构模拟变形曲线在内支撑架设深度处发生斜率突变，实测变形曲线没有该现象，这是由于数值模型中未记入钢围檩局部受压变形以及钢围檩与围护结构间缝隙的影响。
围护结构水平变形空间效应明显，基坑短边围护结构变形略小于长边，在同一深度上的围护结构变形呈中间大、两头小的分布情况。当基坑开挖到2.3 m时(工况3)，基坑长边跨中桩顶处位移最大为0.6 mm。在架设首道支撑后(工况4后)，围护桩的主要变形位置随着开挖的加深而逐渐沿桩身下移。在开挖到坑底(工况7)后，围护结构水平变形达到最大，最大水平位移的模拟结果为28.76 mm，发生在围护结构长边对称轴深17.13 m位置，接近最大水平位移实测结果26.76 mm(图10(e))，小于设计控制值30 mm，说明在钢支撑组合支护体系下，围护结构变形得到了较好的控制。
图10 基坑长边中心围护桩水平变形曲线
在基坑短边围护结构17.13 m深度处，水平位移沿基坑边线方向的变化曲线呈抛物线形。基坑长边围护结构17.13 m深度处沿k-l路径的水平变形曲线呈“盆形”，跨中8 m长度范围内的水平位移均等于最大水平位移，空间效应对基坑围护结构变形的影响主要发生在距离基坑阴角小于8 m的范围内。
图11 围护结构17.13 m深度处水平位移曲线
1)基坑地表沉降曲线随着开挖深度的变化，呈略微凸起的三角形曲线形式，基坑短边和长边路径上的最大沉降均发生紧邻基坑边线处，模拟结果约为3 mm，略小于实测结果(约为4.5 mm)。随着基坑开挖深度的增加，沉降量逐渐增大，地表沉降曲线变为下凹的“勺形”变化。
2)随着基坑开挖深度的增加，桩体变形曲线前倾，顶部位移最大。随着进一步的开挖，围护桩水平位移逐渐增大，上部变形在架设支撑后受到限制，后续开挖引起的桩体最大水平位移点随之下移，围护桩变形逐渐变为弓形，桩身位移在基坑开挖完成时最大。
3)围护结构水平变形空间效应明显，基坑短边围护结构变形略小于长边，在同一深度上的围护结构变形呈中间大、两头小，围护桩的主要变形位置随着开挖的加深而逐渐下移，向坑内凸起的区域范围逐渐变大。
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