某结构在该结构下开挖时的稳定性分析试验研究

摘要

为了创造更多的地下空间，调查挖掘对原有建筑的影响是很重要的。本文通过模型试验分析了该结构在开挖过程中的稳定性。该模型由预安装在黏土中的托钉桩组成，托钉桩上放置钢筋混凝土建筑物。通过观测结构的应变和沉降，揭示了开挖过程中柱的时间沉降和梁、柱、桩的时间应变。结果表明:梁的应变变化较小，柱的应变值逐渐增大;托换桩的应变变化较大。它们对加固设计和工程实践具有重要意义。

1.介绍

在过去的几十年里，市中心对地下空间的需求增加了。将地下空间建在原有建筑下方是一个有效的解决方案。支撑和挖掘将有助于扩大地下空间，而不影响建筑的日常使用。基础托换是一个宽泛的术语，用来描述通过增加支撑来修改现有基础的过程，包括喷射注浆、压实注浆和微桩[1］.根据比例模型试验和案例，日本的地下托换技术已经取得了进展[2- - - - - -4］.同时，一些基于地下施工的支护方法在许多国家被广泛采用[5- - - - - -10］.近年来，支撑技术在中国得到了快速发展[11- - - - - -14］.最后，总结了近年来基于比例模型试验的托换技术的一些有价值的结论。Han和Ye系统研究了初始荷载作用下微桩与混凝土板连接过程中的荷载传递机理[15，16］.基于我国某工程实例，研究了托换桩的受力特性，包括桩的轴向加载和开挖-卸载响应[17］.

综上所述，由于支护和开挖机制的复杂性，支护设计主要依靠案例历史、案例监测和工程经验。之前的一些研究是关于案例监测数据的。以及桩在托换和开挖过程中的荷载传递机理。在基坑开挖过程中，系统地研究桩和既有结构的受力情况可能会带来一些难以解决的问题。同样，基于托换桩的现有机理，许多复杂的工程现象也无法解释。最后，比例模型可能有助于分析这一工程问题，但大多数比例模型试验只关注开挖过程中相邻建筑物的影响[18- - - - - -21］.

本文通过小型室内物理模型试验，模拟了既有基础下的托换和开挖。上部结构采用微桩支撑。挖掘过程受到了严密的监控。观测包括柱的沉降，柱、梁、桩的应变变化。这为研究微桩在土体应力消除作用下的结构稳定性和性能提供了机会。重点研究了开挖过程中既有结构的应变变化和柱的竖向位移。

2.比例模型测试设置

考虑到试验难度和费用，提出采用小尺度模型试验进行托换开挖试验，比例尺为1:10，如图所示1．

整个小尺度物理模型包括两部分:上部框架结构和下部土体-微桩模型。

上部框架结构现场浇筑，模型材料由细钢丝和颗粒混凝土组成。结构模型有4层，没有地板，长1130毫米，宽980毫米。基础头以上结构高度为1500mm。第一层高600mm(含基础埋深100mm)，第二至第四层均为300mm。每根柱截面为50 × 50 mm，每根梁截面尺寸为30 × 60 mm。每个扩展基础高度为60 mm，截面尺寸为230 × 230 mm，每个独立基础预留4个孔，每个孔直径为32 mm。除第一层外，其余各层均施加640 N的荷载，模拟建筑的日常使用情况。材料参数见表1．

下部土体-微桩模型包括土体、微桩、沉降模型箱和地下连续墙四部分。土壤物质为成都当地的粘土，具有典型的地质条件。成都粘土从成都东郊到龙泉山脚的平面上大面积分布。垂向剖面没有明显的沉积间断，厚度一般在2 ~ 7 m。黏土由一套红黄黏土组成，根据土壤的颜色、土层、裂隙发育程度、夹杂物的差异，从上到下大致分为三层。成都粘土中砂粒占2% ~ 6%，粉状颗粒占24.5% ~ 34.5%，粘土颗粒占60.8% ~ 73.0%。对于典型工程特性，除表中所列的土参数外2在美国，成都粘土一般不含水，不透水。在局部裂隙发育区，地表水和大气降水容易入渗补给，水分含量和渗透系数较小K为0.002 ~ 0.001 m/d，轻度渗透。成都粘土具有一定的膨胀性。

在本试验中，土壤颗粒直径小于10 mm。模型地面采用锤击法压实。本准备程序给出的地面干重单位为15.7 kN/m^3.(压实值80%)。需要注意的是，本次的压实与现场的压实有一定距离，主要是由于托销桩预装在模型箱中，锤击力过大可能会破坏桩上的应变片。在所有的模型测试中，地面密度都是用垂直间距为100毫米的小罐毛刺来检查的。成都粘土性能如表所示2．

为了简化模型试验，采用有机玻璃棒制作模型桩。根据当地工程经验和设计方法[22]，每个基础下有四个托销桩，高900毫米，直径30毫米。

模型箱由焊接钢板和加固板组成，经过抛光和润滑以减小边界效应[23，24］.同时考虑沉降影响区宽度，模型箱长1900 mm，宽1900 mm [25］.按沉降影响区深度计算，沉降影响区深度为1400mm(中国桩基规范)。

支护方法为三面连续墙支护，开挖侧不设连续墙。为了保证原支护体系的稳定性，在开挖侧顶部设置了横梁。本文不考虑地下连续墙的挠度问题。然而，地下连续墙存在一定的局限性。由于特殊的支撑结构以及墙与桩之间的距离较近，地下连续墙的侧向运动和受墙体侧向运动影响的桩的性状可能不可忽视，在今后需要改进。

模型试验尺寸如图所示2．

监测系统由应变仪和百分表组成。仪器设置和桩、柱、梁的数量如图所示3.．其中，梁的应变片布置在每根梁底部的中点，并完全布置在结构的第一层和第二层。同样，柱的应变片布置在第一层各柱的中点。

一旦开始模型试验，在安装微桩的过程中需要避免一些预期的困难(如安装空间产生的障碍、振动、微桩安装过程中的扰动)。所有微桩均预先安装在模型箱中。直到上层建筑的沉降趋于稳定，它们才与扩展的地基相连。虽然这种设置与实际情况有所偏差，但连接后的托换基础性能仍然有效。预安装对沉降观测没有造成太大的界面;因此，微桩的安装是可行的。

特别是，根据试验要求，没有从上往下挖，而是从一边挖。土壤按面积顺序挖掘，铺展地基下土壤最后挖掘。菌株监测系统从第三阶段开始工作，将持续工作138小时。最后，挖掘顺序如表所示3.，开挖面积如图所示4．

测试步骤如图所示5如下。(a)第一步:在模型箱中预装微桩。然后，将土填入模型箱，使用工具压实土。(b)第二步:将小型RC框架结构抬升到模型箱中，确保每个扩展基础的四个预留孔与预安装微桩完美匹配。除第一层外，其余各层均施加640 N的负荷。结构沉降趋于稳定后，扩展基础与微桩有效连接。(c)第三步:应变监测系统开始工作，2小时后完成A、B区土体开挖。(d)第四步:第3和C区土壤于20小时后开挖。(e)第五步:第2、6和D区土壤在25小时后挖走。(f)第六步:第1、5和9区土壤于42小时后挖掘。 (g) Step VII: soil in Areas 4 and 8 was dug away after 49 hours. (h) Step VIII: soil in Area 7 was excavated after 67 hours. Meanwhile, a little part of soil surrounding pile group was trimmed carefully because it is beyond the boundary of the spread footing. (i) Step IX: top half of the soil under the foundation was excavated after 73 hours. (j) Step X: rest of the soil under the foundation was dug away after 90 hours. (k) Step XI: the bottom of the excavation was clean and compacted after 114 hours. To ensure the accuracy of the test data, the monitoring data was continued to be obtained for 138 hours.

3.梁的应变变化

梁的应变片布置在结构的第一层和第二层。第一层梁的应变数据记录为B1-1 ~ B1-12。同样，第二层梁的应变称为B2。正号表示轴向拉力，负号表示轴向压缩。

数字6显示了前两层梁的应变变化。通过数据分析，得出以下规则:(1)每次开挖都会引起应变的波动，应变变化最大的阶段是VIII - IX。主要是由于每个扩展基础下的土体被开挖，地基的应力迅速转移到托换桩上，导致部分梁的应力重新分布。(2)由于第一层梁的应力大于第二层梁的应力，第一层梁的应变波动要远远大于第二层梁的应变波动。(3)开挖过程中，梁内应变的许多波动较小。结果表明，开挖对梁的应变变化影响较小。但大多数菌株的应变值在最后有一定的增加，特别是在第九阶段。B1-11、B2-4、B2-12的应变波动较大，部分原因是结构和开挖方式的不对称，导致应力集中在小部分梁上。

4.应变变化和柱的位移

第一层柱的中点布置了柱的应变片。C1-1表示应变片位于第一层1号柱的中点。正号表示轴向拉力，负号表示轴向压缩。

数字7显示了除C1-5应变在开挖过程中被破坏外，其余各柱的应变在开挖过程中都发生了变化。通过监测柱的应变数据，发现了以下现象。(1)各阶段后，各柱的应变值均增大。结果表明，开挖后柱的应力是逐步增大的，且没有减小。(2)第9阶段应变变化最大，主要是各扩展基础下开挖造成的;柱的应变变化对地基下土体的开挖非常敏感，部分原因是结构的应力重分布和单边开挖方式。(3)在第VI阶段，由于开挖方式和结构应力重分布，柱的应变变化较大。最后，C1-2的应变值在开挖过程中最大，这在今后需要引起更多的关注。

数字8对9根柱在开挖过程中的位移进行了说明，其中正位移值为沉降，负位移值为隆起。特别是，C1表示结构中的第1列。下面的规则由图中得到8(一个)．(1)开挖过程中各柱的沉降量越来越大。只有C7出现了较短的隆起期，部分原因是由于开挖引起的应力卸载。此外，造成C7升沉的原因有两个。首先，从一侧开挖，结构可能向开挖一侧倾斜。C1、C2和C3的沉降量较高，C7和C9的沉降量较低。其次，基于有限元计算，C7在结构中应力较低，导致开挖过程中产生鼓动;C2在开挖过程中沉降最大，这是因为C1-C2在开挖过程中应变最大。(2)第九阶段各柱的沉降增量最大，这是由于该阶段各柱应变变化最大。

数字8 (b)以三维方式显示了柱的最终沉降。显然，结构在开挖侧沉降较多。其次，可以看到前面的面积较低，后面的面积较高，形状像一个典型的台阶。中间区域较低，两侧区域较高。主要是由于单侧挖土，前面和中间的柱应力较大。Tan和Wang得出了类似的结论[26，27]:在开挖过程中，基坑基础中心部分的隆起程度要比开挖周长周围土体大得多。

5.桩的应变变化

在开挖过程中，选用了大量的应变片监测桩身应变变化，减少了应变片误差和损伤等意外因素。在本文中，在相同深度下，面向开挖侧的应变片称为A面，相反方向为b面。例如，2- 1a表示应变片位于2号桩的1号位置，面向开挖侧。正号表示轴向拉力，负号表示轴向压缩。但有些桩的应变片在开挖过程中损坏，只有部分数据或没有出现在下面的图中。桩的应变变化如图所示9．

数字9显示基坑开挖过程中托换桩应变变化情况，并连续监测138小时，准确、及时地反映了应变变化情况。在对各桩的应变分析中，发现开挖过程中存在一些规律性的现象。(1)一般情况下，每次开挖都会引起桩的应变波动，尤其是在第九阶段，桩的应变变化最大。主要原因是地基下土体开挖，地基应力逐渐转移到桩上。同时，柱的应变变化在这一阶段最大。(2)一般情况下，在第三阶段至第七阶段，基坑开挖引起的应变波动在试验中是最小的，这是因为在这一阶段，地基下的土体仍然承受着来自上部结构的最大应力。此外，在第二阶段，有一小部分基础应力已经转移到托换桩上，最初没有监测到。但1号桩、2号桩、6号桩除外。这可能与单侧开挖方式有关，也可能与应变误差有关。这需要进一步的研究。 (3) In Stage XI, strain of piles fluctuated without excavation, due to the factor of cleaning and compacting the soil.

6.结论

本文以某既有建筑为研究对象，采用一种特殊的开挖方法，从一侧开挖土，通过模型试验研究了地下开挖对既有建筑的影响。本次试验的主要结果总结如下:（1)总体来看，开挖过程中梁的应变变化最小，桩的应变变化最大。在开挖过程中，柱的应变值越来越高。因此，第一层的托换桩和托换柱应引起重视。在工程实践中，在进行托换和开挖前，需要对第一层的所有柱进行校核和加固，同时还需要对几根梁进行校核和加固，以防开挖时应力重新分布和集中。此外，由于高强度预制桩在开挖条件较差时能够承受复杂的应变变化，因此采用高强度预制桩作为托换桩。此外，在托换桩的设计方面，由于本次试验中开挖过程中桩的应变变化较大，仅考虑托换桩的承载力是远远不够的。(2）基坑开挖对结构的稳定性影响较大，梁、柱、桩的应变变化最大。这个过程似乎是不可避免的;因此，我们考虑了以下策略。首先，应延长开挖工期，避免短时间内应变增量过大。二是将基础下的土分成小块，按顺序开挖。最后，应加强对该开挖状态的监测。（3）开挖方式对结构沉降影响较大。开挖后，所有柱子最终都发生沉降，沉降的三维形态为典型的台阶状。开挖侧沉降量大于开挖侧沉降量。该开挖方法不需要在开挖前破坏原有建筑的一层，但开挖侧造成较多的沉降;此外，还会加剧原有结构的不均匀沉降和倾斜。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者非常感谢西华大学的资助。

参考文献

1. r·z . Kordahi深基础建筑的加固策略麻省理工学院，剑桥，马萨诸塞州，美国，2004。
2. K. Satô， T. Hanamura, K. Sanbongi等人，“日本的地下空间利用”，日本土木工程， 1990年第10-27卷。视图:谷歌学者
3. Y. Masuda, T. Minoshima，和H. Makino，《城市地下火车站的大规模支撑》，隧道与地下空间技术，第7卷，第5期2，页133-140,1992。视图:出版商的网站|谷歌学者
4. Y. Iwasaki, H. Watanabe, M. Fukuda, A. Hirata, Y. Hori，《托换桩及其行为的施工控制》，岩土工程，第44卷，第5期。4，第681-689页，1994。视图:出版商的网站|谷歌学者
5. J. R.戴维和H. Senapathy，“用高容量微型桩支撑3000吨的结构”深基础论文集2002:理论、设计、施工和性能的国际视角，第647-654页，佛罗里达州奥兰多，2002年2月。视图:谷歌学者
6. 中州。公园,j。金,K.-H。赵，“改进托换法支撑地铁箱形结构的稳定性分析”，隧道与地下空间技术， vol. 50, pp. 199 - 208,2015。视图:出版商的网站|谷歌学者
7. A. Chepurnova，“评估喷射注浆支撑对附近建筑物的影响”，岩石力学与工程学报，第6卷，第2期2, pp. 105-112, 2014。视图:出版商的网站|谷歌学者
8. S. Horpibulsuk, A. Kumpala，和W. Katkan，“在不均匀的松散沙子下的坚硬残余土壤上加固破旧建筑的案例历史，”土壤和基金会，第48卷，第48期2, pp. 267-285, 2008。视图:出版商的网站|谷歌学者
9. A. Pinto, S. Ferreira，和V. Barros，“历史建筑的基础解决方案”，在第三届国际建筑史大会论文集，第1003-1012页，科特布斯，德国，2001年5月。视图:谷歌学者
10. 张文刚，王克胜，“空间变土基坑底鼓稳定性的确定性与可靠性分析，”，电脑和土工技术，第108卷，第152-160页，2019。视图:出版商的网站|谷歌学者
11. 李军，谢旭东，张骞等，“基于桩筏基础的高层建筑灾害评估与修复，”已建设施性能期刊， vol. 28, no . 04014005, 2013。视图:谷歌学者
12. 叶s.e, J. Han，和G. Ye，在土壤改良与托换技术，中国建筑工业出版社，北京，1994。
13. 严林，王刚，陈敏等，“桥梁桩基托换工程的试验与应用研究，”土木工程进展文章编号5758325,13页，2018。视图:出版商的网站|谷歌学者
14. 张伟，“软黏土中邻近支撑开挖引起的桩响应数值研究”，岩土工程学报， 2018年第1-15卷。视图:谷歌学者
15. J. Han和s - l。叶，“对微桩支撑基础行为的实地研究，”加拿大岩土期刊号，第43卷。1，页30-42,2006。视图:出版商的网站|谷歌学者
16. J. Han和s - l。叶，“黏土中微桩在压缩或拉伸作用下行为的现场研究”，加拿大岩土期刊号，第43卷。1，页19-29,2006。视图:出版商的网站|谷歌学者
17. H.-f。单芳，余芳，唐德德。夏等人，“承建建筑物地下室补充改造的托换桩性能”，已建设施性能期刊，第31卷，第04017017条，2017。视图:出版商的网站|谷歌学者
18. s·j·布恩，《与地面运动有关的建筑损坏》岩土工程学报第122卷11，第886-896页，1996。视图:出版商的网站|谷歌学者
19. m.d. Boscardin和E. J. Cording，《建筑对开挖引起的沉降的反应》，岩土工程学报第115卷第1期1，第1 - 21页，1989。视图:出版商的网站|谷歌学者
20. 谭颖，黄锐，康振华等，“上海市中心城区地铁车站的隐蔽半自上而下开挖:建筑响应研究”，已建设施性能期刊文章编号04016040,2016。视图:出版商的网站|谷歌学者
21. 陈飞，王磊，张伟，“考虑岩体性质空间变异的隧道垂直施工稳定性可靠性评估”，隧道与地下空间技术，第88卷，第276-289页，2019。视图:出版商的网站|谷歌学者
22. M. Makarchian和H. G. Poulos，“托换桩的简化设计方法”，岩土工程学报第122卷9，第745-751页，1996。视图:出版商的网站|谷歌学者
23. F. Tatsuoka和O. Haibara，“沙土与光滑或润滑表面之间的剪切阻力”，土壤和基金会，第25卷，第2期1，第89-98页，1985。视图:出版商的网站|谷歌学者
24. F. Tatsuoka, F. Molenkamp, T. Torii，和T. Hino，“元素测试中压板润滑层的行为”，土壤和基金会，第24卷，第2期1，页113-128,1984。视图:出版商的网站|谷歌学者
25. 彭译葶。或者,P.-G。谢长廷,华盛顿特区。邱，“开挖过程中地表沉降的特征”，加拿大岩土期刊，第30卷，第2期5，第758-767页，1993。视图:出版商的网站|谷歌学者
26. 谭颖，“上海软土地基中岛法开挖大型深基坑的特征。I:中柱轴自下而上结构，岩土与环境工程学报，第139卷，第139期11页，1875-1893,2013。视图:出版商的网站|谷歌学者
27. 谭颖，“上海软土地基中岛法开挖大型深基坑的特征。二:周边矩形坑自上而下施工，岩土与环境工程学报，第139卷，第139期第11页，1894-1910,2013。视图:出版商的网站|谷歌学者

版权

版权所有©2020苗宜晨等。这是一篇发布在知识共享署名许可协议，允许在任何媒介上不受限制地使用、传播和复制，但必须正确引用原作。