樁板墻樁前軟弱地基旋噴樁加固效果研究

楊海軍 侯洪飛 董 捷 張海迪 熊康棟

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

0 引 言

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，鐵路工程建設如火如荼[1].在鐵路工程建設的同時，會遇到大量軟土地區(qū)邊坡支護的問題，對于樁板墻下軟弱地基，有必要對地基進行加固，提高地基對懸臂樁的約束能力，增強樁板墻對邊坡的加固效果.近年來，旋噴注漿法以其靈活、適應性廣的特點廣泛應用于各類地基加固工程中[2].采用旋噴樁加固樁板墻前軟弱地基，必須嚴格控制旋噴樁的設計參數(shù)以滿足工程建設的要求[3,4].然而，對于此類加固研究較少，開展研究對于黃土地區(qū)鐵路邊坡防護具有一定的工程實用價值.

1 工程概況

某高速鐵路路塹邊坡，地處黃土梁峁區(qū)，土質(zhì)為砂質(zhì)新黃土(Q3eo1)，σ0=130 KPa.地形起伏較大，黃土沖溝發(fā)育.線路中心最大挖深為15.71 m，最大邊坡高度為44.34 m.于DIK658+783.00—DIK658+970.00段左側(cè)側(cè)溝平臺外側(cè)設樁板墻(如圖1所示)，樁長26.0 m，樁間距為5.0 m，樁截面采用順線路方向2.0 m，垂直線路方向3.0 m的T形截面，樁身采用C35鋼筋混凝土澆筑，樁間板采用C35混凝土預制，板長3 m，樁頂以下4 m范圍采用A型板，板截面尺寸0.25×0.5 m，其余采用B型板，板截面尺寸0.3×0.5 m.由于黃土具有濕陷性，地基松軟、承載力低，若不對地基進行加固處理，容易導致樁板墻發(fā)生傾覆或者滑移，引起嚴重的工程事故，因此該工程擬采用10排旋噴樁加固樁板墻樁前5.1 m土質(zhì)地基，旋噴樁樁徑為0.6 m，樁間距0.5 m，以此來提高黃土地基承載力，確保樁板墻的穩(wěn)定性.

圖1 工程示意圖

2 數(shù)值分析模型

根據(jù)工程背景，從機理分析的角度出發(fā)，取右側(cè)路塹橫斷面為計算模型，采用FLAC3D有限差分軟件建立數(shù)值模擬模型[5].模型土體長143 m，寬12 m，高60 m，其中邊坡高20 m，模型網(wǎng)格劃分如圖2所示.模型由土體、抗滑樁、擋土板和旋噴樁共同組成，其布置如圖3所示.抗滑樁長26 m，樁間距5.0 m，懸臂段長8 m，嵌固深度18 m.旋噴樁樁徑為0.6 m，樁間距0.5 m.本次模擬分為5個工況，分別采用3 m、6 m、9 m、12 m、16 m旋噴樁加固樁板墻前軟弱地基.

邊界條件的選取對模型的計算結(jié)果非常重要，因此，模型在樁的前后區(qū)域取了較大的計算范圍(樁前40 m，樁后100 m)，以降低邊界效應對計算結(jié)果的影響[6].

圖2模型單元劃分示意圖圖3加固開挖后布置圖

2.1 本構模型及參數(shù)

模型土體和樁板墻采用實體單元模擬，旋噴樁采用Pile結(jié)構單元模擬.其中土體為彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb屈服條件，假定樁板墻和旋噴樁為線彈性材料[7].具體參數(shù)見下表.

表1 材料參數(shù)表

表2 接觸面參數(shù)

表3 Pile單元彈簧參數(shù)表

2.2 邊界條件及開挖步驟

為了更好的模擬實際情況，本次分析采用對稱邊界條件，在模型底部施加XYZ三個方向的約束，模型X向的兩個平面施加X方向的約束，Y向的兩個平面施加Y方向的約束.模型主要承受Z向的自重應力作用，首先平衡邊坡土體地應力，然后在坡腳處加抗滑樁，在樁前土體X=15～20 m，Y=0～12 m處加旋噴樁樁群加固地基.接著，開挖抗滑樁前土體至旋噴樁樁頂，分2次開挖，每次開挖4米.與此同時，在抗滑樁間設置擋土板，并將擋土板與抗滑樁固結(jié).最后，進行計算分析.

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，開挖后由于樁前抗滑力減小，邊坡出現(xiàn)明顯的滑動面，如圖4所示.在沒有采用旋噴樁加固前，由于邊坡推力的作用，抗滑樁樁頂X向位移很大，達到了-92.99 mm，樁底位移-37.42 mm，如圖5所示.樁前地基土體由于抗滑樁的擠壓向上隆起，最大位移為78.34 mm，并隨著距樁板墻水平距離的增加而增加，隨后逐漸減小，如圖6所示.抗滑樁樁身彎矩最大值發(fā)生在埋深4米處，最大為-5.96e6 KN·m，如圖7所示.

圖4邊坡體X位移圖圖5樁X位移圖

圖6邊坡體Z向位移圖7樁身彎矩圖

圖8 樁板墻樁頂位移

從經(jīng)濟的角度來講，隨著旋噴樁樁長的增大，造價也隨之增加，這就需要我們?nèi)フ业竭@個最優(yōu)值來達到節(jié)約成本的目的.通過有限元分析發(fā)現(xiàn)：采用旋噴樁加固樁前地基后，樁板墻樁頂水平位移、地基土體Z向位移和樁身彎矩顯著減小.當旋噴樁樁長為3 m到9 m時，樁頂水平位移隨旋噴樁樁長的增加而顯著減??；當旋噴樁樁長為9 m到16 m時，樁頂水平位移隨旋噴樁樁長的增加緩慢減小，減小值非常小，如圖8所示.樁前地基加固區(qū)Z向位移隨著旋噴樁樁長的增加，在3 m到6 m加固深度之間，位移大幅度減??；在9 m到16 m之間，位移減小值非常小，如圖9所示.采用3 m旋噴樁加固后，樁身最大彎矩值減小0.53e6 kN·m，但是隨旋噴樁樁長的增加緩慢變小，最大彎矩值位置慢慢接近開挖面以下1 m處，如圖10所示.

綜合以上分析，當采用6 m到9 m長度的旋噴樁加固時，樁板墻樁頂位移與無旋噴樁數(shù)據(jù)比較位移減小52.6%至63.2%，加固區(qū)地基最大隆起減小率為66.3%到66.9%，安全性和經(jīng)濟性效果最佳.

圖9加固區(qū)地面最大隆起圖10不同旋噴樁長度下樁板墻的彎矩對比

4 結(jié) 論

本文分析了不同長度的旋噴樁加固樁板墻前地基對于樁身內(nèi)力、位移和地基隆起的影響及加固效果.通過數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論：

1)隨加固深度的增加，樁頂水平位移逐漸變小.當加固深度在樁板墻嵌固段1/2深度時，效果最佳.

2)隨著旋噴樁樁長的增加，加固區(qū)地面隆起逐漸變小.在樁板墻1/3嵌固段處達到最優(yōu)效果.

3)旋噴樁加固深度變化對于樁板墻彎矩值影響不大.

4)從經(jīng)濟角度出發(fā)，加固深度在樁板墻嵌固段1/3到1/2長度處最佳.

[1]蔣忠信,曾令錄,李安洪.南昆鐵路路基邊坡工程技術研究[J].巖石力學與工程學報,2002

[2]王慶國,孫玉永.旋噴樁加固對控制盾構下穿鐵路變形數(shù)值分析[J].地下空間與工程學報,2008

[3]王小軍,楚華棟.對粉/旋噴攪拌樁加固軟弱地基的檢測與評價[J].巖石力學與工程學報,2003

[4]安關峰,張洪彬,劉添俊.旋噴群樁復合地基承載特性的數(shù)值分析[J].巖土力學,2012

[5]張永興,董捷,等.考慮自重應力的懸臂式抗滑樁三維土拱效應及合理間距研究[J].中國公路學報,2009

[6]李成芳,熊啟東,孔凡林.錨拉樁三維土拱效應數(shù)值分析與試驗研究[J].建筑結(jié)構,2011

[7]Manual of FLAC3D.Itasca Consulting Group Inc,2012