旋噴樁空間布置對樁板墻變形控制效果研究

董 捷 趙 聰 鄧建義

(1.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室，河北 張家口 075000；3.中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

隨著經(jīng)濟建設的高速發(fā)展，滑坡治理成為一項越來越重要的工程，而用抗滑樁對其進行治理是一種應用較廣并且還有效的治理措施.樁板墻是一種新型的邊坡加固結構，是抗滑樁和擋土板的結合體，代替了高大的重力式擋土墻，在邊坡防護方面具有良好的加固效果[1-3].樁板墻結構加固邊坡的穩(wěn)定與否主要由懸臂樁決定，懸臂樁嵌入段地層的地基承載力決定了懸臂樁所能提供的抗力大小及邊坡的加固效果.部分學者研究認為，樁身嵌固段巖土體的強度特性在很大程度上影響著樁身的側向位移的大小.工程實踐發(fā)現(xiàn)，相同條件下嵌固段的巖土體強度越高，樁頂?shù)钠屏吭叫4].在軟弱黃土地區(qū)樁體嵌固段地層的地基系數(shù)較小，巖土體強度較低，為防止樁前地基的橫向變形，可以采用旋噴樁對樁前及樁端地基進行加固，旋噴樁加固砂土、粉質(zhì)黃土等軟弱地基，可以提高地基承載力，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[5-8].

由于樁板墻模型試驗受造價、尺寸效應等因素的影響，因此有一定的局限性，而數(shù)值模擬能較好的避免因模型尺寸效應、形狀及荷載差異等因素而導致模型準確性較差的問題，同時可以方便的進行多種工況的模擬分析，目前使用比較廣泛[9-12].因此，本文以蒙華煤運通道新建三門峽車站樁板墻試驗段為依托，采用數(shù)值模擬，建立了樁板墻的有限差分數(shù)值模型，通過對樁板墻樁前軟弱地基進行旋噴樁不同深度和布置間距的加固，對比分析了樁板墻的彎矩和位移的演變規(guī)律，旨在探求合理的旋噴樁加固深度和間距，從而為旋噴樁深度和間距選擇的優(yōu)化設計提供參考，對依托工程提供理論指導.

1 工程背景

蒙華煤運通道新建三門峽車站是新建蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道MHTJ-14標段的組成部分，該標段起訖里程為DIIK646+440.36～DIIK691+361.53，正線長度40.896公里，聯(lián)絡線0.25公里.車站范圍內(nèi)地層為第四系砂質(zhì)新黃土，黃褐色～褐黃色，垂直節(jié)理發(fā)育，具大孔隙，表層大部具有濕陷性，易產(chǎn)生黃土的滑坡和堆塌.

車站地處黃土軟弱地基，由于黃土地基較松軟、承載力相對較低，地層側向地基抗力系數(shù)相對較小，且設置錨索缺乏必要的錨固條件，為防止樁板墻因樁前地基側向承載力不足而產(chǎn)生較大的側向位移或整體傾覆現(xiàn)象，須對樁板墻樁前軟弱地基進行加固處理.高壓旋噴樁加固黃土軟弱地基是一種可行、便捷的手段[13-14].該工程擬采用旋噴樁對樁前地基進行加固，以提高樁前黃土嵌固段地層的側向承載力，有效控制樁板墻因嵌固段壓縮變形而產(chǎn)生過大的側向位移.針對該工程典型斷面建立數(shù)值分析模型，對旋噴樁的不同加固深度和空間布置間距開展多工況數(shù)值分析模型研究，進一步探討樁前施工旋噴樁的作用機理及作用效果，為工程設計施工提供科學依據(jù).

2 數(shù)值模擬的建立

圖1 模型示意圖

以擬施工的蒙華鐵路三門峽車站樁板墻試驗段為依托，采用FLAC3D建立有限差分數(shù)值模型，對樁板墻樁前軟弱地基加固，進行數(shù)值模擬分析.本次數(shù)值模型由土體、樁板墻和旋噴樁共同組成，如圖1所示.由于邊界范圍的取值對數(shù)值模擬結果的影響較大，因此，模型在樁板墻的前后區(qū)域取了較大的計算范圍，以降低邊界效應對計算結果的影響[4].模型樁前軟弱地基土所取的范圍是40 m×12 m×40 m，樁板墻的抗滑樁正截面寬度為3 m，樁身的總長度為26 m，懸臂段總長度為8 m，樁身嵌入土體的長度為18 m.假定開挖范圍內(nèi)的土體較為均勻，樁前土開挖深度共8 m，開挖前對樁前土進行加固處理，開挖工作分2次進行，每次開挖4 m.旋噴樁加固寬度與樁間距根據(jù)不同情況進行調(diào)整.

2.1 參數(shù)選擇

樁板墻和巖土體采用實體單元，旋噴樁采用Pile單元進行計算模擬.模型計算假定樁板墻和旋噴樁為線彈性材料，將土體視為彈塑性材料，并且采用Mohr-Coulomb屈服條件[15-20].模型的計算需要不斷改變其中的一些計算參數(shù)，但部分參數(shù)是固定不變的，將其稱之為基本參數(shù)，擬定基本參數(shù)如表1所示.

表1 材料基本參數(shù)表

2.2 邊界條件及開挖步驟

為了防止邊界范圍對數(shù)值模擬結果的影響，更好的模擬實際情況，本次分析采用對稱邊界條件，模型主要承受Z向的自重應力作用，對模型底面施加固定約束，在模型y=0 m及y=12 m附近的邊界上施加y方向的位移，在模型x=0 m及x=120 m處施加對稱約束.開挖步驟如下：①平衡邊坡土體地應力，平衡初始位移；②在x=40 m處設立長度為26 m的抗滑樁，并對樁前軟弱地基土體進行不同寬度和不同深度的旋噴樁群加固地基；③開挖樁板墻樁前土體；④計算并對結果進行分析.

3 結果分析

3.1 樁前土未采用旋噴樁加固分析

數(shù)值模擬計算結果表明，在旋噴樁未加固時，由于樁板墻樁后邊坡土體自重應力而產(chǎn)生推力的作用，抗滑樁在X方向產(chǎn)生較大的位移，樁頂側向位移達到101.36 mm，開挖面位移63.66 mm，樁底位移為42.11 mm，加固區(qū)土體在抗滑樁的擠壓下產(chǎn)生反推力作用，使抗滑樁埋深段的位移小于懸臂段的位移，整個樁身位移從樁頂?shù)綐兜字饾u減小.抗滑樁由于側向偏移和土體擠壓的共同作用，抗滑樁樁背自樁頂起向下8 m左右，在Z向有較大的位移，最大位移為17.45 mm.樁前加固區(qū)的上部土體開挖后，加固區(qū)土體由于抗滑樁的擠壓和上部卸荷的共同作用產(chǎn)生隆起變形的現(xiàn)象，最大位移為67.03 mm，并隨著距樁板墻水平距離的增加而減小.

3.2 樁前土采用不同樁間距加固的效果分析

3.2.1 加固后樁板墻樁身彎矩分析

為研究抗滑樁樁前地基土進行不同樁間距的旋噴樁加固對樁板墻的樁身承載力和樁體位移的影響，本文選擇旋噴樁的樁間距為0.2 m、0.5 m、0.8 m、1.1 m、1.4 m五種工況，對該工況進行軟件數(shù)值模擬，對樁體變形進行對比分析.

圖2 不同樁間距的樁身彎矩

圖2為不同樁間距的旋噴樁加固時，樁板墻的樁身彎矩和最大彎矩的分布曲線.該圖表明：①在相同樁間距時，隨著旋噴樁加固深度的增加樁板墻的樁身彎矩逐漸增加；②除樁間距為0.2 m時，樁身彎矩最大位置基本位于旋噴樁加固頂面下8 m附近，并且達到最大彎矩后，樁板墻的樁身彎矩隨埋深的增加急劇減??；③樁間距為0.2 m時，土體發(fā)生不規(guī)則的水平變形，具體表現(xiàn)為樁身最大彎矩的位置不一，分布散亂且無規(guī)律的增大，說明此時土體變形不均勻、不協(xié)調(diào)，綜合上述分析可得，樁間距為0.2 m時不合適.樁身彎矩越大，抗滑樁承受樁后土壓力越明顯，抗滑樁的支擋效果越好，所以，加固深度越大，抗滑樁的支擋效果越好.

值得注意的是，由圖2(f)可以看出：①旋噴樁加固深度相同時，隨著樁間距的增加，抗滑樁的樁身最大彎矩出現(xiàn)增大的趨勢，當樁間距達到0.8 m時，不再進一步增大，變化放緩；②旋噴樁樁間距在0.5 m、0.8 m、1.1 m、1.4 m時，加固深度的增加對樁身彎矩的增大基本可以忽略.

3.2.2 加固后樁板墻的樁身變形分析

圖3 隨樁間距變化的樁頂位移和樁身位移

從上述樁板墻的樁頂和樁身的變形曲線可以看出：①樁板墻的樁頂側向位移在旋噴樁未加固樁前土時為101.36 mm，旋噴樁加固6 m時為82.868 mm，減少了18%，說明旋噴樁加固可以有效的減小樁頂側向位移；②樁板墻的樁身位移隨著樁間距的增大逐漸增大，旋噴樁的樁間距相同時，從樁頂?shù)綐兜椎臉栋鍓Φ臉渡砦灰浦饾u減小，并從樁身彎矩最大位置處到樁底位移變化趨于穩(wěn)定.

圖4 隨樁間距變化的樁-土應力比和地面隆起位移

對指定節(jié)點追蹤其應力和位移，得出加固區(qū)地面隆起位移和樁-土應力比，如圖4所示.從圖4可以看出：①加固深度為3 m和6 m時，樁-土應力比隨著樁間距的增加逐漸減??；②加固深度為9 m、12 m和16 m時，隨樁間距的增加樁-土應力比先增大后減小，樁間距為0.5 m時樁-土應力比最大；③理論上樁-土應力比越大，即傳遞到抗滑樁上的應力越大，抗滑樁承受的壓力越大，抗滑樁的支擋效果越好，因此，當樁間距在0.5 m左右時，抗滑樁的支擋效果較好.

地面隆起位移在加固深度相同時，隨著樁間距的增大，呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，并且從0.2 m到1.4 m，隆起位移增大的速率逐漸減小，樁間距超過0.8 m后，曲線變化放緩，說明在一定范圍內(nèi)，減小旋噴樁的樁間距可以控制地面隆起.結合實際情況和樁體變形的結果分析可以得出，當樁間距在0.5 m～0.8 m時，可以取得較好的加固效果和經(jīng)濟效益.

3.3 樁前土采用不同樁深加固的效果分析

本文選擇旋噴樁的加固深度為3 m、6 m、9 m、12 m、16 m五種工況，對該工況進行軟件數(shù)值模擬，對樁體變形進行對比分析.

通過大量的有限元分析結合圖5發(fā)現(xiàn)：①在旋噴樁的樁間距分別為0.2 m、0.5 m、0.8 m、1.1 m和1.4 m時，樁板墻的樁頂側向位移隨著加固深度的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢，并最終成穩(wěn)定發(fā)展的態(tài)勢，旋噴樁的加固深度的增加不能一直有效的減小樁板墻的樁頂側向位移；②樁板墻的樁身位移隨著旋噴樁加固深度的增加逐漸減小，其樁頂位移的變化速率較為緩慢，從樁頂?shù)綐兜诇p小速率逐漸增大.

圖5 隨加固深度變化的樁頂位移和樁身位移

隨加固深度變化的樁-土應力比和地面隆起位移見圖6.隨著旋噴樁加固深度的增加，樁板墻的樁-土應力比逐漸增加，也就是說，在樁前土體旋噴樁加固深度大的邊坡，樁板墻的抗滑樁所承擔的土體推力要大，抗滑樁的單樁受力比較大，所以旋噴樁加固深度的增加可以提高抗滑樁的支擋效果，但他們的關系并不是簡單的直線關系.以樁間距0.5 m為例：①樁前土從未加固增加到加固深度3 m時，樁-土應力比增長較快，變化率為4%；②從3 m增加到6 m時，變化率為1%；從6 m增加到9 m和12 m時，僅為0.3%；③從12 m增加到16 m時，下降了0.1%；④由此可得，加固深度的不斷增加并不能一直有效的提高抗滑樁的支擋能力.

地面隆起位移隨著旋噴樁加固深度的增加逐漸減小，但減小趨勢逐漸變緩，加固深度的增加在一定程度上有利于減小地面隆起位移.結合實際情況和分析結果可以得出，旋噴樁加固深度的不斷增加并不能取得相應的加固效果和經(jīng)濟效益，考慮實際施工難易程度和施工成本，加固深度在樁板墻嵌固段上部1/3～1/2長度處，可以取得較好的加固效果和經(jīng)濟效益.

圖6 隨加固深度變化的樁-土應力比和地面隆起位移

4 結 論

本文通過對樁前地基中旋噴樁不同加固長度、間距時樁身彎矩、樁體水平變形、加固區(qū)地面變形進行分析，研究發(fā)現(xiàn)：

(1)旋噴樁的加固增強了樁板墻的懸臂承載效應，有效限制了樁板墻的樁身變形；樁前地基土的側向承載能力有顯著提高，使樁板墻對樁后土體產(chǎn)生了一定程度的“主動”反壓力，樁背承受的土壓力隨之增長，更好地發(fā)揮了樁身抗彎承載的特性.

(2)樁板墻的樁身位移和加固區(qū)的地面隆起位移隨旋噴樁樁間距的減小而降低，結合樁身彎矩、樁-土應力比的變化趨勢，綜合考慮工程經(jīng)濟性及樁板墻的作用效果，嵌固段旋噴樁的樁間距控制在0.5 m～0.8 m時抗滑樁的支擋效果較好.

(3)隨著旋噴樁加固深度的增加，樁板墻樁-土應力比逐漸增加，但當旋噴樁加固深度超過嵌固段1/2后，增長趨勢逐漸減弱，此時旋噴樁加固深度的增加對進一步提高樁板墻側向抗力的效果不明顯.綜合考慮樁體變形和加固效果，旋噴樁加固至樁板墻嵌固段上部1/3～1/2范圍效果較好.

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