黃土隧道基底樹根樁加固效果的數(shù)值分析

丁 浩，賴金星，劉厚全，王修領(lǐng)，賀思悅

(長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

樹根樁是采用鉆孔、強配筋以及壓力注漿工藝施工而成的一種小直徑鉆孔灌注樁［1］，其樁徑一般為70～300 mm，長細(xì)比較大(一般大于30)，于20世紀(jì)50年代由意大利Fondedile公司的F.Lizzi首創(chuàng)。樹根樁施工采用壓力注漿，有效保證了注入漿和地基土緊密結(jié)合。同時，壓力水泥漿液還能在樁周圍的土體中擴展，從而達(dá)到提高單樁承載力以及改善樁周圍土體力學(xué)性能的效果，當(dāng)灌注漿硬化并成型之后，就能夠承載拉(壓)應(yīng)力［2-8］。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對樹根樁的研究逐漸增多，在理論分析和工程實踐等方面取得了豐碩的成果。孫少銳等［9］研究了樹根樁加固邊坡的穩(wěn)定性;朱正國等［10］對樹根樁應(yīng)用于泥石流堆積體隧道基底加固等情況進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。然而，目前對于樹根樁加固黃土隧道基底的施工效果尚缺乏足夠的理論研究和現(xiàn)場資料，且由于黃土性質(zhì)的復(fù)雜性，其密實度、含水量、濕陷程度等都會影響樹根樁的應(yīng)用效果及適用性［11-13］。鑒于此，本文以榆林某黃土鐵路隧道為依托，對樹根樁加固隧底進(jìn)行數(shù)值模擬，為類似隧底樹根樁加固工程提供參考與借鑒。

1 工程概況

該隧道設(shè)計為單線鐵路隧道，高8.8 m，寬6.4 m，斷面如圖1所示。隧道位于神木、府谷兩縣交界處，線路通過地區(qū)鄰近毛烏素沙漠，為干旱多風(fēng)氣候，環(huán)境退化、沙漠化傾向嚴(yán)重。隧道進(jìn)口穿過風(fēng)積粉細(xì)沙和沖積黃土質(zhì)黏砂土(新黃土)，經(jīng)鉆孔揭露，上部為風(fēng)積砂，下部為黃土層，底部為砂巖或基巖。其土層特性如下。

圖1 鐵路隧道斷面與樹根樁布置形式

(1)風(fēng)積沙。該土層多為淺黃色，呈干燥、松散狀態(tài)，土質(zhì)相對較均勻，多以粉粒為主;表面活性很低，松散，具有明顯的非塑性，其顆粒屬于細(xì)沙，沙粒組成為天然不良級配;成型困難，且成型后的抗剪性能也較差。

(2)黃土層。該土層多為淺黃色，干燥，局部稍濕，多呈硬塑狀態(tài)，土質(zhì)相對較為均勻，土中粉粒含量最多，含砂量也比較高，具有大空隙，偶爾可見云母碎片，巖芯多呈散狀，該層為洞身通過的主要巖層。

(3)砂巖。砂巖由石英顆粒(沙子)組成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，通常呈淡褐色或紅色，主要含硅、鈣、黏土和氧化鐵。砂巖是一種沉積巖，主要由砂粒膠結(jié)而成，其中砂粒含量大于50%。

根據(jù)勘察資料，該地區(qū)地基承載力小，需要對其進(jìn)行加固處理。由于隧道內(nèi)作業(yè)場地少，故選擇樹根樁進(jìn)行加固。樹根樁作業(yè)只需1 m×1.5 m大小的場地，就滿足單線隧道的要求，因此選擇樹根樁進(jìn)行加固。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

通過有限元軟件建立二維數(shù)值分析模型，對樹根樁加固黃土隧道基底的沉降進(jìn)行研究。為了接近實際工況，整個模型的尺寸取高70 m、寬70 m。其中各土層、仰拱回填土采用實體單元進(jìn)行模擬，樹根樁和仰拱用梁單元模擬，錨桿采用植入式桁架單元模擬。研究對象為隧道的變形，不考慮樹根樁與土體之間的滑移作用，即將樹根樁和周圍土體當(dāng)成一種均勻、連續(xù)的復(fù)合地基材料考慮。

整個計算模型的土體分3層:第1層為20 m厚的風(fēng)積沙;第2層為40 m厚的黃土層;第3層為10 m厚的砂巖。

兩側(cè)存在水平約束，底部既有水平約束又有豎直約束，整體在自然狀態(tài)下受重力作用。網(wǎng)格劃分的模型如圖2所示。數(shù)值模擬采用以下假設(shè)。

圖2 隧道網(wǎng)格劃分模型

(1)所有材料均為均勻、連續(xù)、各向同性。

(2)黃土層采用符合莫爾-庫倫屈服條件的材料進(jìn)行模擬［11］。

(3)不考慮樹根樁與土體的滑移，以復(fù)合地基模擬。

(4)樹根樁采用彈性介質(zhì)模擬，且不考慮樹根樁與土體的滑移。

2.2 參數(shù)的選取

各土層及樹根樁的物理力學(xué)參數(shù)取值均采用試驗值［8］，具體如表 1 所示。

表1 各土層及樹根樁的物理力學(xué)參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

3.1 樹根樁對隧道基底隆起的影響

隧道開挖前，土層內(nèi)的應(yīng)力處于平衡狀態(tài);開挖后，由于隧道周圍的土體失去了原有的支撐，破壞了受力平衡，土體將向隧道內(nèi)產(chǎn)生松脹位移。在周圍土體的擠壓作用下，隧道基底將產(chǎn)生較明顯的隆起變形，最大值達(dá)到16.6 cm，如圖3所示。采用樹根樁加固的隧道基底隆起減少為2.1 cm，如圖4所示。

圖3 未采用樹根樁加固的隧底沉降

圖4 采用樹根樁加固的隧底沉降

采用樹根樁加固后，隧底的樹根樁承受了周圍土體的一部分荷載，并且降低了隧道基底下一定深度范圍內(nèi)土層中的應(yīng)力，從而減少了隧道基底內(nèi)可能產(chǎn)生的較大變形。在樹根樁施工過程中，漿液的滲透作用會對樁間土進(jìn)行改良，改良后的土與樹根樁樁體組成復(fù)合地基。同時，成樁后的樹根樁對樁間土具有側(cè)向約束作用，限制了樁間土的側(cè)向位移，在四周被約束的情況下，相同荷載作用的變形減小。

為了更好地研究樹根樁的加固效果，在隧道基底從左到右選取14個點，對比有、無樹根樁的2種工況下各個隧道基底測點的隆起變形，如圖5所示。從圖5可以看出:在樹根樁加固的隧道中基底隆起明顯減小;且在有樹根樁的隧道中，最大的隆起部位在仰拱中間，而在未采用樹根樁的隧道中基底最大隆起是在仰拱的拱腰處。這說明在采用樹根樁加固基底后，隧道基底土層得到加固，應(yīng)力也進(jìn)行了重新分布。

圖5 隧道基底隆起對比

3.2 樹根樁對隧道邊墻腳的加固

樹根樁加固隧底后，隧道基底隆起明顯減少，但應(yīng)力始終需要釋放，由于邊墻角沒有采取加固措施，所以應(yīng)力就會從基底上面的拱腳部位釋放，導(dǎo)致加固后的拱腳隆起明顯變大。結(jié)果表明:隧道基底受力是不均勻的，整個斷面的形狀應(yīng)力分布也不合理。因此，為了使隆起分布更加均勻，采用在隧道拱腳處增加樹根樁的方法對其進(jìn)行加固。

如圖6為隧道邊墻角未采用樹根樁加固的隆起。邊墻角未加樹根樁時，左邊的隆起為8.5 cm，右邊的隆起為8.2 cm，隧道邊墻角周邊土體出現(xiàn)較大的隆起，影響隧道的穩(wěn)定性。當(dāng)采用樹根樁加固后，邊墻角也得到了加固，變形隆起降低明顯，如圖7所示。左側(cè)的隆起為3.4 cm，右側(cè)的隆起為3.4 cm，應(yīng)力減少，且分布更加均勻，保證了隧道的穩(wěn)定性。

圖6 邊墻角未采用樹根樁的隆起

圖7 邊墻角采用樹根樁的隆起

3.3 樹根樁對隧道拱頂沉降的影響

樹根樁在加固基底土層后也會對拱頂沉降產(chǎn)生一定的影響。在未采用樹根樁加固的工況中，拱頂部分區(qū)域沉降較大，如圖8所示;而在采用樹根樁加固的工況中，拱頂部位沉降有所減小，如圖9所示。從圖8可以看出，從拱腰到拱頂?shù)某两迪仍龃蠛鬁p小，整體變化比較均勻，成對稱分布，拱頂最大沉降為19.1 cm。從圖9可以看出，拱頂處的最大沉降為16.2 cm，與未采用樹根樁加固的隧道相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行比較，沉降基本都減小了2～3 cm。通過對比可知，樹根樁對隧道拱頂?shù)某两涤幸欢ㄓ绊懀畲蟪两祻墓绊斨虚g偏移到了下部區(qū)域，這主要是由樹根樁加固土體后應(yīng)力重新分布造成的。雖然樹根樁加固的區(qū)域只有隧道基底區(qū)域，但樹根樁會使周圍土體形成一個整體，也會對拱頂?shù)某两诞a(chǎn)生一定積極影響，從而為隧道基底的穩(wěn)定性提供保證。

圖8 未采用樹根樁加固的拱頂沉降

圖9 采用樹根樁加固的拱頂沉降

在隧道的拱頂位置選擇9個點，對比分析有無樹根樁對隧道拱頂沉降的影響，得到圖10拱頂沉降的對比結(jié)果。

圖10 拱頂沉降對比

3.4 樹根樁提高隧道基底加固效果的分析

為進(jìn)一步研究樹根樁對隧道基底的加固效果，通過改變樹根樁作用范圍內(nèi)土層的物理力學(xué)參數(shù)，使隧道基底隆起與采用樹根樁加固時基本相同，提高參數(shù)后隧道基底沉降與施做樹根樁基本相同時的土層范圍見圖11。通過不斷增大加固區(qū)域內(nèi)土體的黏聚力，得到基底最大隆起與黏聚力的關(guān)系曲線(圖12)。由圖12可知，隆起值與黏聚力呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，當(dāng)黏聚力由初始的30 kN·m－2提高到58 kN·m－2時，基底的最大隆起值為 3.3 cm，此時與采用樹根樁加固的基底最大隆起值接近，即樹根樁加固后的效果等效于增大了土體的黏聚力。

圖11 加強加固區(qū)域土層范圍

圖12 隧道基底最大隆起與黏聚力的關(guān)系

4 結(jié) 語

(1)通過有限元分析對比有、無樹根樁2種工況的隧道底及拱頂變形發(fā)現(xiàn)，采用樹根樁加固后，隧底的隆起減小了68.3%，且在一定程度上減小了拱頂?shù)某两?，有效保證了施工的正常進(jìn)行以及隧道的穩(wěn)定性。

(2)在邊墻腳采用樹根樁加固后，可以有效減小邊墻角區(qū)域的隆起。與未采用樹根樁加固時相比，隧道基底的應(yīng)力分布更加均勻，為隧道的穩(wěn)定提供保障。

(3)應(yīng)用等效的方法研究樹根樁對土體的加固效果，使隧道基底的變形與采用樹根樁加固時具有相同的效果，相當(dāng)于土體的黏聚力從30 kN·m－2增加到 58 kN·m－2。

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