砂石樁-土釘墻組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及穩(wěn)定性分析

范海濤，張 濤，趙洲源，賴彥林

(1.四川正基巖土工程有限公司, 四川 綿陽 621000； 2.中國人民解放軍63839部隊, 四川 綿陽 621000)

軟土地區(qū)的基坑開挖工程較為復(fù)雜，通常采用的技術(shù)手段為排樁、水泥土墻、水泥攪拌樁等單一支護(hù)方式，當(dāng)開挖基坑深度較大時，單一的支護(hù)方式存在鋼筋用量多、設(shè)計墻體厚度大、水泥用量多等不利影響，導(dǎo)致造價較高、施工較為復(fù)雜，嚴(yán)重制約工程建設(shè)。

為節(jié)約經(jīng)濟(jì)造價，降低施工難度，許多學(xué)者將半剛性、剛性樁與土釘墻支護(hù)方式相結(jié)合，組成聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)運(yùn)用于基坑工程。如：朱建新等[1]將高壓旋噴樁與土釘聯(lián)合運(yùn)用于南海某基坑工程，驗證了該方案能確保了基坑的安全性和防水效果。謝永明[2]對基坑坡腳設(shè)置水泥攪拌樁，坡面設(shè)置土釘墻，對水泥攪拌樁的合理長度和寬度進(jìn)行討論。郝峰[3]對高壓旋噴樁復(fù)合土釘墻進(jìn)行了PLAXIS有限元分析，得出高壓旋噴樁在土層較軟時，貢獻(xiàn)作用較大。汪志鵬[4]對泛?！せ▓@工程基坑中應(yīng)用了復(fù)合土釘墻與高壓旋噴樁組合支護(hù)，驗證了其具有較好的可靠性。許巖劍等[5]對水泥攪拌樁和土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明聯(lián)合支護(hù)的坑壁破裂面從樁底穿過，土釘水平投影段范圍內(nèi)滑動面呈水平向拉長；程文若[6]將水泥土攪拌樁與土釘墻聯(lián)合支護(hù)運(yùn)用于軟土基坑中。

總的來說，目前對聯(lián)合支護(hù)研究較少，而已有的研究成果中又多是對半剛性、剛性樁與土釘墻相組合進(jìn)行探討，對無粘結(jié)強(qiáng)度的散體樁與土釘支護(hù)相結(jié)合的研究甚少。筆者就某基坑工程中使用的砂石樁-土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，探討其坡體位移、土釘軸力等分布規(guī)律，同時運(yùn)用強(qiáng)度折減法計算其穩(wěn)定性，為砂石樁-土釘墻組合支護(hù)工程設(shè)計與施工提供一定的參考依據(jù)。

1 強(qiáng)度折減法基本原理及失穩(wěn)破壞判據(jù)

若使砂石樁-土釘墻支護(hù)體系真正發(fā)揮其支護(hù)邊坡的效能，必然存在砂石樁、土釘、土體三者之間的相互作用與協(xié)調(diào)變形，而傳統(tǒng)的極限平衡分析法很難解決這一問題，采用強(qiáng)度折減的有限元法無疑能解決這一問題。

1.1 基本原理

有限元強(qiáng)度折減法最早由Zienkiewice于1975年提出，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，該方法成為有限元邊坡穩(wěn)定性分析的研究熱點[7]。其基本原理是基于強(qiáng)度儲備理論，將強(qiáng)度折減的概念、極限平衡原理與彈塑性有限元計算原理相結(jié)合[8]。

其基本原理是：首先在數(shù)值分析前預(yù)先給定一個強(qiáng)度折減系數(shù)Fs，用以調(diào)整土體強(qiáng)度指標(biāo)C和φ值(式1)，再將C′和φ′值循環(huán)代入數(shù)值計算，確定數(shù)值模型中的應(yīng)力、應(yīng)變場或位移場，計算至土體達(dá)臨界破壞狀態(tài)時，將此時的折減系數(shù)定義為穩(wěn)定安全系數(shù)[9-10]。

C′=C/Fs，φ′=arctan(tanφ/Fs)

(1)

1.2 失穩(wěn)破壞判據(jù)

當(dāng)前大多數(shù)學(xué)者對土體整體失穩(wěn)破壞的力學(xué)行為尚沒有統(tǒng)一的認(rèn)識[11]，從強(qiáng)度折減法的觀點出發(fā)，衍生出了三類失穩(wěn)判據(jù)：即有限元數(shù)值迭代不收斂判據(jù)、特征部位位移突變判據(jù)、廣義塑性應(yīng)變或等效塑性應(yīng)變貫通判據(jù)。

根據(jù)裴利劍等[12]研究成果，在足夠的有限元數(shù)值計算精度或迭代次數(shù)下，三類失穩(wěn)判據(jù)具有一致性和統(tǒng)一性。本文將采用第二判據(jù)為主、第三判據(jù)為輔作為本次強(qiáng)度折減失穩(wěn)判據(jù)。

2 工程概況與計算模型

2.1 工程概況

某基坑平面呈較規(guī)則圓形基坑，開挖深度為6.0 m。場平后坑壁土體分層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(軟塑—可塑)：0～7.6 m；黏土(可塑)：7.6 m～11.2 m；其下為粉砂質(zhì)泥巖、埋深較深；局部存在上層滯水，易于疏干。

設(shè)計思路：先采用砂石樁對淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土進(jìn)行置換，增強(qiáng)土體的同時加速排水固結(jié)，靜置21 d待其超孔隙水壓力消散后，再進(jìn)行基坑開挖與土釘墻施工(見圖1)。

圖1設(shè)計斷面圖

2.2 計算模型與參數(shù)選取

2.2.1 模型與邊界

計算軟件采用Phase2D，為避免尺寸效應(yīng)對計算精度的影響，由此確定計算模型尺寸為：土釘邊坡前的開挖寬度取3.3H、支護(hù)后邊界取3H、下邊界取開挖底面以下2.3H。模型計算范圍為20 m×40 m，采用六節(jié)點三角形網(wǎng)格，共劃分網(wǎng)格1 110個(見圖2)。

邊界條件確定為頂部地表面無約束、為自由邊界；模型兩側(cè)為水平約束、豎向不約束，為滾輪支座；模型底面水平、豎向均約束，為固定鉸支座。由于砂石樁與淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土在剛度與強(qiáng)度上存在較大的性狀差異，在外力作用下，其界面可能產(chǎn)生相對滑移變形，本模型中砂石樁與原狀土體之間設(shè)置Structural-Interface接觸單元描述其特性，接觸面之間可傳遞切向力和法向力，模擬樁土相互作用。

2.2.2 計算參數(shù)

本文計算的土體采用非線性彈塑性模型，破壞準(zhǔn)則選用摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)準(zhǔn)則。土體參數(shù)見表1。

圖2砂石樁-土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型

表1 土體參數(shù)

土釘單元采用Cable單元模擬，土釘參數(shù)見表2。

表2 土釘參數(shù)

面板采用Liner單元模擬，面層參數(shù)見表3。

表3 面層參數(shù)

3 計算分析

3.1 位移變化特征

從整個基坑支護(hù)完成后水平位移云圖圖3表明，砂石樁-土釘墻支護(hù)體系坡頂影響范圍約為2.2H(H為基坑開挖深度)，坡腳影響高度約為0.3H；若單一的土釘墻支護(hù)，坡體位移大值應(yīng)分布于坡頂或坡體中部[13]，但砂石樁預(yù)先加固土體后再采用土釘墻支護(hù)，坡體水平位移大值分布于坡角，坡頂位移較小，證明砂石樁置換土體后，坡頂位移得到了有效控制；在背離基坑方向上，水平位移表現(xiàn)為沿土釘支護(hù)方向逐步減小，但在區(qū)域B、C間明顯分區(qū)，這是由于基坑開挖支護(hù)后，區(qū)域A、B卸荷后向坑內(nèi)側(cè)移，區(qū)域C側(cè)向約束減弱，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)土體發(fā)生變形。

圖3水平位移分布云圖

由豎向位移云圖圖4可見，豎向位移大值出現(xiàn)在土釘支護(hù)區(qū)域外側(cè)1.0H～2.2H，影響深度至第三排土釘；坑頂豎向沉降影響深度約0.56H，土釘與土體組成“加筋體”對區(qū)域內(nèi)土體豎向位移約束較大。

由此可見，在砂石樁-土釘墻支護(hù)體系中，砂石樁能有效的控制坡體水平位移，而豎向位移仍由土釘-土體組成的“加筋體”共同約束。

圖4豎向位移分布云圖

3.2 土釘軸力變化特征

從土釘軸力分布圖圖5可見，各排土釘軸力最值分布與基坑開挖深度有關(guān)，上部土體具一定的自穩(wěn)能力，整體呈現(xiàn)規(guī)律為第4、5排土釘軸力較1～3排大，軸力較大值出現(xiàn)在中下部土釘。

圖5各排土釘軸力分布圖

支護(hù)結(jié)構(gòu)若僅有土釘支護(hù)情況下，單根土釘軸力如文獻(xiàn)[14]中描述，土釘軸力沿長度呈現(xiàn)中間大、兩端小的“弓”形狀態(tài)；當(dāng)砂石樁-土釘聯(lián)合支護(hù)時，單根土釘軸力變化趨勢呈現(xiàn)出三個“波峰”，與文獻(xiàn)[14]中結(jié)論不一的原因是，砂石樁與其樁間土形成的增強(qiáng)體不僅提供了較大的摩阻力，而且還具有一定的“強(qiáng)度”使土釘在該段區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)“受壓”狀態(tài)，導(dǎo)致軸力在滑裂面處、砂石樁與土體接觸界面處軸力達(dá)到較大值，土釘穿越砂石樁后軸力減小。

同時由砂石樁的變形趨勢線可見，砂石樁的破壞與具粘結(jié)強(qiáng)度剛性樁不同，其變形破壞位置介于樁端持力層與坑底之間，破壞形式為剪切破壞(見圖6)。

圖6砂石樁-土釘墻變化趨勢、軸力分布云圖

3.3 穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定系數(shù)取基坑強(qiáng)度折減計算不收斂對應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)不合理，建議取基坑強(qiáng)度折減系數(shù)與側(cè)向變形關(guān)系曲線中拐點對應(yīng)的折減系數(shù)，作為穩(wěn)定性系數(shù)[15]，見圖7。

圖7強(qiáng)度折減系數(shù)-位移關(guān)系曲線

由貫通剪應(yīng)變云圖圖8可見，砂石樁-土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定性極限狀態(tài)后，土釘加固后所形成的復(fù)合土體出現(xiàn)類似“錨定板”中出現(xiàn)的破裂面后移現(xiàn)象，與砂石樁在土釘加固區(qū)域內(nèi)形成一個“土墻”，提高了整體穩(wěn)定性，根據(jù)強(qiáng)度折減法計算其穩(wěn)定性系數(shù)為1.32。

圖8最大剪應(yīng)變云圖

綜上，該基坑采用砂石樁-土釘墻組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，減少了基坑變形，提高了整體穩(wěn)定性，經(jīng)過一年的使用期，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

通過對某基坑采用的砂石樁-土釘墻組合支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析表明：

(1) 砂石樁能有效的控制坡體水平位移，而豎向位移仍由土釘-土體組成的“加筋體”共同約束。

(2) 砂石樁-土釘墻支護(hù)體系各排土釘軸力最值分布與基坑深度有關(guān)，上部土體加固后具一定的自穩(wěn)能力，軸力較大值出現(xiàn)在中下部土釘；單根土釘軸力變化趨勢呈現(xiàn)出三個“波峰”，土釘軸力在滑裂面處、砂石樁與土體接觸界面處軸力達(dá)到較大值，土釘穿越砂石樁后軸力減小。

(3) 砂石樁在土釘加固區(qū)域內(nèi)形成一個“土墻”，整體很難出現(xiàn)內(nèi)部破壞；且砂石樁的破壞與具粘結(jié)強(qiáng)度剛性樁不同，表現(xiàn)的破壞方式為剪切破壞，其破壞面介于基坑底部與樁端持力層之間。

(4) 強(qiáng)度折減過程中未考慮土釘結(jié)構(gòu)體的參數(shù)折減，相關(guān)工作有待進(jìn)一步研究。