膨脹土特性對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響分析

林治平， 陳小丹

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635)

膨脹土屬于高塑性粘土，其親水性較強(qiáng)，具有遇水膨脹，失水收縮的特點(diǎn)，力學(xué)性質(zhì)極其不穩(wěn)定，對(duì)工程建設(shè)存在不利影響，較多學(xué)者對(duì)膨脹土的特性開展了研究，如繆林昌[1]、劉鵬[2]對(duì)不同含水量下的膨脹土特性進(jìn)行了研究，得出隨含水量增加，其強(qiáng)度降低，且黏聚力下降的速度比內(nèi)摩擦角更快等，楊果林[3]、盧肇鈞[4]分別通過原位試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)研究了膨脹力的形成機(jī)理及取值問題等。

雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)具有剛度大、樁身水平位移小、占地較小和工期短等優(yōu)點(diǎn)，在基坑和邊坡支護(hù)中應(yīng)用越來越廣泛，但目前其理論機(jī)理尚未完全成熟，有關(guān)雙排樁的研究方興未艾，如趙倩蕾[5]對(duì)雙排樁的工程特性和影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究，王可峰[6]通過離心模型試驗(yàn)對(duì)雙排樁的受力機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證等。

關(guān)于膨脹土地區(qū)的雙排樁研究，唐印[7]、李小雷[8]開展了深入的研究并得出有益的結(jié)論，但研究重點(diǎn)主要為樁間距、樁長(zhǎng)、剛度等樁身參數(shù)產(chǎn)生的影響，而鮮有針對(duì)膨脹土本身的重度、強(qiáng)度及膨脹力等特性進(jìn)行雙排樁的影響分析。

本文以成都市膨脹土地區(qū)的某大型停車場(chǎng)永久邊坡的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬和理論分析，通過改變不同含水量下膨脹土的重度、強(qiáng)度、膨脹力特性參數(shù)，對(duì)雙排樁的受力、變形和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以期指導(dǎo)本工程及為同類工程提供參考。

1 工程概況

本工程挖方邊坡支護(hù)高度約為7 m，安全等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為100 a。因用地條件受限及膨脹土地區(qū)不適宜設(shè)置錨索等因素，邊坡采用雙排樁進(jìn)行支護(hù)，樁徑為1 m，樁間距為1.2 m，前后排距為2.5 m，樁前掛面板，樁頂設(shè)置蓋板，樁前被動(dòng)區(qū)換填2.0 m厚非膨脹土填料且采用“兩布一膜”進(jìn)行防滲，設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。

場(chǎng)地自上而下地層分別為<3-1-1>層黏土、<3-2>層黏土及<5-1-2>層強(qiáng)風(fēng)化泥巖，其中前兩種粘土均為弱—中等膨脹土，各巖土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，勘察期間<3-1-1>層的含水量為26%。

膨脹土膨脹過程本質(zhì)上是吸水過程，因此含水量是影響膨脹土特性的重要因素，對(duì)于大氣影響深度范圍內(nèi)(本地區(qū)為3.5 m深)的膨脹土層，其含水量變化較明顯，本文通過改變?cè)摵穸确秶鷥?nèi)膨脹土的參數(shù)來模擬吸水膨脹的影響，按含水量20%～30%劃分為6個(gè)遞進(jìn)工況，相關(guān)參數(shù)通過重塑土的室內(nèi)試驗(yàn)及參考成都地區(qū)膨脹土試驗(yàn)結(jié)果[9]確定(如表2所示)，膨脹力按每工況增加7 kPa考慮，考慮到后排樁的前后均有膨脹力可相互抵消，樁前被動(dòng)區(qū)已采用有效的防滲措施不會(huì)產(chǎn)生膨脹力，因此，膨脹力僅施加在前排樁的樁背范圍。

2 數(shù)值模型

建立雙排樁支護(hù)的平面應(yīng)變模型如圖2所示?；由疃葹閔，模型寬度在樁前不少于1.5h，樁后不少于2.5h，模型高度不少于2h，位移邊界為模型兩側(cè)約束X向位移，底部約束Y向位移，荷載邊界為自重及每工況下加至樁身的膨脹力。

巖土體采用2D平面應(yīng)變單元，本構(gòu)采用修正摩爾庫侖模型；樁及蓋板采用1D梁?jiǎn)卧M，本構(gòu)采用彈性模型。

通過模擬大氣影響深度范圍內(nèi)膨脹土層的含水量變化，改變其重度、抗剪強(qiáng)度以及施加膨脹力至樁體上，分析前后排樁的受力和變形變化規(guī)律。

3 雙排樁的內(nèi)力和變形分析

3.1 雙排樁內(nèi)力分析

1) 彎矩分析

以工況1為例，雙排樁的彎矩云圖示意如圖3所示。統(tǒng)計(jì)不同工況下前后排樁的彎矩值，繪制其變化曲線分別如圖4和圖5所示。由此可知，隨含水量增大，前后排樁的彎矩均出現(xiàn)不同程度的增大趨勢(shì)。

為進(jìn)一步研究前后排樁的彎矩變化規(guī)律，提取出各工況下前后排樁的最大彎矩絕對(duì)值(均為負(fù)彎矩)，繪制曲線如圖6所示，由此可見最大彎矩值與含水量呈近乎線性正相關(guān)，且后排樁彎矩增長(zhǎng)速度稍大于前排樁。

2) 剪力分析

以工況1為例，雙排樁的剪力云圖示意如圖7所示。統(tǒng)計(jì)不同工況下前后排樁的剪力值，繪制其變化曲線分別如圖8和圖9所示。由此可知，隨含水量增大，前后排樁的剪力均出現(xiàn)不同程度的增大趨勢(shì)。

為進(jìn)一步研究前后排樁的剪力變化規(guī)律，提取出各工況下前后排樁的最大剪力絕對(duì)值(均為負(fù)值)，繪制曲線如圖10所示，由此可見最大剪力值與含水量同樣呈近乎線性正相關(guān)，且后排樁剪力增長(zhǎng)速度稍大于前排樁。

3.2 雙排樁變形分析

以工況1為例，雙排樁的變形云圖示意如圖11所示，最大水平位移發(fā)生在樁頂，且在蓋板協(xié)調(diào)下前后排樁的樁頂位移基本一致。

統(tǒng)計(jì)出不同含水量下雙排樁的最大水平位移變化曲線如圖12所示，由此可知，隨含水量增大，雙排樁的最大水平位移出現(xiàn)不同程度的增大，且增長(zhǎng)速度越來越快。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)位移監(jiān)測(cè)成果，樁頂水平位移為7.85 mm(對(duì)應(yīng)含水量為26%)，與計(jì)算結(jié)果10.18 mm較為接近。

4 雙排樁的嵌固穩(wěn)定性分析

考慮膨脹力的嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式可按下式修正：

(1)

其中Epk為樁前被動(dòng)土壓力合力;Eak為樁后主動(dòng)土壓力合力;P為樁后膨脹力合力;G為前后排樁及樁間土自重之和;zp、za、zG、zp為上述各力的作用點(diǎn)至樁底的力臂。

據(jù)式(1)可算得各工況下雙排樁的嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)的變化曲線如圖13所示，由此可知，當(dāng)含水量增大時(shí)，安全系數(shù)大幅下降，且下降速度逐漸減緩，最大含水量下的安全系數(shù)可滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

1) 膨脹土膨脹程度可表征為含水量的增加，通過改變不同含水量下膨脹土的重度、抗剪強(qiáng)度及膨脹力參數(shù)，模擬膨脹土特性對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響是可行的。

2) 隨膨脹土含水量增加，雙排樁的彎矩和剪力均增大，且后排樁的增長(zhǎng)速度稍大于前排樁，雙排樁的最大水平位移也隨之增大，且增長(zhǎng)速度越來越快。

3) 隨膨脹土含水量增加，雙排樁的嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)大幅下降，且下降速度逐漸減緩，最大含水量下的安全系數(shù)仍可滿足規(guī)范要求。

4) 膨脹土地區(qū)應(yīng)用雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)充分考慮膨脹土特性對(duì)雙排樁的受力、變形和嵌固穩(wěn)定性的影響，其最不利工況應(yīng)為可能產(chǎn)生的含水量最大的情況。

5) 為簡(jiǎn)化因素分析，本次研究中膨脹土的模量、泊松比按假設(shè)不變考慮，后續(xù)可進(jìn)一步開展關(guān)于該兩變量變化擴(kuò)展研究。