基于開挖過程的樁板墻加固數(shù)值模擬分析

李 耀 文

(中鐵七局集團(tuán)第五工程有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引 言

我國(guó)黃土地區(qū)面積廣袤，土體性質(zhì)復(fù)雜多變，鐵路工程建設(shè)往往面臨諸多新的問題.樁板墻經(jīng)常被用于深路塹邊坡的實(shí)際支護(hù)工程中[1]，并對(duì)樁板墻的支護(hù)性能進(jìn)行了深入研究，巨能攀等[2]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)邊坡支護(hù)下樁板墻的樁身傳力方式、樁身內(nèi)力等進(jìn)行了分析；張力[3]依托貴廣高速鐵路工程，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)路堤樁板墻工點(diǎn)進(jìn)行了原位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析，得到了樁板墻側(cè)向變形引起的路堤沉降變化規(guī)律；李宇峰[4]依托某路堤樁板墻現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了路堤樁板墻側(cè)向位移與路堤沉降的關(guān)系；李浩[5]開展了關(guān)于路肩樁板墻受力與變形特性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析了土壓力大小沿墻高的分布特征以及樁前地基土變形與抗力、樁頂位移和墻后路基沉降的關(guān)系.黃土地質(zhì)的深路塹樁板墻邊坡防護(hù)工程往往會(huì)大面積開挖，若樁板墻下軟弱地基的側(cè)向承載力不夠，開挖過程可能會(huì)使周邊土體的變形過大，從而影響到樁板墻本身的穩(wěn)定性.

目前，數(shù)值分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于巖土工程中[6-12]，可以模擬開挖和支護(hù)的全過程.因此本文依托三門峽地區(qū)樁板墻加固工程試驗(yàn)工段，采用數(shù)值模擬的方法，考慮樁前地基進(jìn)行加固和不加固兩種工況，對(duì)比分析樁前地基土開挖時(shí)邊坡、樁板墻和樁前地基隆起變形的變化規(guī)律.

1 工程概況

該深路塹工點(diǎn)為三門峽地區(qū)某樁板墻加固工程，位于秦嶺山脈以北，靈三盆地和秦嶺山脈交界處，沿線經(jīng)過黃土梁峁區(qū)及河流沖積階地，主要以深路塹挖方和高路堤填方為主.通過黃土梁峁區(qū)，沖溝發(fā)育，地形起伏較大，地質(zhì)主要為砂質(zhì)新黃土，地質(zhì)條件復(fù)雜，土質(zhì)不勻，黃土濕陷性等級(jí)為IV級(jí)(很嚴(yán)重).線路中心最大垂直開挖深度30.88 m，最大路塹邊坡高度65.57 m，為降低塹坡高度、增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性，邊坡防護(hù)采用拱形骨架護(hù)坡和錨桿格梁，路塹底采用抗滑樁樁板墻結(jié)構(gòu).

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 模型建立及邊界條件

采用FLAC3D仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模型計(jì)算，樁板墻樁長(zhǎng)26 m，懸臂段8 m，嵌固深度18 m；選取旋噴樁長(zhǎng)度9 m進(jìn)行樁前軟弱地基加固，旋噴樁樁徑0.6 m.考慮到邊界范圍的取值對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響較大，因此，選取樁板墻樁前地基范圍40 m，樁后邊坡土體范圍80 m，以降低邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響.模型采用對(duì)稱邊界條件，在模型底部施加XYZ三個(gè)方向的約束，模型前后側(cè)施加X方向約束，左右側(cè)施加Y方向約束，僅對(duì)模型施加重力.計(jì)算模型見圖1，圖2為旋噴樁加固示意圖.

圖1計(jì)算模型圖2旋噴樁加固示意圖

2.2 模型參數(shù)及開挖工況

模型計(jì)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，采用Mohr-Coulomb模型其中樁板墻和土體采用實(shí)體單元，采用Pile單元模擬旋噴樁進(jìn)行計(jì)算，通過設(shè)置pile結(jié)構(gòu)單元的切向和法向耦合彈簧參數(shù)實(shí)現(xiàn)旋噴樁與樁前土的相互作用.模型計(jì)算參數(shù)參考三門峽地區(qū)典型砂質(zhì)新黃土的物理參數(shù)，如表1所示.

表1 模型計(jì)算參數(shù)

樁前地基開挖共分為1個(gè)平衡步和4個(gè)開挖步.第一步進(jìn)行自重應(yīng)力場(chǎng)平衡；第二步將自重應(yīng)力平衡后的速度、位移清零，設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)后再施加重力進(jìn)行平衡計(jì)算；第三步分步驟對(duì)樁前地基進(jìn)行開挖模擬.樁前地基開挖深度共8 m，開挖工作分4次進(jìn)行，每次開挖2 m，見圖1.為進(jìn)一步研究樁板墻在旋噴樁加固作用下的樁體位移及樁前地基的變化規(guī)律，在數(shù)值分析過程中，分別記錄邊坡整體位移、樁身側(cè)向位移及樁前地基的隆起情況.設(shè)置地基深8 m，分別位于樁前2 m、4 m、6 m、8 m的四個(gè)測(cè)點(diǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn).

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 邊坡整體位移分析

為研究旋噴樁加固樁前軟弱地基的加固效果，首先對(duì)未加固時(shí)的樁板墻樁前地基進(jìn)行開挖工況，各開挖工況下邊坡x方向水平位移云圖如圖3所示，“-”值為沿邊坡方向.

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，若未采用旋噴樁進(jìn)行加固，樁板墻樁前地基開挖使樁板墻發(fā)生較大變形.隨開挖深度的增加，應(yīng)力釋放效應(yīng)逐漸增大，邊坡水平位移逐漸增加：第一次開挖完成時(shí)的位移為-11.93 mm，對(duì)樁體穩(wěn)定性影響較小，隨著開挖次數(shù)的增加，位移逐漸增加為-30.78 mm、-57.59 mm和-119.52 mm，位移凈增量分別為18.85 mm、26.81 mm和61.93 mm，可見開挖深度對(duì)樁板墻的穩(wěn)定性有較大影響，由于樁前軟弱地基未能提供足夠的側(cè)向抗力，導(dǎo)致開挖深度越深，樁體側(cè)向變形量越大.

a.第一次開挖 b.第二次開挖

c.第三次開挖 d.第四次開挖

圖3未加固時(shí)逐級(jí)開挖x方向位移云圖

a.第一次開挖 b.第二次開挖

c.第三次開挖 d.第四次開挖

圖4加固時(shí)逐級(jí)開挖x方向位移云圖

圖4為旋噴樁加固時(shí)樁前地基開挖的位移云圖，由圖可知，采用旋噴樁加固地基后進(jìn)行開挖，能有效抑制邊坡側(cè)向變形，邊坡水平位移均出現(xiàn)不同程度的減小.當(dāng)?shù)谝淮伍_挖結(jié)束時(shí)，水平位移為-11.69 mm，第二、三次開挖完成后的位移值分別為-30.76 mm和-54.92 mm，當(dāng)完成第四次開挖后，最大位移為86.64 mm，相比于未加固時(shí)的水平位移，各開挖工況結(jié)束后的位移分別減小了2.01%、0.02%、4.64%和27.51%.通過對(duì)比上述開挖結(jié)果可知，前三次的開挖工況結(jié)束后，位移的變化量均較小，而第四次開挖結(jié)束后，采用旋噴樁加固后的最大位移有明顯減小，說明開挖深度較小時(shí)，邊坡應(yīng)力釋放效應(yīng)不明顯，旋噴樁加固效果沒能體現(xiàn)；當(dāng)開挖深度較大時(shí)，由于應(yīng)力釋放效應(yīng)的累加，旋噴樁的加固效果得到充分體現(xiàn).因此，旋噴樁加固軟弱地基在深路塹工程中有良好的適用性.

3.2 樁板墻樁身位移分析

圖5為樁板墻樁身位移隨樁前開挖的變化曲線，從圖中可以看出，樁身位移隨樁前土開挖深度逐漸增加，且抗滑樁的懸臂樁段位移變化趨勢(shì)明顯，這是由于樁前土的開挖導(dǎo)致樁頂至開挖面的樁后土體產(chǎn)生應(yīng)力釋放作用及樁后土體作用于樁身的應(yīng)力發(fā)生重分布，從而使樁身受力改變.對(duì)兩種工況樁身位移進(jìn)行分析可得，樁前地基采用旋噴樁加固后在一定程度上減小了樁身位移，樁頂位移在開挖后增量總體表現(xiàn)較為均勻連續(xù)，加固相較于未加固的位移減小量較?。晃醇庸痰臉栋鍓渡砦灰圃诘谒拇伍_挖結(jié)束后，位移出現(xiàn)較大增加，而加固后的樁身位移增量仍表現(xiàn)較為均勻，旋噴樁加固軟弱地基的效果明顯，且開挖深度越深，加固效果越好.

(a)樁前地基未加固 (b)樁前地基加固

圖5樁板墻樁身位移曲線

(a)樁前地基未加固 (b)樁前地基加固

圖6地面隆起與開挖次數(shù)的變化關(guān)系

3.3 樁前地面隆起分析

圖6為樁前土地面隆起與樁前土開挖的關(guān)系曲線.由圖可知，隨著樁前地基土開挖，樁前土體原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，應(yīng)力被釋放，導(dǎo)致地面出現(xiàn)向上隆起的趨勢(shì).樁前地基開挖也導(dǎo)致樁板墻后土體逐漸擠壓樁板墻，使樁前地基的應(yīng)力增大，導(dǎo)致地基隆起現(xiàn)象.隨著樁前地基開挖深度的增加，隆起變形逐漸增加；且地面隆起高度隨著距樁板墻水平距離的增加逐漸增大，當(dāng)樁前地基開挖結(jié)束后，2 m、4 m、6 m和8 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大地面隆起較無旋噴樁加固樁前土?xí)r分別降低了75.41%、64.35%、43.61%、26.67%.

當(dāng)樁前地基未被加固時(shí)，距樁板墻較近的地面隆起變形隨著開挖深度的增加逐漸增加，應(yīng)力向樁板墻方向轉(zhuǎn)移；由于旋噴樁加固位置在樁板墻前5 m范圍內(nèi)，導(dǎo)致這種應(yīng)力轉(zhuǎn)移被限制，而超過5 m的未被加固地基隆起變形增幅較大.在樁前地基開挖過程中，由于樁板墻的位移和變形導(dǎo)致樁后主動(dòng)土壓力區(qū)土體剪力增大；而樁前被動(dòng)土壓力區(qū)的水平應(yīng)力增大，導(dǎo)致地基土體發(fā)生擠壓和隆起，對(duì)樁前地基進(jìn)行加固，在一定程度上破壞了土體原有的應(yīng)力分布，使土體在初期開挖時(shí)產(chǎn)生了不均勻的沉降.

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)樁前地基加固和未加固兩種工況下的樁板墻樁前開挖變形進(jìn)行模擬分析，得到以下結(jié)論.

(1)采用旋噴樁對(duì)樁板墻軟弱地基進(jìn)行加固，可有效減小邊坡整體側(cè)向位移和樁板墻樁頂水平位移及樁前地基隆起現(xiàn)象，增加了樁前地基的側(cè)向抗力，提高了樁板墻的整體穩(wěn)定性.

(2)淺層開挖對(duì)樁板墻的影響較小，隨著開挖深度的增加，樁頂位移逐漸增加，相較于未加固工況，加固后的樁板墻位移增量仍較為均勻連續(xù)，旋噴樁加固對(duì)深路塹工程的加固效果更為顯著.

(3)樁前地基隆起表現(xiàn)為距樁板墻越遠(yuǎn)，隆起量越大.采用旋噴樁加固對(duì)樁前土體隆起起到一定的約束作用，在旋噴樁加固設(shè)計(jì)中可適當(dāng)增加加固區(qū)域，提高樁前地基的整體側(cè)向承載力.