基于FLAC3D 的膨脹土地區(qū)加錨雙排樁支護結構數(shù)值分析

續(xù) 辰 翁勃航 蘇麗媛

（中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院，北京 100083）

0 引言

隨著我國西南地區(qū)城市化的不斷發(fā)展，城市地下工程迎來了新熱潮，基坑工程也日益增多，支護結構要求也進一步提高。由于膨脹土地區(qū)土質具有遇水膨脹，失水收縮的特殊性，使該地區(qū)基坑支護較其他地區(qū)困難；再加上城市用地緊張，支護空間狹小，施工紅線限制等因素，如何安全經(jīng)濟地解決膨脹土地區(qū)基坑支護問題，成為該地區(qū)的一個研究重點和發(fā)展方向。

雙排樁支護結構在膨脹土地區(qū)得到了廣泛應用，取得了較好的效果。其作為超靜定結構優(yōu)點顯著，具有整體剛度大、側向位移小、占地面積少、不超用地紅線、施工期較短等特點［1-4］。

但雙排樁的研究還遠滯后于其工程運用，尤其是膨脹土脹縮性使雙排樁的相互作用關系更加復雜。對于樁身膨脹力在水平方向分布形式的確定，學者們眾說紛紜，沒有統(tǒng)一的標準。有的認為符合三角形分布，也有的認為是矩形分布或是梯形分布［5-6］。其設計施工考慮的因素也比一般情況要復雜得多。因此如何結合膨脹土特性，研究雙排樁支護結構的受力變形，使雙排樁在膨脹土地區(qū)充分發(fā)揮其獨特優(yōu)勢，成為當前研究的重點。

筆者依托成都某深基坑工程展開研究，基于FLAC3D結合強度折減法進行分析。通過建立數(shù)值模型，研究加錨雙排樁支護結構的樁身位移，分析在加錨雙排樁支護結構作用下，基坑的整體水平位移。

1 工程概況

該工程位于成都市武侯區(qū)音樂學院，基坑最大深度21.0 m，其部分采用加錨雙排樁支護結構。加錨雙排樁樁長25.6 m，樁徑1.0 m，樁間距2.5 m，排距5.0 m，樁身布置4 道錨索，分別位于距樁頂-5.0 m、-8.5 m、-12.0 m、-15.5 m 位置處，其支護結構剖面圖如圖1所示。

圖1 加錨雙排樁支護剖面示意圖

場地自上而下分為三部分，其一為人工填土層，其二為河流沖洪積層，其三為白堊系上統(tǒng)灌口組泥巖。巖土層參數(shù)如表1所示。

表1 巖土層參數(shù)

由于膨脹土具有遇水抗剪強度減小的特點，必須對其相關參數(shù)進行折減［7-8］，該研究將強度折減法引入有限差分法計算中［9］，對加錨索雙排樁支護結構進行分析。

2 數(shù)值模型的建立

基于摩爾—庫倫準則建立數(shù)值模擬，考慮到基坑開挖的影響范圍通常為開挖深度的2～3 倍，因此模型尺為100.0 m×19.5 m×63.0 m，基坑開挖深度為20.8 m，開挖面后側影響區(qū)58.0 m。該模型范圍涵蓋16根雙排樁、32道錨索。

數(shù)值模擬基于以下基本假定：①鉆孔灌注樁、冠梁、連梁、錨索為均勻、連續(xù)性材料；②土體視為理想彈塑性體，服從摩爾—庫倫準則，且其彈性模量和泊松比不會隨施工的進行而產(chǎn)生變化；③假設基坑已經(jīng)完成降水，不考慮地下水的影響；④模型的建立不考慮降雨與地面動荷載的影響。

FLAC3D對于基坑支護結構的模擬給出了兩種方法。實體單元方法通過生成網(wǎng)格來模擬樁單元，在樁側設置interface 命令來實現(xiàn)樁土的相互作用。其優(yōu)點是便于觀察樁體位移且參數(shù)較少。但其如果為不規(guī)則實體單元則不容易提取出數(shù)據(jù)，且實體單元與結構單元的連接處理較為困難。結構單元方法則通過節(jié)點、直線段等較為抽象的方法來定義樁、錨索等，通過連接樁體單元節(jié)點的法向和切向彈簧模塊來實現(xiàn)樁土相互作用，其優(yōu)點是可以輕松實現(xiàn)群樁的分析，數(shù)據(jù)易于提取，但其參數(shù)較多，不同結構單元節(jié)點與節(jié)點的連接較為復雜且易出錯。

故為更好地貼合工程實際，將支護結構用實體單元進行模擬，采用interface 命令來模擬樁體相互作用。數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 模型建立圖

3 數(shù)值模型計算分析

土層性質對樁身的位移內力影響占主導地位，土層性質受到現(xiàn)場復雜環(huán)境的影響其參數(shù)會發(fā)生一定的變化。在我國西南膨脹土地區(qū)，膨脹性巖土體在平常狀態(tài)下顯示出良好的抗剪強度，但其一旦遇水膨脹，膨脹土內摩擦角與黏聚力便會發(fā)生大幅度折減，強度會大幅度下降，導致基坑失穩(wěn)破壞。為了能更好地為設計施工提供借鑒，這里選取兩點即內摩擦角與黏聚力進行研究分析。為探究內摩擦角、黏聚力折減對基坑整體水平位移及支護結構樁身位移的影響，按照0.8、0.9 兩種折減率來創(chuàng)立工況進行對比分析。

3.1 不同黏聚力分析

在設計施工中，土體黏聚力對支護結構影響較大，故在其他參數(shù)條件不變的前提下，在原模型基礎上新增粉質黏土層黏聚力為22 Pa、25 Pa、28 Pa三種工況。通過FLAC3D軟件進行分析計算，得到不同黏聚力情況下，加錨雙排樁樁身位移云圖，如圖3所示。

由圖3 可知，隨著黏聚力的減小，樁身位移小幅增加，且樁身最大水平位移位置始終位于樁頂附近。當黏聚力從22 kPa增加至25 kPa時，樁身最大水平位移從20.00 mm 減小到18.56 mm，其減幅為7.76%；當黏聚力從25 kPa 增加至28 kPa 時，樁身最大水平位移從18.56 mm 減小到16.70 mm，其減幅為11.13%。由此可知，樁身位移隨黏聚力的增加，其降幅逐步增加。

圖3 不同黏聚力下加錨雙排樁樁身位移

3.2 不同內摩擦角分析

不同內摩擦角取值見表2。由圖4 可知，隨著內摩擦角的減小，樁身位移小幅增加，且樁身最大位移位置始終位于樁頂附近。當內摩擦角從14°增大到16°時，樁身最大水平位移從17.84 mm 減小到17.42 mm，其降幅為2.4%；當內摩擦角從16°增大到18°時，樁身最大水平位移從17.42 mm 減小到16.70 mm，其降幅為4.3%。由此可知，樁身位移隨內摩擦角的增加，其降幅逐步增加。

圖4 不同內摩擦角下加錨雙排樁樁身位移

表2 不同黏聚力及內摩擦角取值

綜上所述，土體內摩擦角與黏聚力的減小都會導致支護結構整體水平位移增大，且土體黏聚力減小導致加錨雙排樁支護結構樁身水平位移的增幅要大于土體內摩擦的減小導致加錨雙排樁支護結構樁身水平位移的增幅。故在膨脹土設計中要格外注意膨脹土的分布，確定膨脹土的性質，合理選取土體內摩擦角與黏聚力的折減系數(shù)。尤其要注意降雨導致的土體含水量的變換，必要時可以采取換填加固等方法避免膨脹土的影響。

4 結語

結合成都地區(qū)某基坑工程進行數(shù)值模擬分析研究，考慮膨脹土特性，對c、φ值進行一定程度的折減得到了基坑整體水平位移及加錨水平支護結構樁身位移的位移云圖對比，得到以下結論。

①土體黏聚力減小會大幅增加樁身水平位移。隨著黏聚力的減小，支護結構水平位移小幅減小。建議實際設計中要明確膨脹土分布情況及性質，以便結合膨脹率試驗對土體黏聚力進行合理折減。

②內摩擦角減小會小幅增加樁身水平位移。隨著黏聚力的減小，支護結構水平位移小幅減小。建議實際設計中要明確膨脹土分布情況及性質，以便結合膨脹率試驗對內摩擦角進行合理折減。

③該研究雖然對c、φ值進行一定程度的折減，但沒有考慮大氣影響下水平膨脹力的作用，且沒有考慮降雨的影響，今后會繼續(xù)開展研究。