黏土基坑樁間土拱效應(yīng)分析

耿鶴良，楊弋濤，劉毛方，楊成斌 （安徽省金田建筑設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司，安徽 合肥 231602）

1 引言

地下空間的發(fā)展離不開基坑支護技術(shù)的進步。隨著城市土地日益緊張，越來越多的基坑選擇采用支護樁為支護形式。

基坑為臨時性工程，在確保項目施工空間、基坑自身安全和周邊環(huán)境安全的前提下，如何降低支護成本一直是熱點研究問題。對于支護樁體系而言，根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）第4.3.4 條規(guī)定“排樁的中心距不宜大于樁直徑的2.0 倍”，并在條文說明中注明“根據(jù)工程經(jīng)驗，對大樁徑或黏性土，排距的凈間距在900mm 以內(nèi)，對于小樁徑或砂土，排樁的凈間距在600mm以內(nèi)較常見”。由此可見，支護樁間距除考慮支護樁應(yīng)力變形計算外，主要考慮樁間土的穩(wěn)定性，而樁間土的尺寸效應(yīng)與土的類型息息相關(guān)，這些都是土拱效應(yīng)需要研究的問題。

在自重、附加荷載以及溫度應(yīng)力等作用下，土顆粒會產(chǎn)生位移，位移會導(dǎo)致應(yīng)力重分布，從而達到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。當(dāng)新的應(yīng)力平衡狀態(tài)使得土體內(nèi)部呈現(xiàn)拱狀條帶，將作用在拱上的應(yīng)力傳遞到拱腳時，可認為是土拱效應(yīng)。

自1943 年太沙基通過“活動門試驗”證明了土力學(xué)土拱效應(yīng)的存在并提出了土拱效應(yīng)存在條件以來，越來越多的學(xué)者投身于土拱效應(yīng)的研究工作中。早期的土拱效應(yīng)研究主要集中在土拱的尺寸應(yīng)力研究中，隨著工程技術(shù)和計算機的發(fā)展，越來越多的研究集中在數(shù)據(jù)實測、模型試驗和數(shù)值模擬，部分成果已經(jīng)在基坑支護、邊坡抗滑樁中得到了良好的應(yīng)用。

如前所述，相較于其他土層，硬黏土的樁間土能獲得更大的尺寸。本文針對樁間土進行平面分區(qū)，并針對不同樁間距的土拱效應(yīng)進行數(shù)值模擬，同時對比不同樁形下土拱效應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變，試圖對黏土支護樁樁間土進行初步的分析研究。

2 黏土基坑樁間土的平面分區(qū)

根據(jù)土拱效應(yīng)的作用現(xiàn)象，可將支護樁樁間土分為五個區(qū)域，如圖1 所示。各區(qū)域特征如下。

圖1 樁間土平面分布

①A 區(qū)：土拱效應(yīng)主應(yīng)力區(qū)。相鄰支護樁形成的土拱效應(yīng)區(qū)域，其土體的應(yīng)力重分布直接作用在相鄰樁體上，空間效應(yīng)小，土拱樁體相對穩(wěn)定。

②B 區(qū)：土拱效應(yīng)邊緣區(qū)。位于A區(qū)與支護樁心連線的合圍區(qū)域，該區(qū)域為土拱效應(yīng)由弱過渡到無的區(qū)域。同時受到A 區(qū)的應(yīng)力影響和C 區(qū)的塌落影響。

③C 區(qū)：非土拱臨空區(qū)。該區(qū)域完全不受土拱效應(yīng)影響，處于基坑臨空區(qū)，主要受自重力、支護樁的黏結(jié)力、大氣滲透影響、樁間護面的側(cè)向力、基坑開挖擾動的影響。由于本區(qū)域不成拱且受力復(fù)雜，常成為黏土基坑樁間土破壞的主要區(qū)域，為樁間土主要塌落區(qū)。

④D 區(qū)：土拱效應(yīng)非主應(yīng)力區(qū)。該區(qū)域由于垂直距離支護樁較遠，因為可能在間隔1 根或多根支護樁時形成更大空間尺寸的土拱效應(yīng)，環(huán)套在A區(qū)以外。

⑤E 區(qū)：非土拱土體內(nèi)部區(qū)。該區(qū)域一般位于基坑深度1～2 倍以外，基本不受基坑開挖變形影響，從而不產(chǎn)生應(yīng)力重分布。

據(jù)上所述，本文主要針對A 區(qū)、B 區(qū)展開數(shù)值模擬分析，針對C 區(qū)提出相應(yīng)的處理措施。

3 不同樁間距下樁間土的數(shù)值模擬

本文采用較為常見的老黏土進行數(shù)值模擬，不考慮表層填土的影響。老黏土巖土構(gòu)成與工程特性為褐黃色、灰黃色，硬塑至堅硬，稍濕，含鐵錳結(jié)核及氧化物。切面光滑有光澤、干強度高、韌性高，具有弱膨脹潛勢，屬弱膨脹土，地基的脹縮等級為Ⅱ級。黏土參數(shù)如表1 所示。

表1 土體參數(shù)

基坑深度假定為5m，支護樁采用直徑0.9m 的C25鋼筋混凝土樁，不考慮成孔對土體的影響，分別模擬中心距為1.8m（2 倍樁間距）、2.7m（3 倍樁間距）、3.6m（4 倍樁間距）時樁間土的應(yīng)力應(yīng)變情況。

分別在MIDAS GTS/NX 軟件中建立模型，將支護樁背后1.5 倍樁間距網(wǎng)格進行精細化區(qū)分，僅考慮自重應(yīng)力作用下，樁間土的位移、應(yīng)力計算結(jié)果見圖2-圖7。

圖2 樁間距1.8m模型綜合位移圖

圖3 樁間距2.7m模型綜合位移圖

圖4 樁間距3.6m模型綜合位移圖

圖5 樁間距1.8m模型垂直于基坑方向應(yīng)力分布

圖6 樁間距2.7m模型垂直于基坑方向應(yīng)力分布

圖7 樁間距3.6m模型垂直于基坑方向應(yīng)力分布

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，分析結(jié)果如下。

①樁間土變形極值集中在中間臨空面區(qū)域（C區(qū)），隨著樁間距由2倍樁徑增大至4倍樁徑，樁間土變形不斷增大。

②隨著樁間距超過2 倍樁徑，樁間土背后區(qū)域（A、B 區(qū)）變形發(fā)展增大，土拱區(qū)域進一步擴大。

③樁間距增大到3 倍樁徑時，土拱不再成類弧形，而呈現(xiàn)出M 形，這也標(biāo)志著A區(qū)土拱效應(yīng)失效。

④樁間土的應(yīng)力集中主要在支護樁與土體交界面。樁間距越大，集中在樁體上的應(yīng)力也就越大。

⑤隨著樁間距增大，集中在樁體周圍的應(yīng)力泡逐漸增大，這也體現(xiàn)了土拱效應(yīng)應(yīng)力重分布的特征。

⑥如圖7 所示，樁間距過大，樁間土失去土拱效應(yīng)時，應(yīng)力集中效應(yīng)消失，證明樁間距超出了土拱效應(yīng)的空間尺寸要求。

4 不同樁形下樁間土的數(shù)值模擬

將圓形支護樁替換為邊長0.9m 的C25 鋼筋混凝土樁，不考慮成孔對土體的影響，模擬中心距2.7m（3 倍樁間距）時樁間土的應(yīng)力應(yīng)變情況。將支護樁背后1.5 倍樁間距網(wǎng)格進行精細化區(qū)分，僅考慮自重應(yīng)力作用下，樁間土的位移、應(yīng)力計算結(jié)果見圖8、圖9。

圖9 方樁間距2.7m模型垂直于基坑方向應(yīng)力分布

根據(jù)方樁數(shù)值模擬結(jié)果，并與圓樁進行對比分析可知：

①方樁樁間土的位移分布、應(yīng)力分布與圓樁基本相同；

②同等直徑和邊長的圓樁和方樁，方樁的A、B 區(qū)的變形更小，C 區(qū)變形更大；

③方樁應(yīng)力主要集中在樁背后，樁側(cè)應(yīng)力集中情況更小，變形更大，這證明方樁轉(zhuǎn)角位置對樁間土的土拱效應(yīng)有不利影響。

5 樁間土處理方法分析

目前，圓樁由于其施工多樣、適應(yīng)性強等特征，其應(yīng)用遠多于方樁。方樁樁間土的保護措施主要有三種方式。

方法一：在支護切面位置設(shè)置混凝土面層，如圖10 所示。防護對象為A、B、C 區(qū)土體，考慮土拱效應(yīng)，其主要防護對象為C 區(qū)土體，計算時宜按土體自重考慮側(cè)壓力。

圖10 樁間土防護方法一

方法二：在支護樁間設(shè)置混凝土面層，如圖11所示。防護對象為ABC區(qū)土體，考慮土拱效應(yīng)和護面位置，其主要防護對象為B 區(qū)和C 區(qū)部分土體，計算時宜按土體自重考慮側(cè)壓力。

圖11 樁間土防護方法二

方法三：在支護樁間按照基坑開挖由淺入深砌筑磚拱墻，此方法源自于早期人工挖孔樁的磚砌護壁，如圖12 所示。防護對象為A 區(qū)土體，考慮土拱效應(yīng)，作用在磚拱墻上的土壓力相對較小。

圖12 樁間土防護方法三

上述三種樁間土的防護方法，從受力效果上，方法三最優(yōu)；從施工方便而言，方法一最優(yōu)；從土方挖填上看，磚拱墻填挖量最大；從施工時間上看，磚拱墻最慢。通過優(yōu)缺點對比，發(fā)現(xiàn)方法二相對節(jié)約防護面積和土方量，且土方挖填量小，但植筋做法亦較為麻煩?？梢钥紤]預(yù)支薄壁輕質(zhì)材料制備成塊拱墻，然后在樁側(cè)設(shè)置植筋，采用卡扣可拆卸法對樁間土防護進行優(yōu)化。

6 結(jié)論

通過對樁間土拱效應(yīng)進行分區(qū)研究，對不同樁間距和樁形建立數(shù)值模擬分析，進一步認識了黏土樁間土拱效應(yīng)的特征，得出如下結(jié)論：

①黏土樁間土拱效應(yīng)的主要區(qū)域為A 區(qū)，而C 區(qū)為危險塌落區(qū)，需重點防護或采用磚拱墻法進行事前剝離；

②支護樁間距越大，土拱效應(yīng)越弱，黏土樁間距達到3 倍樁徑時，土拱效應(yīng)基本消失；

③同尺寸方樁具有更大的抗樁間土變形能力，但方樁棱角會削弱土體成拱路徑；

④采用不同的樁間土防護形式各有優(yōu)劣，應(yīng)結(jié)合工程實際情況，考慮造價和安全，綜合確定。