董 捷 趙 聰 鄧建義

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000；3.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，滑坡治理成為一項(xiàng)越來(lái)越重要的工程，而用抗滑樁對(duì)其進(jìn)行治理是一種應(yīng)用較廣并且還有效的治理措施.樁板墻是一種新型的邊坡加固結(jié)構(gòu)，是抗滑樁和擋土板的結(jié)合體，代替了高大的重力式擋土墻，在邊坡防護(hù)方面具有良好的加固效果[1-3].樁板墻結(jié)構(gòu)加固邊坡的穩(wěn)定與否主要由懸臂樁決定，懸臂樁嵌入段地層的地基承載力決定了懸臂樁所能提供的抗力大小及邊坡的加固效果.部分學(xué)者研究認(rèn)為，樁身嵌固段巖土體的強(qiáng)度特性在很大程度上影響著樁身的側(cè)向位移的大小.工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，相同條件下嵌固段的巖土體強(qiáng)度越高，樁頂?shù)钠屏吭叫4].在軟弱黃土地區(qū)樁體嵌固段地層的地基系數(shù)較小，巖土體強(qiáng)度較低，為防止樁前地基的橫向變形，可以采用旋噴樁對(duì)樁前及樁端地基進(jìn)行加固，旋噴樁加固砂土、粉質(zhì)黃土等軟弱地基，可以提高地基承載力，提高地基對(duì)懸臂樁的約束能力，增強(qiáng)樁板墻對(duì)邊坡的加固效果[5-8].

由于樁板墻模型試驗(yàn)受造價(jià)、尺寸效應(yīng)等因素的影響，因此有一定的局限性，而數(shù)值模擬能較好的避免因模型尺寸效應(yīng)、形狀及荷載差異等因素而導(dǎo)致模型準(zhǔn)確性較差的問(wèn)題，同時(shí)可以方便的進(jìn)行多種工況的模擬分析，目前使用比較廣泛[9-12].因此，本文以蒙華煤運(yùn)通道新建三門(mén)峽車(chē)站樁板墻試驗(yàn)段為依托，采用數(shù)值模擬，建立了樁板墻的有限差分?jǐn)?shù)值模型，通過(guò)對(duì)樁板墻樁前軟弱地基進(jìn)行旋噴樁不同深度和布置間距的加固，對(duì)比分析了樁板墻的彎矩和位移的演變規(guī)律，旨在探求合理的旋噴樁加固深度和間距，從而為旋噴樁深度和間距選擇的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)依托工程提供理論指導(dǎo).

1 工程背景

蒙華煤運(yùn)通道新建三門(mén)峽車(chē)站是新建蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道MHTJ-14標(biāo)段的組成部分，該標(biāo)段起訖里程為DIIK646+440.36～DIIK691+361.53，正線長(zhǎng)度40.896公里，聯(lián)絡(luò)線0.25公里.車(chē)站范圍內(nèi)地層為第四系砂質(zhì)新黃土，黃褐色～褐黃色，垂直節(jié)理發(fā)育，具大孔隙，表層大部具有濕陷性，易產(chǎn)生黃土的滑坡和堆塌.

車(chē)站地處黃土軟弱地基，由于黃土地基較松軟、承載力相對(duì)較低，地層側(cè)向地基抗力系數(shù)相對(duì)較小，且設(shè)置錨索缺乏必要的錨固條件，為防止樁板墻因樁前地基側(cè)向承載力不足而產(chǎn)生較大的側(cè)向位移或整體傾覆現(xiàn)象，須對(duì)樁板墻樁前軟弱地基進(jìn)行加固處理.高壓旋噴樁加固黃土軟弱地基是一種可行、便捷的手段[13-14].該工程擬采用旋噴樁對(duì)樁前地基進(jìn)行加固，以提高樁前黃土嵌固段地層的側(cè)向承載力，有效控制樁板墻因嵌固段壓縮變形而產(chǎn)生過(guò)大的側(cè)向位移.針對(duì)該工程典型斷面建立數(shù)值分析模型，對(duì)旋噴樁的不同加固深度和空間布置間距開(kāi)展多工況數(shù)值分析模型研究，進(jìn)一步探討樁前施工旋噴樁的作用機(jī)理及作用效果，為工程設(shè)計(jì)施工提供科學(xué)依據(jù).

2 數(shù)值模擬的建立

圖1 模型示意圖

以擬施工的蒙華鐵路三門(mén)峽車(chē)站樁板墻試驗(yàn)段為依托，采用FLAC3D建立有限差分?jǐn)?shù)值模型，對(duì)樁板墻樁前軟弱地基加固，進(jìn)行數(shù)值模擬分析.本次數(shù)值模型由土體、樁板墻和旋噴樁共同組成，如圖1所示.由于邊界范圍的取值對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響較大，因此，模型在樁板墻的前后區(qū)域取了較大的計(jì)算范圍，以降低邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響[4].模型樁前軟弱地基土所取的范圍是40 m×12 m×40 m，樁板墻的抗滑樁正截面寬度為3 m，樁身的總長(zhǎng)度為26 m，懸臂段總長(zhǎng)度為8 m，樁身嵌入土體的長(zhǎng)度為18 m.假定開(kāi)挖范圍內(nèi)的土體較為均勻，樁前土開(kāi)挖深度共8 m，開(kāi)挖前對(duì)樁前土進(jìn)行加固處理，開(kāi)挖工作分2次進(jìn)行，每次開(kāi)挖4 m.旋噴樁加固寬度與樁間距根據(jù)不同情況進(jìn)行調(diào)整.

2.1 參數(shù)選擇

樁板墻和巖土體采用實(shí)體單元，旋噴樁采用Pile單元進(jìn)行計(jì)算模擬.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，并且采用Mohr-Coulomb屈服條件[15-20].模型的計(jì)算需要不斷改變其中的一些計(jì)算參數(shù)，但部分參數(shù)是固定不變的，將其稱之為基本參數(shù)，擬定基本參數(shù)如表1所示.

表1 材料基本參數(shù)表

2.2 邊界條件及開(kāi)挖步驟

為了防止邊界范圍對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響，更好的模擬實(shí)際情況，本次分析采用對(duì)稱邊界條件，模型主要承受Z向的自重應(yīng)力作用，對(duì)模型底面施加固定約束，在模型y=0 m及y=12 m附近的邊界上施加y方向的位移，在模型x=0 m及x=120 m處施加對(duì)稱約束.開(kāi)挖步驟如下：①平衡邊坡土體地應(yīng)力，平衡初始位移；②在x=40 m處設(shè)立長(zhǎng)度為26 m的抗滑樁，并對(duì)樁前軟弱地基土體進(jìn)行不同寬度和不同深度的旋噴樁群加固地基；③開(kāi)挖樁板墻樁前土體；④計(jì)算并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析.

3 結(jié)果分析

3.1 樁前土未采用旋噴樁加固分析

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，在旋噴樁未加固時(shí)，由于樁板墻樁后邊坡土體自重應(yīng)力而產(chǎn)生推力的作用，抗滑樁在X方向產(chǎn)生較大的位移，樁頂側(cè)向位移達(dá)到101.36 mm，開(kāi)挖面位移63.66 mm，樁底位移為42.11 mm，加固區(qū)土體在抗滑樁的擠壓下產(chǎn)生反推力作用，使抗滑樁埋深段的位移小于懸臂段的位移，整個(gè)樁身位移從樁頂?shù)綐兜字饾u減小.抗滑樁由于側(cè)向偏移和土體擠壓的共同作用，抗滑樁樁背自樁頂起向下8 m左右，在Z向有較大的位移，最大位移為17.45 mm.樁前加固區(qū)的上部土體開(kāi)挖后，加固區(qū)土體由于抗滑樁的擠壓和上部卸荷的共同作用產(chǎn)生隆起變形的現(xiàn)象，最大位移為67.03 mm，并隨著距樁板墻水平距離的增加而減小.

3.2 樁前土采用不同樁間距加固的效果分析

3.2.1 加固后樁板墻樁身彎矩分析

為研究抗滑樁樁前地基土進(jìn)行不同樁間距的旋噴樁加固對(duì)樁板墻的樁身承載力和樁體位移的影響，本文選擇旋噴樁的樁間距為0.2 m、0.5 m、0.8 m、1.1 m、1.4 m五種工況，對(duì)該工況進(jìn)行軟件數(shù)值模擬，對(duì)樁體變形進(jìn)行對(duì)比分析.

圖2 不同樁間距的樁身彎矩

圖2為不同樁間距的旋噴樁加固時(shí)，樁板墻的樁身彎矩和最大彎矩的分布曲線.該圖表明：①在相同樁間距時(shí)，隨著旋噴樁加固深度的增加樁板墻的樁身彎矩逐漸增加；②除樁間距為0.2 m時(shí)，樁身彎矩最大位置基本位于旋噴樁加固頂面下8 m附近，并且達(dá)到最大彎矩后，樁板墻的樁身彎矩隨埋深的增加急劇減??；③樁間距為0.2 m時(shí)，土體發(fā)生不規(guī)則的水平變形，具體表現(xiàn)為樁身最大彎矩的位置不一，分布散亂且無(wú)規(guī)律的增大，說(shuō)明此時(shí)土體變形不均勻、不協(xié)調(diào)，綜合上述分析可得，樁間距為0.2 m時(shí)不合適.樁身彎矩越大，抗滑樁承受樁后土壓力越明顯，抗滑樁的支擋效果越好，所以，加固深度越大，抗滑樁的支擋效果越好.

值得注意的是，由圖2(f)可以看出：①旋噴樁加固深度相同時(shí)，隨著樁間距的增加，抗滑樁的樁身最大彎矩出現(xiàn)增大的趨勢(shì)，當(dāng)樁間距達(dá)到0.8 m時(shí)，不再進(jìn)一步增大，變化放緩；②旋噴樁樁間距在0.5 m、0.8 m、1.1 m、1.4 m時(shí)，加固深度的增加對(duì)樁身彎矩的增大基本可以忽略.

3.2.2 加固后樁板墻的樁身變形分析

圖3 隨樁間距變化的樁頂位移和樁身位移

從上述樁板墻的樁頂和樁身的變形曲線可以看出：①樁板墻的樁頂側(cè)向位移在旋噴樁未加固樁前土?xí)r為101.36 mm，旋噴樁加固6 m時(shí)為82.868 mm，減少了18%，說(shuō)明旋噴樁加固可以有效的減小樁頂側(cè)向位移；②樁板墻的樁身位移隨著樁間距的增大逐漸增大，旋噴樁的樁間距相同時(shí)，從樁頂?shù)綐兜椎臉栋鍓Φ臉渡砦灰浦饾u減小，并從樁身彎矩最大位置處到樁底位移變化趨于穩(wěn)定.

圖4 隨樁間距變化的樁-土應(yīng)力比和地面隆起位移

對(duì)指定節(jié)點(diǎn)追蹤其應(yīng)力和位移，得出加固區(qū)地面隆起位移和樁-土應(yīng)力比，如圖4所示.從圖4可以看出：①加固深度為3 m和6 m時(shí)，樁-土應(yīng)力比隨著樁間距的增加逐漸減??；②加固深度為9 m、12 m和16 m時(shí)，隨樁間距的增加樁-土應(yīng)力比先增大后減小，樁間距為0.5 m時(shí)樁-土應(yīng)力比最大；③理論上樁-土應(yīng)力比越大，即傳遞到抗滑樁上的應(yīng)力越大，抗滑樁承受的壓力越大，抗滑樁的支擋效果越好，因此，當(dāng)樁間距在0.5 m左右時(shí)，抗滑樁的支擋效果較好.

地面隆起位移在加固深度相同時(shí)，隨著樁間距的增大，呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，并且從0.2 m到1.4 m，隆起位移增大的速率逐漸減小，樁間距超過(guò)0.8 m后，曲線變化放緩，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，減小旋噴樁的樁間距可以控制地面隆起.結(jié)合實(shí)際情況和樁體變形的結(jié)果分析可以得出，當(dāng)樁間距在0.5 m～0.8 m時(shí)，可以取得較好的加固效果和經(jīng)濟(jì)效益.

3.3 樁前土采用不同樁深加固的效果分析

本文選擇旋噴樁的加固深度為3 m、6 m、9 m、12 m、16 m五種工況，對(duì)該工況進(jìn)行軟件數(shù)值模擬，對(duì)樁體變形進(jìn)行對(duì)比分析.

通過(guò)大量的有限元分析結(jié)合圖5發(fā)現(xiàn)：①在旋噴樁的樁間距分別為0.2 m、0.5 m、0.8 m、1.1 m和1.4 m時(shí)，樁板墻的樁頂側(cè)向位移隨著加固深度的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢(shì)，并最終成穩(wěn)定發(fā)展的態(tài)勢(shì)，旋噴樁的加固深度的增加不能一直有效的減小樁板墻的樁頂側(cè)向位移；②樁板墻的樁身位移隨著旋噴樁加固深度的增加逐漸減小，其樁頂位移的變化速率較為緩慢，從樁頂?shù)綐兜诇p小速率逐漸增大.

圖5 隨加固深度變化的樁頂位移和樁身位移

隨加固深度變化的樁-土應(yīng)力比和地面隆起位移見(jiàn)圖6.隨著旋噴樁加固深度的增加，樁板墻的樁-土應(yīng)力比逐漸增加，也就是說(shuō)，在樁前土體旋噴樁加固深度大的邊坡，樁板墻的抗滑樁所承擔(dān)的土體推力要大，抗滑樁的單樁受力比較大，所以旋噴樁加固深度的增加可以提高抗滑樁的支擋效果，但他們的關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的直線關(guān)系.以樁間距0.5 m為例：①樁前土從未加固增加到加固深度3 m時(shí)，樁-土應(yīng)力比增長(zhǎng)較快，變化率為4%；②從3 m增加到6 m時(shí)，變化率為1%；從6 m增加到9 m和12 m時(shí)，僅為0.3%；③從12 m增加到16 m時(shí)，下降了0.1%；④由此可得，加固深度的不斷增加并不能一直有效的提高抗滑樁的支擋能力.

地面隆起位移隨著旋噴樁加固深度的增加逐漸減小，但減小趨勢(shì)逐漸變緩，加固深度的增加在一定程度上有利于減小地面隆起位移.結(jié)合實(shí)際情況和分析結(jié)果可以得出，旋噴樁加固深度的不斷增加并不能取得相應(yīng)的加固效果和經(jīng)濟(jì)效益，考慮實(shí)際施工難易程度和施工成本，加固深度在樁板墻嵌固段上部1/3～1/2長(zhǎng)度處，可以取得較好的加固效果和經(jīng)濟(jì)效益.

圖6 隨加固深度變化的樁-土應(yīng)力比和地面隆起位移

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)樁前地基中旋噴樁不同加固長(zhǎng)度、間距時(shí)樁身彎矩、樁體水平變形、加固區(qū)地面變形進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)：

(1)旋噴樁的加固增強(qiáng)了樁板墻的懸臂承載效應(yīng)，有效限制了樁板墻的樁身變形；樁前地基土的側(cè)向承載能力有顯著提高，使樁板墻對(duì)樁后土體產(chǎn)生了一定程度的“主動(dòng)”反壓力，樁背承受的土壓力隨之增長(zhǎng)，更好地發(fā)揮了樁身抗彎承載的特性.

(2)樁板墻的樁身位移和加固區(qū)的地面隆起位移隨旋噴樁樁間距的減小而降低，結(jié)合樁身彎矩、樁-土應(yīng)力比的變化趨勢(shì)，綜合考慮工程經(jīng)濟(jì)性及樁板墻的作用效果，嵌固段旋噴樁的樁間距控制在0.5 m～0.8 m時(shí)抗滑樁的支擋效果較好.

(3)隨著旋噴樁加固深度的增加，樁板墻樁-土應(yīng)力比逐漸增加，但當(dāng)旋噴樁加固深度超過(guò)嵌固段1/2后，增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸減弱，此時(shí)旋噴樁加固深度的增加對(duì)進(jìn)一步提高樁板墻側(cè)向抗力的效果不明顯.綜合考慮樁體變形和加固效果，旋噴樁加固至樁板墻嵌固段上部1/3～1/2范圍效果較好.

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