萬小龍， 李 聰，， 蔡亞峰， 李 宇， 林宇亮

(1.中國建筑第五工程局有限公司， 湖南 長沙 410117； 2.中南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410083)

0 引言

隨著我國城市化地不斷推進，城市用地緊張，用地矛盾突出的情況時有發(fā)生。城市區(qū)域內邊坡或基坑開挖經常遇到施工空間小、周邊環(huán)境復雜、重要建筑物多、無放坡空間等情況。樁錨支護結構因其突出的優(yōu)勢而被廣泛應用于各類邊坡和基坑工程中，近年來更是成為城市復雜條件下邊坡支護工程的首選支護形式。

關于樁錨支護結構的力學原理和工作性能，已有很多學者做過相關研究。肖武權等[1]進行了深基坑樁錨支護結構內力和變形的現(xiàn)場試驗，得到了排樁內力和變形的分布規(guī)律。蔡袁強等[2]運用巖土工程二維有限元軟件PLAXIS 進行了深基坑開挖全過程的模擬，得出了樁體變形和彎矩的分布規(guī)律，以及支撐軸力的分布規(guī)律。周勇等[3]深入考慮樁錨支護結構和土體之間的協(xié)同作用，改進了樁體內力計算的方法，并通過數(shù)值模擬驗證了該方法的正確性。王明龍等[4]采用數(shù)值建模的方式，著重討論了深基坑樁錨支護中樁內力變化規(guī)律。伊曉東等[5]運用有限元軟件ABAQUS進行了土巖二元地區(qū)深基坑樁錨支護結構變形分析，得出了土巖二元基坑支護中樁體的變形規(guī)律。

從以往學者們所做的研究來看，大多都只對基坑工程中的樁錨支護進行研究，而對邊坡工程中的樁錨支護則涉及較少。本文基于長沙市龍?zhí)列W-某大學間支路路塹邊坡支護工程實例，采用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬分析，對路塹邊坡開挖過程中樁體變形和受力的變化規(guī)律進行研究。

1 工程概況

龍?zhí)列W — 某大學間支護建設工程的起點為萬家麗北路，終點為湘龍路，設計路線全長1.3km。項目路基處理以挖方為主，K0+205～K0+525、K0+682～K0+965左側路塹邊坡地質組成主要為粉質粘土和強風化板巖，遇水易受沖刷和軟化，地質情況一般。部分邊坡切深達14m，且坡頂有重要的建筑物距道路紅線較近，受該大學側用地限制，無較大放坡空間。邊坡為永久性支護，設計使用年限為50 a。邊坡安全等級為一級，重要性系數(shù)取值γ0=1.1。

根據(jù)該工程地質詳細勘察報告，場地地層分布自上而下依次為： ①粉質黏土，層厚1.50～10.00m；②中風化礫巖，最大揭露厚度為20.5m；③ 強風化板巖，最大揭露厚度為22.3m；④ 中風化泥質板巖，最大揭露厚度為9.7m。此外，本線路段所有鉆孔均未見地下水。

2 邊坡支護設計方案

選取地質條件較差、邊坡支護高度較大、綜合安全系數(shù)較小的K0+490～K0+525段進行分析。該路段邊坡施工影響深度范圍內土質分為2層，上層為硬塑粉質黏土層，層厚為4.12m；下層為強風化泥質板巖?？紤]到邊坡開挖深度較大，該段邊坡工程采用樁錨支護結構形式，一共設置5排預應力錨桿，樁間距為2.0m，采用圓形樁，樁長24.5m，直徑1.0m，冠梁的截面尺寸均為1.0m×0.8m。邊坡支護剖面見圖1。

圖1 K0+490～K0+525段樁錨支護剖面圖(單位： m)

3 FLAC3D數(shù)值模型

3.1 模型的基本假定

1) 假定該支護結構變形滿足平面問題的基本條件。

2) 假定該錨索為完全彈性體，錨索采用錨索單元。

3) 假定土體為彈塑性材料，模擬其塑性特性時屈服條件符合庫倫摩爾屈服準則。

3.2 模型概況

根據(jù)工程經驗以及FLAC3D數(shù)值軟件的計算結果，邊坡開挖影響寬度約為開挖寬度的3～4倍，影響深度約為開挖寬度的2～4倍，考慮到本邊坡工程開挖深度為13.5m，故所建模型的尺寸定為85m×12m×48.5m(長×寬×高)。模型中土體采用實體單元，支護樁采用Pile結構單元，腰梁采用Beam結構單元，錨索采用Cable結構單元(一共采用5排錨桿，上3排錨桿預應力為200kN，下2排錨桿預應力為500kN)，噴射混凝土采用Liner結構單元。模型各部分位置和尺寸均按照圖1建立，F(xiàn)LAC3D全局模型如圖2所示，支護體系如圖3所示。

a) 開挖前

圖3 模型支護系統(tǒng)

3.3 材料參數(shù)的選取

根據(jù)實際工程地質勘察資料和設計資料，以及查閱相關規(guī)范，確定了本模型所有材料的物理力學參數(shù)，如表1、表2所示。

表1 巖土體的特征參數(shù)情況土層名稱土層厚度/m泊松比ν體積模量K/MPa剪切模量G/MPa硬塑粉質黏土40.3012.55.77強風化泥質板巖—0.2832.722.5凝聚力c/kPa內摩擦角φ/(°)抗拉強度τ/MPa重度γ/(kN·m-3)28200.018.045280.423.5

表2 混凝土及錨索參數(shù)材料名稱材質重度γ/(kN·m-3)泊松比ν彈性模量E/(GPa)預應力值(kN)噴射混凝土C20250.2025.5—樁、腰梁混凝土C35250.2031.5—錨索1(上3排)5束?s15.2780.25195.0200錨索2(下2排)6束?s15.2780.25195.0500

3.4 計算工況

本模型的具體計算工況如表3所示。

表3 模擬計算工況工況邊坡開挖累計深度/m支護設置11.0在0 m處設置冠梁和第1排錨桿23.5在3 m處設置第2排腰梁和第2排錨桿36.5在6 m處設置第3排腰梁和第3排錨桿49.5在9 m處設置第4排腰梁和第4排錨桿512.5在12 m處設置第5排腰梁和第5排錨桿613.5邊坡開挖結束

4 排樁變形和受力模擬結果及分析

路塹式邊坡的開挖是一個動態(tài)過程，邊坡垂直開挖是對土體進行卸載的過程。樁錨支護結構的內側卸去原有土壓力，受到另一側土體施加的主動土壓力?？拥字ёo結構內側受全部或部分被動土壓力，導致邊坡土體和支護結構產生相應的變形和位移[6]。

樁錨支護體系中排樁是最主要的擋土防護結構，也是樁錨支護體系設計最主要的考慮因素。因此，加強對樁錨支護結構中排樁的變形和受力研究，能更清楚地認識樁體在邊坡開挖過成中的變形和受力機理，進而可為樁錨支護結構的設計和施工提供理論依據(jù)。為了更好地實現(xiàn)樁錨支護結構在邊坡支護工程中的應用，以及更好地保證樁錨支護體系的經濟型和安全性，本文從樁錨支護結構中排樁設計的控制性因素出發(fā)，主要對樁體側向變形、樁體彎矩和樁體剪力進行分析。

本文所建模型共有6根樁，此處提取1根中間樁的數(shù)據(jù)進行分析，這樣能更好的消除邊界條件對計算結果的影響，使分析結果更加接近實際情況。

4.1 樁體側向位移分析

樁體在不同工況下的側向位移情況如圖4所示，開挖完成后樁體的側向位移云圖如圖5所示。圖中位移值為負時代表樁體發(fā)生了朝向土體一側的位移，位移值為正則說明樁體發(fā)生了朝向臨空面一側的位移。

圖4 不同工況下樁體側向位移

圖5 開挖完成后樁體側向位移云圖(單位： m)

由圖4可知： ①工況1～4樁體發(fā)生的皆是向土體側位移，說明樁錨結構中錨桿預應力對樁體側向位移起到了很好的控制作用，由于所施加的預應力較大，樁體在錨桿預應力作用下不但平衡了墻后主動土壓力，還產生了向土體側位移。 ② 如工況5下位移圖所示，隨著開挖深度進一步加大，開挖段的樁體側向位移由向土體一側轉向臨空面。其位移最大值為6.6mm，最大值位置在距樁頂5m處，樁體側向位移較大的部位是開挖段樁體中部，樁頂位移為3.6mm，比樁體最大位移小3mm。而開挖面以下的樁體同樣向臨空面一側位移，此段樁體最大位移值在樁底端，為4.4mm。 ③ 工況6相對于工況5向下開挖了1m深度，雖然開挖深度并不大，但樁體側向位移增加非常明顯。工況6邊坡開挖深度達到13.5m，此時樁體最大位移值為12.7mm，其位置在距樁頂4.5m處，位移分布形式與工況5類似，樁頂位移11mm，較工況5增大了7.4mm，增長明顯。樁底位移較工況5有所減小，開挖面以下樁體位移基本接近。

由圖5可知，每根樁的位移趨勢基本一致，可見受邊界條件影響較小。

4.2 樁體彎矩分析

樁體在不同工況下的彎矩分布如圖6所示，開挖完成后樁體彎矩云圖如圖7所示。

圖6 不同工況下樁體彎矩分布

圖7 開挖完成后樁體彎矩云圖(單位： N·m)

由圖6可知： ① 工況1和工況2由于開挖深度較小，彎矩比較小，且彎矩變化不大。這2個階段彎矩值基本為負值，最大負彎矩為-201kN·m，出現(xiàn)在工況1階段，而工況2由于土體開挖卸載和錨桿的一系列相互作用反而彎矩有所減小。② 隨著開挖進行，樁體彎矩出現(xiàn)明顯增加，且樁體彎矩最大值隨開挖進行不斷向樁體下端移動，工況3最大正彎矩為97.6kN·m，發(fā)生在距樁頂7m處，最大負彎矩為-147.5kN·m，發(fā)生在距樁頂4m處。 ③ 工況4最大正彎矩為407.1kN·m，也是整個開挖過程中樁體出現(xiàn)的最大正彎矩值，發(fā)生在距樁頂9.5m處，最大負彎矩為-318.4kN·m，發(fā)生在距樁頂5m處；工況4較工況3的樁體彎矩有顯著增加，此段土體開挖對樁體彎矩有明顯影響。 ④ 工況5相對工況4來說，最大正彎矩繼續(xù)向樁體底端移動，但最大正彎矩值較工況4有所減小，而最大負彎矩值為-393.1kN·m，也是整個開挖過程中樁體出現(xiàn)的最大負彎矩。 ⑤ 工況6較工況5向下開挖了1m深度，但其彎矩分布曲線較工況5變化很小，僅由于開挖卸載的作用，樁體在樁高為10～12.5 m處彎矩較工況5有所減小，而其他部位變化不明顯。 ⑥工況1～3的樁體在樁高為0～14m的樁段內彎矩較小，且變化較小，從工況4開始，此段樁體的彎矩有明顯增加；從工況5開始，此段樁體由受負彎矩變?yōu)槭苷龔澗?。?錨桿作用點處的樁體彎矩往往出現(xiàn)突變，說明預應力錨桿對樁體彎矩有很好地控制效果。

由圖7可知，每根樁的彎矩云圖基本一致，可見受邊界條件影響較小。

4.3 樁體剪力分析

樁體在不同工況下的剪力分布如圖8所示，邊坡開挖完成后樁體剪力云圖如圖9所示。

a)

圖9 開挖完成后樁體剪力云圖(單位： N)

由圖8可知: ① 預應力錨桿對樁體剪力影響很大，設置錨桿的位置即樁體剪力的極值點。錨桿通過施加預應力給樁體作用了一個集中力，所以該點的樁體剪力會出現(xiàn)突變趨勢，與實際相符。 ② 隨著開挖進行和錨桿的施加，下一工況都比上一工況多一個極值點。而工況6雖然沒有增加錨桿，但是開挖面的土體也具有支點效果，所以工況6較工況5，在臨近開挖面處多一個極值點，這與圖6中彎矩的變化趨勢一致。 ③ 從工況1～4，樁體剪力迅速增大，每步工況下樁體剪力絕對值的最大值都發(fā)生在新增錨桿的位置。且整個施工過程中的剪力最大值出現(xiàn)在工況4中，這與彎矩最大值出現(xiàn)在工況4一致，該剪力最大值為360kN，位置在距樁頂9m處，位于第4排錨桿上方0.5m處。 ④ 工況5較工況4剪力最大值有所減小，工況5剪力最大值258kN，與工況4的剪力最大值處于同一位置。工況6較工況5除了在開挖面附近新增一個極值點外，其他部位的剪力較工況5略微有所減小。⑤ 樁高10m以下的這段樁體，工況1～3剪力非常小，這主要是工況1～3開挖深度較小，此段樁體幾乎還沒發(fā)生什么變形，這與圖4中樁體側向位移的結果相符。隨開挖進行，從工況4到工況6，此段樁體剪力有明顯增加。但此段樁體埋在土中，變形較小，所以其剪力值較上部樁體小得多，最大值不超過100kN。

同樣由圖9可知，每根樁的剪力云圖基本一致，再一次證明了數(shù)值計算結構受邊界條件影響小。

5 結論

綜上所述，可得出以下幾點結論：

1) 預應力錨桿對排樁的側移有明顯的約束作用。當錨桿預應力較大、邊坡開挖深度較小時，排樁的側向位移很小，甚至會由于錨桿的作用而發(fā)生朝向土體一側的位移。但隨著邊坡開挖深度增加，排樁朝向臨空面的側移將明顯增大。在本工程實例中，樁體最大側移為12.7mm，此時的開挖深度為13.5m。

2) 預應力錨桿以集中力的形式作用于樁體上，不僅對樁體變形有很好的控制作用，對樁體彎矩和剪力也有很好的控制作用，避免了類似懸臂樁出現(xiàn)剪力和彎矩很大的情況，樁錨支護結構的安全性更好。在本工程實例中出現(xiàn)的剪力最大值為360 kN，彎矩最大值為401.7 kN，2者均發(fā)生在工況4。

3) 研究結論與文獻[1]～[10]中所得結論相比，雖然因工程實際條件不同而在數(shù)據(jù)上有差別，但整體變化規(guī)律和趨勢基本一致，說明本文建模方法正確、所得數(shù)據(jù)正確、結論可靠。