續(xù) 辰 翁勃航 蘇麗媛

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)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(hù)結(jié)構(gòu)要求也進(jìn)一步提高。由于膨脹土地區(qū)土質(zhì)具有遇水膨脹，失水收縮的特殊性，使該地區(qū)基坑支護(hù)較其他地區(qū)困難；再加上城市用地緊張，支護(hù)空間狹小，施工紅線限制等因素，如何安全經(jīng)濟(jì)地解決膨脹土地區(qū)基坑支護(hù)問題，成為該地區(qū)的一個研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。

雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在膨脹土地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，取得了較好的效果。其作為超靜定結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)顯著，具有整體剛度大、側(cè)向位移小、占地面積少、不超用地紅線、施工期較短等特點(diǎn)［1-4］。

但雙排樁的研究還遠(yuǎn)滯后于其工程運(yùn)用，尤其是膨脹土脹縮性使雙排樁的相互作用關(guān)系更加復(fù)雜。對于樁身膨脹力在水平方向分布形式的確定，學(xué)者們眾說紛紜，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。有的認(rèn)為符合三角形分布，也有的認(rèn)為是矩形分布或是梯形分布［5-6］。其設(shè)計施工考慮的因素也比一般情況要復(fù)雜得多。因此如何結(jié)合膨脹土特性，研究雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形，使雙排樁在膨脹土地區(qū)充分發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢，成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

筆者依托成都某深基坑工程展開研究，基于FLAC3D結(jié)合強(qiáng)度折減法進(jìn)行分析。通過建立數(shù)值模型，研究加錨雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁身位移，分析在加錨雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)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(xué)院，基坑最大深度21.0 m，其部分采用加錨雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)。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(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。

圖1 加錨雙排樁支護(hù)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(qiáng)度減小的特點(diǎn)，必須對其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行折減［7-8］，該研究將強(qiáng)度折減法引入有限差分法計算中［9］，對加錨索雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2 數(shù)值模型的建立

基于摩爾—庫倫準(zhǔn)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(cè)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(zhǔn)則，且其彈性模量和泊松比不會隨施工的進(jìn)行而產(chǎn)生變化；③假設(shè)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(hù)結(jié)構(gòu)的模擬給出了兩種方法。實(shí)體單元方法通過生成網(wǎng)格來模擬樁單元，在樁側(cè)設(shè)置interface 命令來實(shí)現(xiàn)樁土的相互作用。其優(yōu)點(diǎn)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(shí)體單元則不容易提取出數(shù)據(jù)，且實(shí)體單元與結(jié)構(gòu)單元的連接處理較為困難。結(jié)構(gòu)單元方法則通過節(jié)點(diǎn)、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(diǎn)的法向和切向彈簧模塊來實(shí)現(xiàn)樁土相互作用，其優(yōu)點(diǎn)是可以輕松實(shí)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(jié)構(gòu)單元節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)的連接較為復(fù)雜且易出錯。

故為更好地貼合工程實(shí)際，將支護(hù)結(jié)構(gòu)用實(shí)體單元進(jìn)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(zhì)對樁身的位移內(nèi)力影響占主導(dǎo)地位，土層性質(zhì)受到現(xiàn)場復(fù)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(qiáng)度，但其一旦遇水膨脹，膨脹土內(nèi)摩擦角與黏聚力便會發(fā)生大幅度折減，強(qiáng)度會大幅度下降，導(dǎo)致基坑失穩(wěn)破壞。為了能更好地為設(shè)計施工提供借鑒，這里選取兩點(diǎn)即內(nèi)摩擦角與黏聚力進(jìn)行研究分析。為探究內(nèi)摩擦角、黏聚力折減對基坑整體水平位移及支護(hù)結(jié)構(gòu)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(jìn)行對比分析。

3.1 不同黏聚力分析

在設(shè)計施工中，土體黏聚力對支護(hù)結(jié)構(gòu)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(chǔ)上新增粉質(zhì)黏土層黏聚力為22 Pa、25 Pa、28 Pa三種工況。通過FLAC3D軟件進(jìn)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(dāng)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(dāng)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(nèi)摩擦角分析

不同內(nèi)摩擦角取值見表2。由圖4 可知，隨著內(nèi)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(dāng)內(nèi)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(dāng)內(nèi)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(nèi)摩擦角的增加，其降幅逐步增加。

圖4 不同內(nèi)摩擦角下加錨雙排樁樁身位移

表2 不同黏聚力及內(nèi)摩擦角取值

綜上所述，土體內(nèi)摩擦角與黏聚力的減小都會導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)整體水平位移增大，且土體黏聚力減小導(dǎo)致加錨雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)樁身水平位移的增幅要大于土體內(nèi)摩擦的減小導(dǎo)致加錨雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)樁身水平位移的增幅。故在膨脹土設(shè)計中要格外注意膨脹土的分布，確定膨脹土的性質(zhì)，合理選取土體內(nèi)摩擦角與黏聚力的折減系數(shù)。尤其要注意降雨導(dǎo)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(jié)語

結(jié)合成都地區(qū)某基坑工程進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究，考慮膨脹土特性，對c、φ值進(jìn)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(hù)結(jié)構(gòu)樁身位移的位移云圖對比，得到以下結(jié)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(hù)結(jié)構(gòu)水平位移小幅減小。建議實(shí)際設(shè)計中要明確膨脹土分布情況及性質(zhì)，以便結(jié)合膨脹率試驗(yàn)對土體黏聚力進(jìn)行合理折減。

②內(nèi)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(hù)結(jié)構(gòu)水平位移小幅減小。建議實(shí)際設(shè)計中要明確膨脹土分布情況及性質(zhì)，以便結(jié)合膨脹率試驗(yàn)對內(nèi)摩擦角進(jìn)行合理折減。

③該研究雖然對c、φ值進(jìn)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。