胡翔宇，徐書平，龐建成，李錫銀

(1.武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023；2.武漢華中巖土工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023；3.武漢武建機(jī)械施工有限公司，湖北 武漢 430030)

0 引 言

隨著基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的發(fā)展，鉆孔灌注樁加樁頂放坡卸土的支撐選型應(yīng)用越來越廣泛[1]，雖然對(duì)變形的控制及安全度不及樁撐支護(hù)，但其具備施工方便，便于土方開挖及土的上部結(jié)構(gòu)施工，較為經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)。因此，研究并改善該支護(hù)形式下邊坡的安全度和變形控制是一個(gè)重點(diǎn)。

在當(dāng)前的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員一方面為減小懸臂樁支護(hù)高度，常盡量采用壓低支護(hù)樁樁頂標(biāo)高的做法，以減小支護(hù)樁所承受的內(nèi)力如彎矩、剪力等，從而降低基坑支護(hù)體系的工程造價(jià)；但另一方面該做法必然導(dǎo)致增加了樁頂?shù)姆牌赂叨龋档土藰俄斶叺陌踩€(wěn)定性。

本文以武漢地區(qū)某基坑支護(hù)工程為例，對(duì)天然邊坡與人工開挖邊坡極限平衡法下分析結(jié)果差異進(jìn)行探討，并通過控制變量法分析總結(jié)出支護(hù)體系剛度、樁墻頂邊坡的坡比、邊坡土層參數(shù)等因素對(duì)樁墻上部邊坡穩(wěn)定性影響的一般規(guī)律。

1 工程概況

1.1 基坑工程概況

該基坑開挖深度約為8.2 m，基坑采用鉆孔灌注樁加樁頂斜土放坡的支護(hù)形式，如圖1所示。樁的材料取C30，樁長(zhǎng)15 m，樁頂二級(jí)放坡。離坡頂邊有15 kPa的堆載。工序是先打入灌注樁，然后對(duì)8.2 m基坑分七次開挖，前四次開挖是對(duì)邊坡開挖，后三次開挖挖至坑底。

圖1 基坑支護(hù)平面圖

1.2 土層參數(shù)選取

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，土層材料以及樁體材料參數(shù)選取見表1所示。

表1 基坑土層的材料參數(shù)表

2 模型的構(gòu)件

2.1 模型基本假定

本次采用巖土工程、結(jié)構(gòu)工程專用有限元分析軟件 ABAQUS進(jìn)行二維數(shù)值模擬計(jì)算分析基坑支護(hù)[2]。

由于巖土材料具有隨機(jī)和復(fù)雜的物理學(xué)特性，因此要將巖土材料的物理力學(xué)性能嚴(yán)格按照實(shí)際的施工步驟進(jìn)行完全數(shù)值模擬是十分困難的。因此在建模和計(jì)算過程中，應(yīng)采用由主及次的方法，重點(diǎn)考慮主要影響因素，忽略次要影響因素，選取適當(dāng)?shù)牧W(xué)假設(shè)并結(jié)合具體問題進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。

我們?cè)跀?shù)值模擬中引入以下假設(shè)：假定土介質(zhì)為彈性各向同性連續(xù)體，各層均為均質(zhì)。樁與周圍土體之間或土層之間沒有滑移或分離[3]。

2.2 二維模型建立

采用ABAQUS軟件對(duì)基坑開挖、地下空間結(jié)構(gòu)施工，以及鉆孔灌注樁加樁頂放坡的支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行二維數(shù)值模擬分析。以計(jì)算書中該基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的平面布置圖為根據(jù)，建立二維有限元計(jì)算模型。我們?cè)贏BAQUS軟件中以支護(hù)樁為中點(diǎn)，向兩邊各延長(zhǎng)30 m，土層總厚度取30 m，建模時(shí)將樁等效為寬0.8 m的地連墻，樁的材料取C30，樁長(zhǎng)15 m。離坡頂邊有15 kPa的堆載，等效為15 kPa的無限均布荷載。

對(duì)所有土層土體采用可變形實(shí)體單元模擬，服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[4]。對(duì)鉆孔灌注樁同樣采用可變形實(shí)體單元進(jìn)行模擬，原始彈性模量取30 000 MPa。

數(shù)值模型計(jì)算時(shí)，選取如下邊界條件：平面X=0和X=60處及模型的左右兩端限制其X方向的平動(dòng)位移自由度；模型底面限制X和Y兩個(gè)方向平動(dòng)自由度。

本次模擬主要是對(duì)兩種狀況下的邊坡模擬結(jié)果差異進(jìn)行探討，并通過控制變量法分析總結(jié)出支護(hù)體系剛度、彈性模量、樁墻頂邊坡的坡比、邊坡土層參數(shù)等因素對(duì)樁墻上部邊坡穩(wěn)定性影響的一般規(guī)律。

3 云圖結(jié)果與討論

3.1 對(duì)比天然邊坡與人工開挖邊坡

天然邊坡與人工開挖邊坡對(duì)比結(jié)果見表2。

表2 天然邊坡與人工開挖邊坡對(duì)比表

通過對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)，從安全系數(shù)角度來看，人工開挖邊坡安全系數(shù)大約在1.32，如圖2所示，而天然邊坡安全系數(shù)大約在1.55，如圖3所示。從ABAQUS模擬結(jié)果看，天然邊坡明顯較人工開挖邊坡更為穩(wěn)定。

圖2 人工邊坡安全系數(shù)圖

圖3 天然邊坡的安全系數(shù)圖

圖4 天然邊坡土層相對(duì)位移云圖

從土層相對(duì)位移云圖，我們可以發(fā)現(xiàn)天然邊坡土層已經(jīng)正常固結(jié)，幾乎不存在相對(duì)位移，如圖4所示。而人工開挖邊坡存在土的時(shí)空效應(yīng)，由于基坑開挖后上部土層被挖掉，原有的荷載平衡被打破，使邊坡及基地土方產(chǎn)生應(yīng)力釋放[5]，導(dǎo)致云圖中坑底土方和臨坡面變形隆起較大，甚至達(dá)到了9 cm，如圖5所示。因此，在巖土工程設(shè)計(jì)中不可將人工開挖邊坡等同于天然邊坡，開挖過程中的應(yīng)力釋放情況應(yīng)考慮進(jìn)去。

圖5 人工邊坡土層相對(duì)位移云圖

3.2 改變樁體彈性模量

改變樁體彈性模量，得出不同裝開下的樁頂水平位移云圖，如圖6～圖11所示。

圖6 原始條件下樁頂水平位移云圖

圖7 原始條件下樁頂邊坡安全系數(shù)

圖8 增大樁體彈性模量下樁頂水平位移云圖

圖9 增大樁下彈性模量樁頂邊坡安全系數(shù)

圖10 減小樁身彈性模量下樁頂水平位移云圖

圖11 減小樁身彈性模量樁頂邊坡安全系數(shù)

圖12 人工開挖邊坡的塑性貫通區(qū)

圖13 打入鉆孔灌注樁后邊坡的塑性貫通區(qū)

通過對(duì)比得出：天然邊坡的邊坡安全系數(shù)最大而人工開挖邊坡的穩(wěn)定性最差。在打入鉆孔灌注樁后開挖邊坡，邊坡的穩(wěn)定性有所提升。我們通過觀察這兩種工況下的邊坡塑性貫通區(qū)，如圖12、圖13所示，可以發(fā)現(xiàn)打入鉆孔灌注樁后原有的滑動(dòng)曲線被樁身攔截，并且鉆孔灌注樁強(qiáng)度足夠高到無法被剪斷，邊坡的滑裂面也有改變，因此邊坡強(qiáng)度提高，安全系數(shù)增加。

我們進(jìn)一步改變樁身彈性模量，隨著彈性模量增加，樁頂位移逐步減少(表3)，這說明樁身彈性模量的改變對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響不大，但是能在很大程度上影響樁身位移量。這是因?yàn)閺椥阅Ａ靠梢暈楹饬坎牧袭a(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，樁身越不容易變形，越能抵抗變形。但是邊坡安全系數(shù)變化不大，趨于定值，這是因?yàn)檫吰禄衙媲€的主要影響因素為填土的性質(zhì)和樁身光滑程度[6]。

表3 不同彈性模量下樁身位移與安全系數(shù)對(duì)比表

3.3 改變邊坡土層抗剪強(qiáng)度參數(shù)

不同土層抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)比結(jié)果見表4。

通過對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)：無論是邊坡穩(wěn)定性還是樁頂位移，增加土層的c、φ值，對(duì)其影響很大。減小土層的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，使第一層土為淤泥質(zhì)土，我們發(fā)現(xiàn)安全系數(shù)減小到0.99，此時(shí)邊坡開挖就會(huì)失穩(wěn)，若此條件下我們打入直徑為800 mm的灌注樁，邊坡穩(wěn)定性提升明顯，安全系數(shù)達(dá)到了1.08，如圖14、圖15所示，此時(shí)開挖邊坡較前者更為安全可靠，但是由于土質(zhì)較差帶來樁頂位移過大，深厚淤泥質(zhì)土層鉆孔灌注樁施工需要對(duì)樁采取加固手段。土層抗剪強(qiáng)度參數(shù)是該模擬中最大的影響因素。對(duì)于抗剪強(qiáng)度參數(shù)數(shù)值優(yōu)良的土質(zhì)環(huán)境，工程中可以直接采用放坡的支護(hù)形式，同樣安全可靠，而且更加經(jīng)濟(jì)高效。而對(duì)于淤泥質(zhì)土層或者黃土要尤其注意因開挖造成的邊坡失穩(wěn)情況[7]，要對(duì)淤泥質(zhì)土層邊坡開挖進(jìn)行邊坡支護(hù)。另外，土質(zhì)條件對(duì)樁身位移影響最大，較差土質(zhì)條件下，樁身位移量翻倍，需要進(jìn)一步對(duì)位移量進(jìn)行控制。

表4 不同土抗剪強(qiáng)度參數(shù)模擬結(jié)果對(duì)比表

圖14 減小土層參數(shù)樁頂邊坡安全系數(shù)

圖15 打入鉆孔灌注樁后邊坡安全系數(shù)

3.4 改變樁體剛度

不同剛度的灌注樁對(duì)比結(jié)果圖見表5。

表5 不同剛度樁身位移與安全系數(shù)對(duì)比表

圖16 600 mm樁徑時(shí)樁頂水平位移云圖

圖17 600 mm樁徑時(shí)樁頂邊坡安全系數(shù)

圖18 400 mm樁徑時(shí)樁頂水平位移云圖

圖19 400 mm樁徑時(shí)樁頂邊坡安全系數(shù)

通過對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)：無論樁剛度多大，都達(dá)不到天然邊坡的安全系數(shù)，但是相對(duì)于不打灌注樁的邊坡安全系數(shù)提升明顯。同時(shí)隨著樁徑逐漸減小，以及灌注樁剛度減小，樁頂位移顯著增加，如圖16～圖19所示，這是由于支護(hù)剛度越大的樁，它在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力就越大，進(jìn)而結(jié)構(gòu)彈性變形難易程度越難，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定自然變形小，即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性變形越小，因此樁身位移越小。同時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定性也有提高，但影響有限。

3.5 改變邊坡坡比

不同坡比下對(duì)比結(jié)果見表6。

表6 不同坡比樁身位移與安全系數(shù)對(duì)比表

通過將二級(jí)邊坡坡比變?yōu)?.67，邊坡整體變緩。我們發(fā)現(xiàn)：安全系數(shù)有部分提升，甚至快達(dá)到之前天然邊坡的安全系數(shù)。說明越緩和的邊坡越穩(wěn)定，工程上放坡支護(hù)時(shí)合理選取坡比也能達(dá)到經(jīng)濟(jì)的效果，低的坡比甚至能達(dá)到天然邊坡的穩(wěn)定效果，同時(shí)樁頂位移也有所改變，如圖20、圖21所示，這是因?yàn)槠露鹊母淖?，卸土量改變了，增加了卸土量，?dǎo)致樁頂?shù)目偤奢d減少，樁頂?shù)奈灰茰p少，灌注樁更加安全。

圖20 增大坡比后樁頂水平位移云圖

圖21 增大坡比后邊坡安全系數(shù)

4 結(jié) 論

根據(jù)上述的有限元分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

(1) 人工開挖邊坡相比天然邊坡更不穩(wěn)定，且存在因開挖卸荷導(dǎo)致應(yīng)力釋放引起的基底隆起現(xiàn)象，工程設(shè)計(jì)中要警惕并避免將兩者混淆；

(2) 灌注樁彈性模量的改變對(duì)樁頂邊坡的穩(wěn)定性的影響并不明顯，反而對(duì)基坑設(shè)計(jì)中的樁頂位移有較為明顯影響，彈性模量越大的樁，樁身位移越小。這是因?yàn)閺椥阅Ａ靠梢暈楹饬坎牧袭a(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，樁身越不容易變形，越能抵抗變形；

(3) 土層抗剪強(qiáng)度參數(shù)增加無論是對(duì)邊坡穩(wěn)定還是對(duì)樁頂位移都有著十分明顯的改善作用，因此土層抗剪強(qiáng)度越大，在其中進(jìn)行基坑開挖時(shí)越安全；而對(duì)于土質(zhì)條件較差的淤泥質(zhì)土層，開挖時(shí)邊坡安全系數(shù)會(huì)出現(xiàn)小于1的情況，開挖會(huì)導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。若打入鉆孔灌注樁可以明顯提升邊坡穩(wěn)定性，使邊坡趨于安全，但是由于土質(zhì)較差帶來樁頂位移過大，深厚淤泥質(zhì)土層鉆孔灌注樁施工需要對(duì)樁采取加固手段。灌注樁對(duì)開挖邊坡的邊坡穩(wěn)定性提升尤為明顯。

(4) 對(duì)于改變坡比發(fā)現(xiàn)：坡比和邊坡穩(wěn)定性成反比，坡比越小的邊坡，穩(wěn)定性越強(qiáng)，甚至能接近天然邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。邊坡的開挖在紅線范圍內(nèi)，適當(dāng)降低坡比能大幅提高安全系數(shù)。同時(shí)由于坡比減少，樁頂卸土量增加，樁頂荷載也因此減少，灌注樁樁身位移也較小，工程更加安全。

(5) 隨著樁徑逐漸減小，以及剛度減小，樁頂位移顯著增加，這是由于支護(hù)剛度越大的樁，它在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力就越大，進(jìn)而結(jié)構(gòu)彈性變形難易程度越難，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定自然變形小，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響有限。

(6) 與不打灌注樁的開挖邊坡相比，打入灌注樁的邊坡穩(wěn)定性有所提升。這是因?yàn)榇蛉脬@孔灌注樁后原有的滑動(dòng)曲線和塑性貫通區(qū)被樁身攔截，并且鉆孔灌注樁強(qiáng)度足夠高到無法被剪斷，因此邊坡強(qiáng)度提高，安全系數(shù)增加。

(7) 在我國目前的基坑工程實(shí)踐中，即便如廣泛使用的理正軟件等，均未考慮坡腳處支護(hù)樁頂剛度及變形對(duì)上部邊坡的安全影響，也未考慮在基坑土方開挖的過程中，地應(yīng)力釋放對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，只按極限平衡法進(jìn)行驗(yàn)算邊坡的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致人為地高估了邊坡穩(wěn)定性，容易在實(shí)際工程中出現(xiàn)樁頂邊坡越頂滑出的現(xiàn)象，導(dǎo)致基坑工程安全質(zhì)量事故的發(fā)生。本文的分析成果表明，采用極限平衡法對(duì)樁頂邊坡進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)滿足較大的安全系數(shù)的要求，以降低坡腳處由于下部基坑開挖對(duì)上部邊坡的不利影響，從而確?；庸こ痰陌踩?/p>