徐 輝

(安徽省宣城市宣州區(qū)水利局，安徽 宣城 242000)

0 引 言

三軸攪拌樁具有強(qiáng)度高、抗?jié)B性好等優(yōu)點(diǎn)，而且其施工工期較短，具有一定的經(jīng)濟(jì)性，已被廣泛應(yīng)用于基坑工程中。三軸攪拌樁的力學(xué)性能和變形特性是影響其穩(wěn)定性的主要因素。

近年來，許多專家學(xué)者針對以上特性開展了相關(guān)研究。郭斌等[1]以某盾構(gòu)隧道為研究對象，基于有限元模型，分析了三軸攪拌樁加固條件下，隧道及地面的變形規(guī)律，研究了三軸攪拌樁的加固效果。李鵬等[2]以某地基坑工程為研究背景，提出一種新型的三軸攪拌樁支護(hù)方法，分析其在軟土地基中的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，結(jié)果表明該方法的可行性良好。于占福等[3]以某軟土基坑為研究對象，對比分析了三軸攪拌樁和雙軸攪拌樁的加固效果，結(jié)果表明兩種攪拌樁各具優(yōu)勢，三軸攪拌樁的加固效果較好，而雙軸攪拌樁的抗?jié)B效果較好。李煥容等[4]以某道路工程為研究背景，提出高壓旋噴樁和SMW工法相結(jié)合的施工方法，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了該加固效果下樁身的變形規(guī)律。蘇秦等[5]以某地鐵車站為研究對象，基于室內(nèi)試驗(yàn)，分析了不同注漿壓力、水泥用量下三軸攪拌樁的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。

本文以宣城市重點(diǎn)澇區(qū)排澇泵站為研究背景，對其進(jìn)行有限元分析，研究不同深度下三軸攪拌樁的力學(xué)性能及水平位移變化規(guī)律，并分析水泥與型鋼對三軸攪拌樁穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)情況。

1 工程概況

本文以宣城市重點(diǎn)澇區(qū)排澇泵站為研究背景，泵站主體結(jié)構(gòu)及進(jìn)出水閘、箱涵結(jié)構(gòu)均采用三軸水泥攪拌樁復(fù)合地基處理?？紤]到該工程的基坑長度較大，將基坑分隔為1#、2#、3#?？紤]到滲透穩(wěn)定的安全性，避免結(jié)構(gòu)面層的接觸滲流和繞滲，在箱涵兩側(cè)設(shè)C30鋼筋砼截滲墻，并在堤身下箱涵底板結(jié)合施工期基坑圍封結(jié)構(gòu)設(shè)置一道高壓旋噴樁防滲墻，打穿粉砂層，形成截水封閉。該工程所在地區(qū)的工程地質(zhì)條件見表1。

表1 工程地質(zhì)條件

2 模型的建立

本研究以排澇泵站基坑的三軸攪拌樁為研究對象，采用摩爾-庫倫彈塑性模型進(jìn)行分析，計算其變形規(guī)律和受力特征。采用內(nèi)支撐beam單元對三軸攪拌樁進(jìn)行模擬，考慮其內(nèi)部型鋼和水泥對樁身位移及應(yīng)力的影響，分別采用彈性本構(gòu)模型和摩爾-庫倫彈塑性模型進(jìn)行模擬，并在模型的邊界施加約束，以控制其變形情況，模擬基坑開挖的過程。當(dāng)開挖至底部時，計算此時的樁身位移及應(yīng)力變化情況。

3 結(jié)果分析

3.1 力學(xué)及位移變化分析

為分析三軸攪拌樁的變形規(guī)律，首先分析其樁身水平位移情況，并將計算結(jié)果與規(guī)程的理論計算結(jié)果進(jìn)行對比，基坑1#三軸攪拌樁的水平位移-深度曲線見圖1。由圖1可知，數(shù)值模擬的水平位移與理論計算的水平位移變化趨勢具有一致性，隨著深度的增大，樁身的水平位移呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)深度為-6.5 m時，理論計算值與數(shù)值模擬值有最大位移，分別為27.3 、17.15 mm。三軸攪拌樁理論計算值的水平位移顯著大于其數(shù)值模擬值，當(dāng)深度較小和較大時，二者之間的差距較小；當(dāng)深度為-15 m時，三軸攪拌樁水平位移的理論計算值與數(shù)值模擬值近似相等；當(dāng)深度為-6.5 m時，二者之間的水平位移差距最大，其差值為10.15 mm。這是由于規(guī)程對于三軸攪拌樁的計算主要將三軸攪拌樁視為一個整體，以此為基礎(chǔ)計算樁身位移；而本研究分別將型鋼和水泥采用不同的模型進(jìn)行模擬，突出了以上兩種材料對三軸攪拌樁穩(wěn)定性的影響，在三軸攪拌樁結(jié)構(gòu)中，水泥和型鋼能有效提升結(jié)構(gòu)的剛度，抑制其水平位移。考慮到水泥與型鋼對三軸攪拌樁剛度的提升更符合實(shí)際工程的情況，采用該方法計算得出的水平位移更小。

圖1 水平位移-深度曲線

圖2為基坑1#三軸攪拌樁數(shù)值模擬與理論計算的剪力-深度對比圖。由圖2可知，隨著深度的增大，三軸攪拌樁的剪力呈先增后減小再增大的趨勢。當(dāng)深度為-6.5 m左右時，三軸攪拌樁的剪力值為0 ，根據(jù)圖1可知，此時三軸攪拌樁有最大水平位移。當(dāng)深度為-9 m時，三軸攪拌樁的剪力值最大，數(shù)值模擬與理論計算的剪力值分別為349、473 kN。當(dāng)深度大于-6.5 m時，三軸攪拌樁所受的剪力為負(fù)，此時理論計算值的三軸攪拌樁剪力絕對值大于數(shù)值模擬值；當(dāng)深度為-6.5 m～-7.5 m、-11.5～-13 m時，此時理論計算值的三軸攪拌樁剪力絕對值小于數(shù)值模擬值；當(dāng)位于三軸攪拌樁的中部時(-8～-13 m)，理論計算值的三軸攪拌樁剪力值較大。

綜合而言，采用理論計算得出的三軸攪拌樁大部分區(qū)域的剪力值均大于數(shù)值模擬，這是由于本研究數(shù)值模擬分別將型鋼和水泥采用不同的模型進(jìn)行模擬，突出了以上兩種材料對三軸攪拌樁穩(wěn)定性的影響。當(dāng)深度為-9 m時，理論計算值與數(shù)值模擬值差距最大，其差距為28%，說明型鋼和水泥對三軸攪拌樁的剪力影響顯著，尤其對于三軸攪拌樁中部影響較大。在實(shí)際工程中，應(yīng)考慮以上兩種材料對三軸攪拌樁所受剪力的影響。

圖2 剪力-深度曲線

圖3為基坑1#三軸攪拌樁數(shù)值模擬與理論計算的彎矩-深度對比圖。由圖3可知，數(shù)值模擬的水平位移與理論計算的彎矩變化趨勢具有一致性，隨著深度的增大，三軸攪拌樁的彎矩呈先增大后減小再增大的趨勢。當(dāng)深度為-5.5 m時，數(shù)值模擬的彎矩值最大，為854 kN·m；當(dāng)深度為-6.5 m時，理論計算的彎矩值最大，為1 403 kN·m。理論計算的彎矩最大值遠(yuǎn)大于數(shù)值模擬，其差距為36.6%，這是由于本研究數(shù)值模擬分別將型鋼和水泥采用不同的模型進(jìn)行模擬，突出了以上兩種材料對三軸攪拌樁穩(wěn)定性的影響。對比水平位移和剪力而言，理論計算與數(shù)值模擬在彎矩值的差距最大，說明水泥和型鋼對三軸攪拌樁的彎矩影響最為顯著，尤其對于三軸攪拌樁的中部，該段數(shù)值模擬值與理論計算值的差距最大。在實(shí)際工程中，該段更需要考慮水泥和型鋼對三軸攪拌樁穩(wěn)定性的影響。

圖3 彎矩-深度曲線

3.2 滑動摩擦系數(shù)對樁身位移的影響

水泥在三軸攪拌樁結(jié)構(gòu)中主要起黏結(jié)作用，使型鋼表面的摩擦力增大，提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，所以滑動摩擦系數(shù)(μ)是影響三軸攪拌樁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素之一。本節(jié)研究不同滑動摩擦系數(shù)下，三軸攪拌樁樁身位移的變化規(guī)律。

不同滑動摩擦系數(shù)下，基坑1#三軸攪拌樁的水平位移-深度曲線見圖4。由圖4可知，隨著深度的增大，樁身的水平位移呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)深度為-6.5 m時，3種滑動摩擦系數(shù)下的三軸攪拌樁均有最大位移，其值分別為19.3、22.7、24.6 mm?；瑒幽Σ料禂?shù)與三軸攪拌樁的樁身最大水平位移呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)滑動摩擦系數(shù)越大時，三軸攪拌樁的水平位移越小，說明增大滑動摩擦系數(shù)對于控制三軸攪拌樁的變形效果顯著。這是由于當(dāng)滑動摩擦系數(shù)越大時，水泥與型鋼之間的摩擦力越大，其間的黏結(jié)更為緊密，增大了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。當(dāng)深度處于三軸攪拌樁的中部時，不同滑動摩擦系數(shù)間的三軸攪拌樁水平位移差距較大，說明增大三軸攪拌樁的滑動摩擦系數(shù)能有效控制其中部的變形情況，水泥與型鋼的相互作用對三軸攪拌樁的穩(wěn)定性具有一定的貢獻(xiàn)。在實(shí)際工程中，應(yīng)考慮以上兩種材料對結(jié)構(gòu)變形的影響。

圖4 不同滑動系數(shù)下水平位移-深度曲線

3.3 被動區(qū)加固影響分析

本研究的基坑2#主要采用三軸攪拌樁進(jìn)行支護(hù)，在其被動區(qū)采用水泥土工格柵進(jìn)行加固。為研究被動區(qū)加固條件下的三軸攪拌樁樁身變形規(guī)律，其最大水平位移出現(xiàn)的位置(H1)與開挖深度(H)之間的關(guān)系見圖5。

圖5 最大水平位移出現(xiàn)的位置與開挖深度關(guān)系

由圖5可知，最大水平位移出現(xiàn)的位置與開挖深度之間存在一定的線性相關(guān)關(guān)系，隨著開挖深度的增大，三軸攪拌樁最大水平位移對應(yīng)的深度逐漸增大。根據(jù)分析可知，三軸攪拌樁的最大水平位移主要出現(xiàn)在樁身的中部，此時最大水平位移對應(yīng)的深度小于開挖深度。而對被動區(qū)進(jìn)行加固后，三軸攪拌樁最大水平位移對應(yīng)的深度出現(xiàn)上移現(xiàn)象，此時最大水平位移對應(yīng)的深度大于開挖深度，說明采用水泥土工格柵對基坑的被動區(qū)進(jìn)行加固對三軸攪拌樁的變形情況有一定的影響。

為分析采用水泥土工格柵對基坑的被動區(qū)進(jìn)行加固對三軸攪拌樁的變形情況，對比分析有無被動區(qū)加固的三軸攪拌樁的水平位移變化情況，其水平位移-深度曲線見圖6。由圖6可知，有無被動區(qū)加固的三軸攪拌樁的水平位移變化趨勢具有一致性，隨著深度的增大，樁身的水平位移呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)深度為5.1 m時，理論計算值與數(shù)值模擬值有最大位移，分別為26.1、34.2 mm。當(dāng)深度較小時，有無被動區(qū)加固的三軸攪拌樁的水平位移差距較小；隨著深度的增大，當(dāng)出現(xiàn)最大水平位移時，二者之間的差距逐漸增大。對被動區(qū)進(jìn)行加固的三軸攪拌樁的水平位移明顯小于未加固的水平位移，說明采用水泥土工格柵對基坑的被動區(qū)進(jìn)行加固能有效改善三軸攪拌樁的變形情況。在實(shí)際工程中，可采用以上加固方法來控制三軸攪拌樁的變形情況。

圖6 有無被動區(qū)加固的水平位移-深度曲線

4 結(jié) 論

本文以宣城市重點(diǎn)澇區(qū)排澇泵站為研究背景，對其進(jìn)行有限元分析，研究不同深度下三軸攪拌樁的力學(xué)性能及水平位移變化規(guī)律，并分析水泥與型鋼對三軸攪拌樁穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)情況。結(jié)論如下：

1) 三軸攪拌樁理論計算值的水平位移顯著大于其數(shù)值模擬值，當(dāng)深度較小和較大時，二者之間的差距較小。當(dāng)深度為-15 m時，三軸攪拌樁水平位移的理論計算值與數(shù)值模擬值近似相等；當(dāng)深度為-6.5 m時，二者之間的水平位移差距最大，其差值為10.15 mm。這是由于在三軸攪拌樁結(jié)構(gòu)中，水泥和型鋼能有效提升結(jié)構(gòu)的剛度，抑制其水平位移。

2) 型鋼和水泥對三軸攪拌樁的剪力影響顯著，尤其對于三軸攪拌樁中部影響較大。在實(shí)際工程中，應(yīng)考慮以上兩種材料對三軸攪拌樁所受剪力的影響。

3) 被動區(qū)進(jìn)行加固的三軸攪拌樁的水平位移明顯小于未加固的水平位移，說明采用水泥土工格柵對基坑的被動區(qū)進(jìn)行加固能有效改善三軸攪拌樁的變形情況。在實(shí)際工程中，可采用以上加固方法來控制三軸攪拌樁的變形情況。