王凱 王植林

1.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司蘇州分院 215000

2.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司南京分院 210000

引言

鋼板樁支護(hù)系統(tǒng)具有造價(jià)低、施工快、強(qiáng)度高、止水好等多方面優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于基坑工程［1］。鋼板樁作為可重復(fù)利用的施工設(shè)備，拔除后土體留下縫隙，尤其是在軟土地質(zhì)條件下，易造成臨近地表較大的沉降及水平變位［2］，進(jìn)而導(dǎo)致周邊地面沉陷開裂，建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)安全受到影響。許瓊鶴等［3］從減小拔樁縫隙、坑外土體加固等方面提出多種減輕鋼板樁拔除環(huán)境影響的措施，指出坑外施打水泥攪拌樁具有緩解地面沉陷的效果。趙占軍［4］則指出及時(shí)填充拔樁遺留的孔隙，可以有效減少土體變形和影響范圍。工程實(shí)踐中存在著跳拔灌漿、灌水灌砂、涂刷減摩劑等諸多控制土體變形的施工措施，但其真實(shí)效果往往缺乏定量地分析，有待進(jìn)一步探究。本文結(jié)合南京市江北新區(qū)某水環(huán)境提升項(xiàng)目，借助于有限元軟件ANSYS 進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)比鋼板樁連續(xù)拔除不做處理以及采用鋼板樁跳拔跟進(jìn)灌漿工藝后土體變形的差異。同時(shí)，分析鋼板樁跳拔工序?qū)ν馏w變形的影響，為軟土地質(zhì)條件下鋼板樁的拆除施工提供參考。

1 理論探究

1.1 土體變形機(jī)理

受樁自身體積、樁身帶泥以及拔樁振動(dòng)的影響，鋼板樁拔除后留有縫隙。這一土體的損失打破了地應(yīng)力場(chǎng)原有的平衡，縫隙兩側(cè)土體產(chǎn)生塑性流動(dòng)，損傷傳遞產(chǎn)生位移，引起地表沉降。這一過程類似于高邊坡的滑移失穩(wěn)，不同的是，由于縫隙有限，縫隙兩側(cè)部分土體流動(dòng)接觸后產(chǎn)生擠壓，應(yīng)力場(chǎng)重分布達(dá)到平衡，變形過程停止。當(dāng)采用跳拔跟進(jìn)灌漿施工工藝，灌漿料填充了拔樁縫隙即土體潛在的變位空間，從而起到限制土體變形的作用。

土體因拔樁縫隙而塑性變形可由滑移線場(chǎng)理論解釋，縫隙兩側(cè)土體沿α族線滑動(dòng)?；凭€場(chǎng)理論，是將平面應(yīng)變問題的兩個(gè)平衡方程與材料的屈服準(zhǔn)則聯(lián)立，建立反映塑形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)的一階擬線性偏微分方程組，其數(shù)學(xué)上的特征線即為滑移線，物理意義上是剪切破壞面。對(duì)于土體材料，當(dāng)采用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則或雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論［5，6］，表達(dá)為：

式中：應(yīng)力圓半徑R=（σ1-σ3）/2；平均應(yīng)力P=（σ1+σ3）/2，σ1和σ3分別為第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力；φt和ct分別為土體（或經(jīng)修正的）內(nèi)摩擦角和黏聚力參數(shù)。

此時(shí)，建立的關(guān)于P 和θ（第一主應(yīng)力與x軸的夾角）的偏微分方程組為橢圓型方程，其兩個(gè)實(shí)數(shù)根（即特征線方程）之一的α族線為：

可見，滑移線應(yīng)為水平方向?yàn)槎梯S的橢圓，圖1 基本反映了土體流動(dòng)接觸前的變形特征。由于縫隙有限，兩側(cè)土體流動(dòng)產(chǎn)生接觸，并隨著接觸擠壓面積的增加，擠壓的阻滑作用與重力的滑動(dòng)作用在α 族滑動(dòng)面達(dá)到平衡，變形停止。土體接觸后的變形，以及鋼板樁跳拔跟進(jìn)灌漿工藝的影響結(jié)果，因其復(fù)雜性，可采用數(shù)值方法計(jì)算分析。

圖1 土體滑移曲線Fig.1 Soil slip curve

1.2 數(shù)值方法分析

為研究鋼板樁跳拔跟進(jìn)灌漿工藝全過程及后期地面堆載作用下土體的變形，合理地采用有限單元方法進(jìn)行仿真分析，能夠取得精確的計(jì)算結(jié)果。

其一，可借助于有限元接觸分析方法模擬土體的接觸、脫開及滑移。有限元接觸分析方法，通常利用約束變分原理處理接觸面條件并進(jìn)行迭代求解。接觸過程涉及接觸界面非線性、材料非線性及幾何非線性的時(shí)間演化，一般采用增量方法求解。當(dāng)采用Lagrange乘子法引入附加約束條件時(shí)，接觸問題的泛函可表示為Π=Πu+ΠCL；而當(dāng)采用罰函數(shù)法引入附加約束條件時(shí)，Π=Πu+ΠCP。其中，Πu代表原問題不含接觸條件的總勢(shì)能，ΠCL和ΠCP分別代表Lagrange 乘子法和罰函數(shù)法引入的接觸定解條件的附加泛函［7］。對(duì)于本文模型，接觸附加約束條件采用軟件默認(rèn)的增廣Lagrange法，即混用上述Lagrange乘子法和罰函數(shù)法強(qiáng)制接觸協(xié)調(diào)，進(jìn)行試探—校核迭代。

其二，可采用單元生死技術(shù)模擬不同工序下鋼板樁拔除與灌漿的施工變化過程。被殺死單元的剛度矩陣被引入一個(gè)數(shù)值很小的乘子（本文計(jì)算采用10-6），從而對(duì)總體剛度矩陣的貢獻(xiàn)近似于零。重新激活被殺死單元時(shí)，被激活的單元具有零應(yīng)變狀態(tài)。與重疊單元（獨(dú)立生成的共節(jié)點(diǎn)單元）結(jié)合，可以模擬材料屬性的時(shí)變過程。對(duì)于本文模型，涉及土體材料的單元分批次殺死與灌漿料的單元分批次激活：鋼板樁拔除留下縫隙采用殺死土體單元模擬，灌漿施工過程采用激活灌漿料單元模擬。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 工程概況

南京市江北新區(qū)某水環(huán)境提升項(xiàng)目，頂山街道大橋北路以南某條狀基坑回填后進(jìn)行鋼板樁的拔樁施工。場(chǎng)地屬長(zhǎng)江漫灘地貌單元，場(chǎng)地分布淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土層，具明顯的流變性和觸變性，屬于大含水率、大孔隙比、高壓縮性、低強(qiáng)度的中靈敏度軟土，工程地質(zhì)性質(zhì)差，易產(chǎn)生較大的壓縮變形，開挖時(shí)易坍塌失穩(wěn)。

拔除的鋼板樁SP-U400 ×170 ×15.5，樁長(zhǎng)15m，入土深度14.7m。先期鋼板樁連續(xù)拔除不做處理，周邊路面出現(xiàn)細(xì)碎破裂情況。后期變更為鋼板樁跳一拔一，跟進(jìn)灌漿（水膠比1∶1 水泥配置漿液）施工方式，并對(duì)路面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)位置如圖2 所示。

圖2 沉降觀測(cè)點(diǎn)Fig.2 Settlement observation points

根據(jù)該項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告，數(shù)值模型采用的巖土參數(shù)見表1。

表1 巖土參數(shù)Tab.1 Geotechnical parameters

2.2 數(shù)值模型

1.土體本構(gòu)

土體材料采用理想彈塑性本構(gòu)模型，無(wú)材料硬化，由屈服準(zhǔn)則及流動(dòng)法則兩要素構(gòu)成。模型服從Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則（D-P準(zhǔn)則）：

式中：I1和J2分別為應(yīng)力張量的第一不變量和應(yīng)力偏量的第二不變量；取D-P 圓錐外接于Mohr-Coulomb棱錐，通過ct和φt計(jì)算材料參數(shù)a、k。模型服從非關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則，塑性應(yīng)變率矢量與塑性勢(shì)函數(shù)F（σij）外法線共向，表達(dá)如下：

2.有限元模型

采用軟件ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言（APDL）構(gòu)建有限元模型，分別模擬鋼板樁連續(xù)拔除不做處理與鋼板樁跳拔跟進(jìn)灌漿的全過程，進(jìn)行結(jié)果的對(duì)比分析。計(jì)算以重力加速度作用下土體的位移與應(yīng)力作為土體歷史固結(jié)沉降與初始地應(yīng)力場(chǎng)，不考慮地下水滲流、鋼板樁施打的影響。鋼板樁拔除留有的縫隙按面積等代為矩形［2，3］，以鋼板樁正常帶泥測(cè)算取縫隙寬度δ=150mm。

實(shí)體元均采用八節(jié)點(diǎn)六面體等參元Solid45，土體本構(gòu)按上節(jié)所述，灌漿料按線彈性?？p隙兩側(cè)分別覆蓋耦合四結(jié)點(diǎn)接觸元Targe170 和Conta173 作為目標(biāo)面和接觸面，形成接觸對(duì)。按1.2節(jié)所述，采用增廣Lagrange法強(qiáng)制接觸協(xié)調(diào)，并通過單元的殺死、激活模擬鋼板樁拔除與灌漿的施工變化過程。依據(jù)1.1 節(jié)所述，土體沿橢圓線滑移，拔樁的單側(cè)土體變形水平影響范圍不超過樁入土深度。基于此，取計(jì)算域尺寸長(zhǎng)32m、高20m、厚4.8m（對(duì)應(yīng)于12 幅鋼板樁寬度）進(jìn)行分析，有限元模型如圖3 所示。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.3 結(jié)果分析

1.連續(xù)拔除的結(jié)果

對(duì)鋼板樁連續(xù)拔除不做處理的土體變形進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，土體水平方向的位移云圖見圖4?？p隙兩側(cè)土體的最大水平位移為75.115mm，與土體接觸的理論結(jié)果半縫隙寬75mm 存在穿透誤差，數(shù)值計(jì)算誤差約0.15%。除臨近地面高度及樁底高度外，縫隙兩側(cè)土體已塑性流動(dòng)至閉合狀態(tài)，水平方向的位移流動(dòng)傳遞引起地表土的豎向沉降。由圖5a 可知，地表沉降表現(xiàn)為盆形，最大沉降量為16.7mm，最大沉降處與拔樁縫隙間距約4.8m，這一間距約為鋼板樁入土深度的30%，與許瓊鶴等［3］文中給出的地表沉降規(guī)律一致。

圖4 土體水平位移云圖（單位：m）Fig.4 Soil horizontal displacement cloud diagram（unit：m）

2.跳拔灌漿的結(jié)果

對(duì)采用鋼板樁跳一拔一跟進(jìn)灌漿工藝（第一批次間隔一樁拔出一樁，第二批次拔出剩余樁，每批次拔樁后縫隙灌漿）的土體變形進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并與鋼板樁連續(xù)拔除不做處理作比較，結(jié)果見圖5。

圖5 地表沉降、地表水平位移及深層水平位移對(duì)比Fig.5 Ground settlement and horizontal displacement

由圖5 可以看出，當(dāng)采用鋼板樁跳一拔一跟進(jìn)灌漿施工方式，拔出第一批樁后，靠近鋼板樁地表沉降量為-2.2mm，表明鋼板樁的拔出帶泥起到了卸載作用，引起地面的回彈變形。拔出全部剩余（第二批）樁后，地表最大沉降量為3.9mm，并隨與拔樁縫隙距離增大逐步趨于零。相較連續(xù)拔除，地表最大沉降量減少了76.5%。項(xiàng)目實(shí)施中觀測(cè)了距鋼板樁2m、5m及10m處的路面沉降，變化規(guī)律及數(shù)值均與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相吻合。此外可見，鋼板樁跳拔跟進(jìn)灌漿工藝控制土體水平變形的效果是非常顯著的：相比于鋼板樁連續(xù)拔除不做處理，地表水平位移最大值由44.6mm降低為1.1mm，深層水平位移最大值由縫隙閉合值75mm降低為1.7mm，降低幅度分別達(dá)95%以上，極大地降低了路面開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上分析，通過分批次的拔樁與灌漿，十分有效地阻止了縫隙兩側(cè)土體塑性流動(dòng)的趨勢(shì)，進(jìn)而限制了損傷開展，使得地面的沉陷大為緩解。細(xì)致地看，鋼板樁跳拔跳一拔一跟進(jìn)灌漿的每一施工工序都包含土體變形的兩個(gè)方面：鋼板樁拔出一方面提供了土體水平變位的空間，另一方面也存在卸載回彈的次要影響。水泥漿灌入有加載壓縮的作用，而更重要的是填充土體的變位空間，阻抗土體的進(jìn)一步變形。

3.地面堆載的結(jié)果

項(xiàng)目實(shí)施過程在基坑回填鋼板樁拔除后面臨路基修筑，存在大范圍的地面堆載。進(jìn)一步考慮3kPa的地面均布荷載，地表沉降的數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。鋼板樁連續(xù)拔除不做處理時(shí)地表最大沉降量為30.3mm，16m 路幅寬度內(nèi)最大沉降差達(dá)12.2mm，沉降曲線呈盆形，變化顯著。而采用鋼板樁跳拔跟進(jìn)灌漿工藝，地表最大沉降量為17.2mm，16m路幅寬度內(nèi)最大沉降差2.8mm，沉降曲線平滑，接近未受擾動(dòng)場(chǎng)地的沉降量13.6mm?？梢姡摪鍢短胃M(jìn)灌漿工藝可以有效控制后期地面堆載作用下的土體變形，能夠減少地面沉降差75%以上。

圖6 3kPa 堆載作用下地表沉降量對(duì)比Fig.6 Ground settlement under 3kPa loading

3 鋼板樁跳拔工序?qū)ν馏w變形的影響

采用數(shù)值方法模擬不同跳拔工序跟進(jìn)灌漿后土體的變形，地表沉降結(jié)果見圖7。

圖7 不同工序的地表沉降量對(duì)比Fig.7 Ground settlement in different processes

結(jié)果顯見，在本文工程案例所代表的軟土地質(zhì)條件下，相比于跳一拔一、跳一拔二工序，跳二拔一工序跟進(jìn)灌漿施工能夠更有效地控制土體變形，減少地表的沉降。事實(shí)上，工程地質(zhì)情況、鋼板樁類型及入土深度均是影響跳拔工序優(yōu)劣的潛在因素，結(jié)論的普適性有待于進(jìn)一步探究和更多工程實(shí)踐的驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本文結(jié)合某水環(huán)境提升項(xiàng)目，通過理論探究及數(shù)值計(jì)算研究軟土地質(zhì)條件下鋼板樁跳拔跟進(jìn)灌漿工藝對(duì)土體變形的控制，主要結(jié)論有：

1.相比于鋼板樁的直接拔除，鋼板樁跳拔跟進(jìn)灌漿工藝可有效地阻止土體塑性流動(dòng)及土體損傷開展，緩解地面沉陷，可以降低土體水平位移95%以上，極大程度降低路面開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2.通過分批次的拔樁與灌漿，大面積堆載作用下的地面沉降差減少了75%以上，表明該工藝具有重要的工程價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

3.跳二拔一相較于跳一拔一工序控制土體變形更具優(yōu)勢(shì)，但影響工序選擇的因素較多，有待于更多工程實(shí)踐的驗(yàn)證。