雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在軟土地區(qū)基坑中的應(yīng)用

摘要：針對(duì)h型雙排樁基坑變形的問題，開展固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)以及數(shù)值模擬試驗(yàn)，得到含水率對(duì)黏土參數(shù)的影響，并明確了巖土參數(shù)與支護(hù)樁參數(shù)對(duì)基坑變形的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：黏土試樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角以及抗剪強(qiáng)度均隨著含水率增大而減小，且從減小幅度可以看出，含水率對(duì)巖土參數(shù)影響較大；通過數(shù)值模擬試驗(yàn)可知，巖土參數(shù)的變化對(duì)基坑穩(wěn)定性影響較大，而支護(hù)樁參數(shù)對(duì)基坑穩(wěn)定性影響較小。此外，與前排樁相比，后排樁受各因素影響較大。

關(guān)鍵詞：h型雙排樁；三軸試驗(yàn)；數(shù)值模擬；基坑變形

0 引言

針對(duì)雙排樁基坑穩(wěn)定性影響問題，眾多科研工作者通過不同手段，如現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、理論解析、有限元法、室內(nèi)試驗(yàn)等對(duì)此展開了一系列的研究，并取得了豐碩的成果。

任建國[1]針對(duì)基坑變形、邊坡失穩(wěn)等問題，使用h型雙排樁預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行支護(hù)，得到了h型雙排樁對(duì)基坑力學(xué)性能以及安全性能的影響。羅忠行等[2]通過非極限狀態(tài)的土壓力理論，結(jié)合支護(hù)樁土相互作用以及非極限土壓力理論，得到了支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移計(jì)算方法以及地面沉降公式，并將理論數(shù)據(jù)與實(shí)際工程進(jìn)行對(duì)比分析。

目前來看，我國學(xué)者對(duì)基坑穩(wěn)定性研究成果比較豐富，但對(duì)h型雙排樁研究較少，且針對(duì)黏土地區(qū)h型雙排樁對(duì)基坑影響并不明確?；诖耍疚囊劳心仇ね粱訛檠芯勘尘?，通過三軸剪切試驗(yàn)與數(shù)值模擬試驗(yàn)得到黏土地區(qū)h型雙排樁基坑的變形影響，得出各因素對(duì)基坑變形的影響規(guī)律。

1 基坑工程背景

某基坑開挖深度為17.5m，使用雙排樁。其中前排樁樁直徑為1.2m，長度為8m，間距為2m。后排樁樁直徑為1.2m，長度為21.5m。懸臂段長度為9.5m，間距為2m。錨索長度為19m，位于樁頂以下4m處，入射角度為20°，間距為5m。使用連系梁連接，連系梁尺寸為800mm×800mm?；颖眰?cè)支護(hù)及開挖剖面如圖1所示。地層巖土參數(shù)如表1所示。表1中，ω表示含水率，γ0表示重度，ωP表示液限，ωL表示塑限，c0表示粘聚力，φ0表示內(nèi)摩擦角。

在此基坑北側(cè)布置兩測(cè)點(diǎn)WY7#與WY8#，基坑開完成后至2019年3月20號(hào)，兩測(cè)點(diǎn)累計(jì)變形量分別為27.2mm與30.1mm。2019年4月1日時(shí)，基坑發(fā)生較大的突發(fā)裂縫，且基坑變形速度加快。2019年4月8—15日，測(cè)點(diǎn)WY7#累計(jì)變形量大于100mm。在2019年5月20日時(shí)，所有測(cè)點(diǎn)累計(jì)變形量均比報(bào)警變形量大30mm。

利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量尺寸、鉆孔電視成像等一系列方法分析基坑變形原因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)主要原因?yàn)闃俄敼诹禾幣c排樁之間存在較多裂縫，樁間滲水以及樁內(nèi)出現(xiàn)破裂。

2 黏土力學(xué)特性分析

2.1  含水率對(duì)黏聚力的影響

含水率對(duì)黏聚力影響趨勢(shì)如圖2。根據(jù)圖2可得到含水率和黏聚力擬合曲線：

c=222.486-10.905ω+0.145ω2 （1）

對(duì)式（1）求導(dǎo)數(shù)得出：

（2）

從圖2可以看出，黏聚力與含水率呈現(xiàn)一元二次減小趨勢(shì)，隨著含水率的增大，黏聚力逐漸減小。根據(jù)式（1）、（2）可知，相較于含水率為22.4%，當(dāng)含水率為37.603%時(shí)，試樣的黏聚力減小了66.12%，說明含水率對(duì)黏聚力的影響較大。

2.2 含水率對(duì)內(nèi)摩擦角的影響

含水率對(duì)內(nèi)摩擦角的影響趨勢(shì)如圖3所示。根據(jù)圖3可得到含水率和內(nèi)摩擦角擬合曲線：

φ=79.065-3.694ω+0.047ω2 （3）

對(duì)式（3）求導(dǎo)數(shù)得：

（4）

從圖3可以看出，內(nèi)摩擦角與含水率呈現(xiàn)一元二次減小趨勢(shì)，隨著含水率的增大，內(nèi)摩擦角逐漸減小。根據(jù)式（3）、（4）可知，相較于含水率為22.4%，當(dāng)含水率為39.297%時(shí)，試樣的內(nèi)摩擦角減小了67.60%，說明含水率對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較大。

3 黏土基坑數(shù)值模擬

為了得到黏土參數(shù)對(duì)基坑變形關(guān)系，通過強(qiáng)度折減系數(shù)法和正交實(shí)驗(yàn)法建模。

3.1 數(shù)值建模方案

黏土主要參數(shù)有黏聚力ci0、內(nèi)摩擦角φi0、重度γi0，其中i為地層層數(shù)，且假設(shè)內(nèi)摩擦角比Fφ、黏聚力比Fc、重度比Fγ公式如下：

（5）

式中：φ'i0為i層土的內(nèi)摩擦角；c'i0為i層土的黏聚力；γ'i0為i層土的重度。3個(gè)參數(shù)的比值見表2。

支護(hù)樁的主要參數(shù)有樁徑、前后排樁長，參數(shù)設(shè)置如表3所示。按照表2與表3參數(shù)開展正交試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見表4。

3.2 數(shù)值建模方法

使用數(shù)值模擬軟件對(duì)基坑最危險(xiǎn)截面處進(jìn)行建模?；幽Ｐ褪褂镁€彈性本構(gòu)模型，單元為1D梁?jiǎn)卧?，模型參?shù)如下：長為200m、寬為75m，其中錨桿錨固段、連梁與排樁采用C30混凝土。巖土模型使用修正摩爾-庫倫模型，單元為2D平面應(yīng)變單元，參數(shù)如表5所示。表5中，E50ref、Eoedref、Eurref均為修正摩爾-庫倫模型計(jì)算輸入?yún)?shù)，分別表示材料在50%應(yīng)變時(shí)的楊氏模量、參考?jí)簭?qiáng)下的彈性系數(shù)、卸載/加載時(shí)的彈性系數(shù)。

3.3 支護(hù)樁受力及變形影響分析

3.3.1 基坑穩(wěn)定性的影響分析

基坑穩(wěn)定性系數(shù)影響分析曲線如圖4所示，從圖4可以看出，黏聚力對(duì)基坑穩(wěn)定性影響最大，其次為內(nèi)摩擦角，影響最小的為樁徑，巖土參數(shù)對(duì)基坑變形影響最大。

3.3.2 最大水平位移smax的影響分析

圖5為支護(hù)樁最大水平位移影響分析曲線，從圖5可以看出，黏聚力對(duì)內(nèi)摩擦角影響最大，其次為內(nèi)摩擦角，巖土參數(shù)對(duì)支護(hù)樁最大水平位移影響最大。此外，各參數(shù)之間變化對(duì)后排樁影響較大。

3.3.3 最大剪力FPmax的影響分析

圖6為支護(hù)樁最大剪力影響分析曲線。從圖6可以看出，對(duì)前排樁影響最大的參數(shù)為巖土重度與樁徑，對(duì)后排樁影響最大的因素為黏聚力與內(nèi)摩擦角，說明巖土參數(shù)對(duì)后排樁影響較大，支護(hù)樁參數(shù)影響次之。

3.3.4 支護(hù)樁最大彎矩Mmax影響分析

圖7為支護(hù)樁最大彎矩的影響分析曲線。從圖7可以看出，對(duì)前排樁影響最大的參數(shù)為巖土重度與黏聚力，對(duì)后排樁影響最大的因素為黏聚力與內(nèi)摩擦角，說明巖土參數(shù)對(duì)樁身最大彎矩影響最大。此外，與前排樁相比，后排樁受各因素影響較大。

4 結(jié)束語

本文依托某黏土基坑為研究背景，通過三軸剪切試驗(yàn)與數(shù)值模擬試驗(yàn)得到黏土地區(qū)h型雙排樁基坑變形影響，并得到各因素對(duì)基坑變形規(guī)律。

研究表明，黏聚力、內(nèi)摩擦角以及抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系曲線呈一元二次減小趨勢(shì)。隨著含水率的增大，黏土試樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角以及抗剪強(qiáng)度均逐漸減小。

通過數(shù)值模擬軟件進(jìn)行建模分析可知，黏聚力、內(nèi)摩擦角對(duì)基坑穩(wěn)定性、最大水平位移、樁身平均最大彎矩影響較大，支護(hù)樁樁長與樁徑對(duì)基坑穩(wěn)定性、最大水平位移、樁身平均最大彎矩影響較小。黏土參數(shù)對(duì)基坑穩(wěn)定性影響大于支護(hù)樁參數(shù)對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 任建國.復(fù)雜地質(zhì)下H型雙排樁復(fù)合預(yù)應(yīng)力長錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)施工技術(shù)[J].煤礦機(jī)械，2022，43（7）：161-165.

[2] 羅忠行，牛建東，李澤瑋，等.深基坑h型雙排樁的變形計(jì)算及優(yōu)化分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2020， 17（7）：1720-1727.