單排斜直交替樁在軟土基坑支護(hù)中的模擬研究

范鵬程， 胡智偉

(1.天津市勘察院， 天津 300191； 2.保利(天津)房地產(chǎn)開發(fā)有限公司， 天津 300022)

基坑支護(hù)穩(wěn)定性一直是基坑工程重大問題，尤其是在軟土基坑中[1-4]。為了增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，不少學(xué)者在直樁的基礎(chǔ)上，研究了各種形式斜樁的支護(hù)工作性狀。相較于直樁，斜樁具有更好的水平承載能力[5-10]，并且已應(yīng)用到實際工程中[11-12]。張文超等[13]通過數(shù)值模擬方法，研究不同傾斜角度單排樁的工作性能，并提出斜樁傾斜角度以10°～12°為宜。王建[14]研究了不同傾斜角度的前排傾斜雙排樁的變形和受力規(guī)律。宋曦[15]對斜樁的嵌固深度和樁前土的穩(wěn)定性進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并提出了水平荷載作用下樁體內(nèi)力的求解方法。張靜[16]基于比例系數(shù)法和m法，對雙排樁與斜樁組合支護(hù)體系進(jìn)行了反演分析計算，并提出了土壓力折減系數(shù)建議值。在前人研究的基礎(chǔ)上，按照安全和經(jīng)濟(jì)的原則，本文以天津某軟土基坑為研究對象，采用單排斜直交替樁的支護(hù)形式，借助有限元差分軟件FLAC3D，考慮土體小應(yīng)變變形，建立三種傾斜角度的單排斜直交替樁基坑支護(hù)模型。分析了斜直交替樁位移及基坑地表沉降隨傾斜角度的變化規(guī)律。得出了一些有益的結(jié)論，為進(jìn)一步研究和設(shè)計斜樁支護(hù)提供了一定的參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 場地工程地質(zhì)條件

天津市某軟土基坑工程，基坑深度4.8 m，基坑安全等級為二級。場地地勢平坦?？碧椒秶鷥?nèi)地層從上到下依次為填土、黏土、淤泥質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土等，其中淤泥質(zhì)黏土厚度8.3 m，基坑底處于淤泥質(zhì)黏土層中，土層分布見圖1。

圖1基坑主要土層分布

1.2 基坑支護(hù)設(shè)計方案

依據(jù)場地條件，及同類別基坑支護(hù)，采用懸臂樁支護(hù)。考慮到土層中較厚的淤泥質(zhì)黏土，為了增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力，特將支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計為單排斜直交替樁。

2 計算模型及參數(shù)確定

2.1 模擬工況

本工程基坑深度4.8 m，采用單排斜直交替樁支護(hù)型式，此次模擬針對不同的單排樁支護(hù)型式進(jìn)行數(shù)值模擬，對比分析在不同傾斜角度單排斜直交替樁支護(hù)下基坑和支護(hù)樁變形。模擬工況見表1。

表1 模擬工況表

2.2 二維模型

模型的范圍必須要足夠大，能夠覆蓋基坑開挖可能影響的區(qū)域，同時又要兼顧計算效率。根據(jù)現(xiàn)行國家和地方規(guī)范的要求，參考已有的研究成果，模型高度按照勘察深度定為30 m，模型長度考慮基坑開挖影響范圍和邊界約束定為50 m。網(wǎng)格劃分原則為基坑附近密集，遠(yuǎn)處稀疏。模型共有節(jié)點12 005個，單元9 232個。支護(hù)模型見圖2～圖4?；娱_挖結(jié)果為從地面開挖至坑底時的累計值。

圖2 單排直樁(傾斜度為0°)模型圖

圖3 單排斜(10°)直交替樁

圖4單排斜(20°)直交替樁

2.3 計算參數(shù)及邊界條件

模擬共涉及到2種材料，土體和混凝土。土體材料使用Mohr-Coulomb模型,混凝土采用各項同性的彈性模型，開挖部分采用null模型。混凝土樁重度為25 kN/m3，彈性模量為30 GPa。土體參數(shù)見表2。

表2 土體參數(shù)表

整個模型底部為固定約束，兩端為法向約束，模型上部施加15 kPa的工作荷載。初始水位位于自然地面以下1.5 m處。本文不考慮降水對地表沉降的影響，僅分析土方開挖后斜直交替樁的工作性狀。

2.4 計算結(jié)果

通過二維模型的數(shù)值計算分析，獲得了基坑開挖對支護(hù)樁和地表沉降的影響結(jié)果，如圖5～圖10所示，圖中變形數(shù)值為累計值，單位為m。

圖5 單排直樁累計水平位移圖(m)最大累計水平位移為71 mm

圖6 單排直樁基坑累計豎向位移圖(m)最大累計沉降為20 mm

圖7 單排斜(10°)直交替樁累計水平位移圖(m)最大累計水平位移為58 mm

圖8 單排斜(10°)直交替樁基坑累計豎向位移圖(m)最大累計沉降為15 mm

圖9 單排斜(20°)直交替樁累計水平位移圖(m)最大累計水平位移為43 mm

圖10單排斜(20°)直交替樁基坑累計豎向位移圖(m)最大累計沉降為13 mm

2.5 變形分析

(1) 變形統(tǒng)計。通過對計算結(jié)果的整理，變形情況(累計值)如表3所示。

表3 支護(hù)樁變形及地表沉降統(tǒng)計表

(2) 變形分析?；又ёo(hù)形式采用單排懸臂樁，且基坑底部處于淤泥質(zhì)黏土中(見圖1)，淤泥質(zhì)黏土黏聚力和摩擦角僅是6.19 kPa和3.54°。在支護(hù)結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算中，相較于與其他黏土，該淤泥質(zhì)黏土使得樁后主動土壓力增加，樁前被動土壓力減少，進(jìn)而減弱支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力。懸臂單排樁抗傾覆能力被軟土減弱后，其樁頂發(fā)生了較大的水平位移，單排直樁樁頂最大水平位移可達(dá)71 mm(見圖5)。依據(jù)地層補(bǔ)償原理，地表會隨著支護(hù)樁移動而產(chǎn)生沉降，單排直樁后地表沉降值可達(dá)20 mm(見圖6)。

由于場地條件的限制，內(nèi)支撐和錨桿都無法實施。為了增加支護(hù)體系的抗傾覆能力和考慮基坑支護(hù)經(jīng)濟(jì)合理性，特將支護(hù)樁設(shè)計為單排斜直交替樁。斜樁可以依靠其特殊的支護(hù)形式(俯斜式)，減少墻后主動土壓力，充分利用樁前土自重，可以達(dá)到自平衡狀態(tài)[15]。另外，由于樁頂梁的鏈接作用，斜樁可以承擔(dān)直樁傳遞過來的水平力，進(jìn)而增加整個支護(hù)體系的支護(hù)能力。

當(dāng)支護(hù)體系采用單排斜(10°)直交替樁，樁頂最大水平位移58 mm(見圖7)，地表沉降值為15 mm(見圖8)。當(dāng)支護(hù)體系采用單排斜(20°)直交替樁，樁頂最大水平位移43 mm(見圖7)，地表沉降值為13 mm(見圖8)。與單排直樁相比，單排斜(10°)直交替樁樁頂最大累計水平位移降低幅度為18%，單排斜(20°)直交替樁樁頂最大累計水平位移降低幅度為39%。上述結(jié)果表明：斜樁在土體中發(fā)揮自穩(wěn)平衡能力，同時承擔(dān)直樁傳遞的水平荷載，提高了支護(hù)體系的抗傾覆能力，隨著傾斜角度的增加，支護(hù)體系抗傾覆能力也在增加。

3 結(jié) 論

斜直交替樁是一種新型支護(hù)體系，適用于內(nèi)支撐和錨桿無法實施的基坑工程中，斜樁可以充分發(fā)揮其在土體的自穩(wěn)平衡能力，提高支護(hù)體系抗傾覆能力。同等條件下，斜直交替樁的抗傾覆能力優(yōu)于單排直樁；隨著傾斜角度的增加，樁身最大水平位移和基坑地表沉降均逐漸減小。這為進(jìn)一步研究和設(shè)計斜樁支護(hù)提供了一定的參考依據(jù)。