考慮軟土層的樁側(cè)壓力分布規(guī)律數(shù)值模擬研究

張曉峰，萬(wàn)濤 ，黃傳勝，陳春漢，易進(jìn)翔

（1.江西省博苑房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，江西 南昌 330002；2.江西圳發(fā)建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330002；3.東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 前言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，為滿足城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求，城市地下空間開(kāi)發(fā)成為拓展城市空間重要的發(fā)展方向，深大基坑工程建設(shè)規(guī)模隨之?dāng)U大。已有學(xué)者對(duì)單樁承載力特性開(kāi)展了諸多研究。D.Pan等[1]通過(guò)有限差分軟件FLAC3D研究土體相對(duì)移動(dòng)時(shí)，認(rèn)為極限側(cè)壓力經(jīng)驗(yàn)公式低估了全強(qiáng)度樁土界面的極限側(cè)壓力值；錢(qián)玲玲等[2]采用FLAC3D數(shù)值模擬驗(yàn)證了單樁豎向荷載下的樁側(cè)摩阻力、樁體軸力和中心點(diǎn)的分布規(guī)律；劉娟娟等[3]利用有限元軟件ABAQUS，得出超長(zhǎng)樁側(cè)豎向摩阻力沿深度呈遞減趨勢(shì)，以及在不同分層情況下樁身彎矩和側(cè)移量隨著土層彈性模量比的增大而減小等結(jié)論；尹武先等[4]開(kāi)展數(shù)值模擬研究和試驗(yàn)對(duì)比研究，得出軟粘土中超長(zhǎng)樁軸—橫向耦合荷載作用下，水平荷載能在一定程度上提高超長(zhǎng)樁的豎向承載力。

已有樁體力學(xué)性能研究多針對(duì)樁體豎向承載特性，對(duì)于橫向承載特性研究較少，而基坑圍護(hù)樁橫向力學(xué)特性相較豎向更為重要。天然地基一般呈成層特性，現(xiàn)有研究多考慮樁周土體為單一均質(zhì)土層，對(duì)實(shí)際多層土分布影響研究較少，且為降低坑周水壓力對(duì)基坑影響，圍護(hù)樁往往深入隔水巖層中，形成嵌巖樁?；诖?，本文結(jié)合實(shí)際工程，利用FLAC3D軟件對(duì)基坑嵌巖樁在多層土分布條件下的樁側(cè)壓力分布規(guī)律開(kāi)展數(shù)值模擬研究，為基坑支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

南昌象湖某基坑工程樁體支護(hù)深度為16.0 m，開(kāi)挖深度為12.6 m，場(chǎng)內(nèi)土層呈成層分布，其中影響樁身內(nèi)力及位移的土層主要是淺層土[5]，基坑圍護(hù)樁采用鉆孔灌注樁，設(shè)計(jì)樁體長(zhǎng)度H=16.0m，其中樁端嵌入中風(fēng)化粉砂巖層1.0m，樁徑D=1.0m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，相應(yīng)楊氏模量E=3.15×104MPa，泊松比μ=0.167，密度ρ=2.5×103kg/m3。模型詳細(xì)計(jì)算參數(shù)如表1所示。本文考慮樁體嵌巖層以上土層對(duì)樁側(cè)壓力影響，即地表以下15.0m深度范圍內(nèi)的土層。如圖1所示，其中d為樁間凈距；H為鉆孔灌注樁樁長(zhǎng)；Hr為地表以下15.0m深度范圍內(nèi)的土層；Hn、c1、φ1為黏土層分布深度、粘聚力、內(nèi)摩擦角；Hs、c2、φ2為砂土層分布深度、粘聚力、內(nèi)摩擦角；Hy、c3、φ3為中風(fēng)化粉砂巖層分布深度、粘聚力、內(nèi)摩擦角。

圖1 樁土分布示意圖

模型計(jì)算參數(shù)取值表 表1

2 數(shù)值模擬

考慮樁及周?chē)馏w的對(duì)稱性，本文選取實(shí)際情況中的一半進(jìn)行模擬。樁身和土體都采用實(shí)體單元，土體采用摩爾—庫(kù)侖本構(gòu)模型。樁體采用彈性本構(gòu)模型，設(shè)置樁周土的幾何尺寸徑向?yàn)闃稄降?0倍，以減小模型邊界效應(yīng)，深度取為30.0m，整個(gè)模型尺寸為20.0m×10.0m×30.0m。樁土模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2、圖3、圖4所示。

圖2 單樁網(wǎng)格劃分圖

圖3 隔樁網(wǎng)格劃分圖

圖4 連續(xù)墻網(wǎng)格劃分圖

軸向網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮水平受荷樁的變形主要發(fā)生在受力處的周邊，故由中心向外輻射網(wǎng)格由密到疏。土體兩側(cè)邊界分別約束其水平位移，對(duì)土體底部邊界同時(shí)施加水平和豎向約束。樁土接觸面采用Interface來(lái)傳遞土體對(duì)樁的橫向荷載，能夠更好地模擬兩個(gè)接觸的表面發(fā)生的錯(cuò)動(dòng)、滑移和分離，模型接觸面見(jiàn)圖5所示，鉆孔灌注樁的樁土界面比較粗糙，接觸面上的摩擦特性較好，接觸面上的c、φ值取與樁相鄰?fù)翆拥腸、φ值的0.8倍；法向剛度kn和剪切剛度ks取周?chē)白钣病毕噜弲^(qū)域等效剛度的10倍[6]，計(jì)算公式如（1）所示：

圖5 模型接觸面示意圖

式中：K表示體積模量（Pa）；G表示剪切模量（Pa）；ΔZmin表示接觸面法向方向上連接區(qū)域上最小尺寸（m）。

在樁土作用分析中，樁體一定深度后，橫向力學(xué)特性主要表現(xiàn)為靜止土壓力[7～8]。本文先建立土體模型及樁體，進(jìn)一步模擬將樁體移入土體中。最后直接將重力荷載施加于有限差分樁土模型，并施加相應(yīng)的邊界約束，計(jì)算得到在重力荷載下的初始應(yīng)力場(chǎng)。再將得到的應(yīng)力場(chǎng)和重力荷載共同施加于原始有限差分模型，通過(guò)計(jì)算可以得到模型整體橫向應(yīng)力分布。

3 參數(shù)分析

3.1 不同土層分布影響

保持樁長(zhǎng)16.0m不變，研究單樁分別在不同的黏土層厚度分布(Hn/Hr=0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0)等六種工況下的樁側(cè)壓力分布情況。沿樁頂至巖層處每隔1.5 m對(duì)x軸方向的樁側(cè)壓力取一個(gè)數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共11個(gè)。由圖6可以看出：在自重應(yīng)力作用下，樁側(cè)壓力先沿樁深逐漸減小，在3.0m附近達(dá)到最小，后沿樁深不斷增大，在砂土層與巖層交界處達(dá)到最大。之所以存在這種現(xiàn)象是由于兩側(cè)邊界固定，土體在重力作用下對(duì)樁體產(chǎn)生擠壓使樁周存在水平的拱效應(yīng)。砂土層時(shí)，x軸方向的樁側(cè)壓力最大值為202.0 kPa，并隨著黏土層厚度分布線性增多，交界處樁側(cè)壓力最大值以約2.5%線性遞減。

圖6 不同土層分布下樁側(cè)壓力沿樁深分布關(guān)系圖

3.2 樁間凈距與樁徑比d/D的影響

保持樁長(zhǎng)16.0m、黏土層厚度分布Hn/Hr=0.6不變，模擬計(jì)算不同隔樁施工時(shí)，樁與樁的間距(d/D=1.0，2.0，3.0，4.0)等四種工況樁側(cè)壓力分布情況。監(jiān)測(cè)同一深度樁間與樁外側(cè)的水平壓力時(shí)，二者的壓力值相差不到1%。故選取樁外側(cè)沿樁頂至巖層處每隔1.5m對(duì)x軸方向的樁側(cè)壓力取一個(gè)數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共11個(gè)。由圖7可以看出：在自重應(yīng)力作用下，樁與樁的間距d/D=1.0時(shí)產(chǎn)生的樁側(cè)壓力值沿樁身波動(dòng)較大，本次模擬計(jì)算僅作為參考，同時(shí)工程上為避免群樁效應(yīng)，通常不采用這種施工方式；樁側(cè)壓力先沿樁深逐漸減小，在3.0m附近達(dá)到最小，后沿樁深不斷增大，在砂土層與巖層交界處達(dá)到最大；不考慮d/D=1時(shí)，樁側(cè)壓力值在3.0m處最小，在砂土層與巖層交界處（15.0m處）最大，其中d/D=4.0時(shí)最大，為188.0kPa；不考慮d/D=1時(shí)，黏土層中三者樁側(cè)壓力近似相等，砂土層中隨著深度的增加，相鄰兩個(gè)的差距逐漸增大，在15.0m處達(dá)到最大，相差約為1.5%。

3.3 單樁施工、隔樁施工、地下連續(xù)墻施工的分析

保持樁長(zhǎng)為16.0m、黏土層厚度分布Hn/Hr=0.6不變，研究單樁施工、隔樁施工（d/D=2.0)、等剛度地下連續(xù)墻三種工況下的側(cè)壓力分布情況。沿墻外側(cè)至巖層處每隔1.5m對(duì)x軸方向的樁側(cè)壓力取一個(gè)數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共11個(gè)。將圍護(hù)樁等剛度轉(zhuǎn)變成墻來(lái)等效模擬運(yùn)算[9]，由D=1.0m，d=2.0m?？傻茫?/p>

式中：D表示圍護(hù)樁的樁徑（m）；d表示樁間凈距（m）。

由圖8可以看出：三種施工方式x軸方向樁側(cè)壓力沿樁身的受力分布規(guī)律幾乎一致；在黏土層0.0m～9.0m處，三種施工方式產(chǎn)生的側(cè)壓力無(wú)明顯差異，在砂土層9.0m～15.0m處，隨著深度增加，單樁施工側(cè)壓力值增長(zhǎng)幅度最大，在砂土層與巖層交界處達(dá)到最大，最大值為192.53kPa，連續(xù)墻施工增長(zhǎng)幅度最小，在交界處最大值為173.56kPa；在交界處，單樁施工、隔樁施工、連續(xù)墻施工的側(cè)壓力值依次以約5.5%的幅度遞減。

圖8 不同施工下樁側(cè)壓力沿深度分布關(guān)系圖

4 結(jié)論

①在自重應(yīng)力作用下，嵌巖樁側(cè)壓力呈層狀分布；拱效應(yīng)使樁側(cè)壓力沿樁深先減小后逐漸增大，至砂土層與巖土層交界處達(dá)到最大；樁側(cè)壓力最大值隨黏土層的厚度增加逐漸減小。

②隨著樁凈距d/D的增大，支護(hù)樁抵抗土體擠壓能力逐漸變小，樁側(cè)壓力曲線波動(dòng)逐漸增大；對(duì)于不同樁凈距d/D，砂土層比黏土層對(duì)支護(hù)樁的擠壓作用差異更加明顯。

③三種施工方式x軸方向樁側(cè)壓力沿樁身的受力分布規(guī)律幾乎一致；黏土層中，三種施工方式產(chǎn)生的側(cè)壓力無(wú)明顯差異；在砂土層中，相對(duì)單樁施工及隔樁施工，地下連續(xù)墻抵抗土體擠壓性能較優(yōu)，產(chǎn)生的側(cè)壓力最小。