黄土隧道基底树根桩加固效果的数值分析

丁 浩，赖金星，刘厚全，王修领，贺思悦

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引言

树根桩是采用钻孔、强配筋以及压力注浆工艺施工而成的一种小直径钻孔灌注桩［1］，其桩径一般为70～300 mm，长细比较大(一般大于30)，于20世纪50年代由意大利Fondedile公司的F.Lizzi首创。树根桩施工采用压力注浆，有效保证了注入浆和地基土紧密结合。同时，压力水泥浆液还能在桩周围的土体中扩展，从而达到提高单桩承载力以及改善桩周围土体力学性能的效果，当灌注浆硬化并成型之后，就能够承载拉(压)应力［2-8］。

目前，国内外学者对树根桩的研究逐渐增多，在理论分析和工程实践等方面取得了丰硕的成果。孙少锐等［9］研究了树根桩加固边坡的稳定性;朱正国等［10］对树根桩应用于泥石流堆积体隧道基底加固等情况进行了稳定性分析。然而，目前对于树根桩加固黄土隧道基底的施工效果尚缺乏足够的理论研究和现场资料，且由于黄土性质的复杂性，其密实度、含水量、湿陷程度等都会影响树根桩的应用效果及适用性［11-13］。鉴于此，本文以榆林某黄土铁路隧道为依托，对树根桩加固隧底进行数值模拟，为类似隧底树根桩加固工程提供参考与借鉴。

1 工程概况

该隧道设计为单线铁路隧道，高8.8 m，宽6.4 m，断面如图1所示。隧道位于神木、府谷两县交界处，线路通过地区邻近毛乌素沙漠，为干旱多风气候，环境退化、沙漠化倾向严重。隧道进口穿过风积粉细沙和冲积黄土质黏砂土(新黄土)，经钻孔揭露，上部为风积砂，下部为黄土层，底部为砂岩或基岩。其土层特性如下。

图1 铁路隧道断面与树根桩布置形式

(1)风积沙。该土层多为浅黄色，呈干燥、松散状态，土质相对较均匀，多以粉粒为主;表面活性很低，松散，具有明显的非塑性，其颗粒属于细沙，沙粒组成为天然不良级配;成型困难，且成型后的抗剪性能也较差。

(2)黄土层。该土层多为浅黄色，干燥，局部稍湿，多呈硬塑状态，土质相对较为均匀，土中粉粒含量最多，含砂量也比较高，具有大空隙，偶尔可见云母碎片，岩芯多呈散状，该层为洞身通过的主要岩层。

(3)砂岩。砂岩由石英颗粒(沙子)组成，结构稳定，通常呈淡褐色或红色，主要含硅、钙、黏土和氧化铁。砂岩是一种沉积岩，主要由砂粒胶结而成，其中砂粒含量大于50%。

根据勘察资料，该地区地基承载力小，需要对其进行加固处理。由于隧道内作业场地少，故选择树根桩进行加固。树根桩作业只需1 m×1.5 m大小的场地，就满足单线隧道的要求，因此选择树根桩进行加固。

2 数值模拟

2.1 模型的建立

通过有限元软件建立二维数值分析模型，对树根桩加固黄土隧道基底的沉降进行研究。为了接近实际工况，整个模型的尺寸取高70 m、宽70 m。其中各土层、仰拱回填土采用实体单元进行模拟，树根桩和仰拱用梁单元模拟，锚杆采用植入式桁架单元模拟。研究对象为隧道的变形，不考虑树根桩与土体之间的滑移作用，即将树根桩和周围土体当成一种均匀、连续的复合地基材料考虑。

整个计算模型的土体分3层:第1层为20 m厚的风积沙;第2层为40 m厚的黄土层;第3层为10 m厚的砂岩。

两侧存在水平约束，底部既有水平约束又有竖直约束，整体在自然状态下受重力作用。网格划分的模型如图2所示。数值模拟采用以下假设。

图2 隧道网格划分模型

(1)所有材料均为均匀、连续、各向同性。

(2)黄土层采用符合莫尔-库伦屈服条件的材料进行模拟［11］。

(3)不考虑树根桩与土体的滑移，以复合地基模拟。

(4)树根桩采用弹性介质模拟，且不考虑树根桩与土体的滑移。

2.2 参数的选取

各土层及树根桩的物理力学参数取值均采用试验值［8］，具体如表 1 所示。

表1 各土层及树根桩的物理力学参数

3 计算结果分析

3.1 树根桩对隧道基底隆起的影响

隧道开挖前，土层内的应力处于平衡状态;开挖后，由于隧道周围的土体失去了原有的支撑，破坏了受力平衡，土体将向隧道内产生松胀位移。在周围土体的挤压作用下，隧道基底将产生较明显的隆起变形，最大值达到16.6 cm，如图3所示。采用树根桩加固的隧道基底隆起减少为2.1 cm，如图4所示。

图3 未采用树根桩加固的隧底沉降

图4 采用树根桩加固的隧底沉降

采用树根桩加固后，隧底的树根桩承受了周围土体的一部分荷载，并且降低了隧道基底下一定深度范围内土层中的应力，从而减少了隧道基底内可能产生的较大变形。在树根桩施工过程中，浆液的渗透作用会对桩间土进行改良，改良后的土与树根桩桩体组成复合地基。同时，成桩后的树根桩对桩间土具有侧向约束作用，限制了桩间土的侧向位移，在四周被约束的情况下，相同荷载作用的变形减小。

为了更好地研究树根桩的加固效果，在隧道基底从左到右选取14个点，对比有、无树根桩的2种工况下各个隧道基底测点的隆起变形，如图5所示。从图5可以看出:在树根桩加固的隧道中基底隆起明显减小;且在有树根桩的隧道中，最大的隆起部位在仰拱中间，而在未采用树根桩的隧道中基底最大隆起是在仰拱的拱腰处。这说明在采用树根桩加固基底后，隧道基底土层得到加固，应力也进行了重新分布。

图5 隧道基底隆起对比

3.2 树根桩对隧道边墙脚的加固

树根桩加固隧底后，隧道基底隆起明显减少，但应力始终需要释放，由于边墙角没有采取加固措施，所以应力就会从基底上面的拱脚部位释放，导致加固后的拱脚隆起明显变大。结果表明:隧道基底受力是不均匀的，整个断面的形状应力分布也不合理。因此，为了使隆起分布更加均匀，采用在隧道拱脚处增加树根桩的方法对其进行加固。

如图6为隧道边墙角未采用树根桩加固的隆起。边墙角未加树根桩时，左边的隆起为8.5 cm，右边的隆起为8.2 cm，隧道边墙角周边土体出现较大的隆起，影响隧道的稳定性。当采用树根桩加固后，边墙角也得到了加固，变形隆起降低明显，如图7所示。左侧的隆起为3.4 cm，右侧的隆起为3.4 cm，应力减少，且分布更加均匀，保证了隧道的稳定性。

图6 边墙角未采用树根桩的隆起

图7 边墙角采用树根桩的隆起

3.3 树根桩对隧道拱顶沉降的影响

树根桩在加固基底土层后也会对拱顶沉降产生一定的影响。在未采用树根桩加固的工况中，拱顶部分区域沉降较大，如图8所示;而在采用树根桩加固的工况中，拱顶部位沉降有所减小，如图9所示。从图8可以看出，从拱腰到拱顶的沉降先增大后减小，整体变化比较均匀，成对称分布，拱顶最大沉降为19.1 cm。从图9可以看出，拱顶处的最大沉降为16.2 cm，与未采用树根桩加固的隧道相应区域进行比较，沉降基本都减小了2～3 cm。通过对比可知，树根桩对隧道拱顶的沉降有一定影响，最大沉降从拱顶中间偏移到了下部区域，这主要是由树根桩加固土体后应力重新分布造成的。虽然树根桩加固的区域只有隧道基底区域，但树根桩会使周围土体形成一个整体，也会对拱顶的沉降产生一定积极影响，从而为隧道基底的稳定性提供保证。

图8 未采用树根桩加固的拱顶沉降

图9 采用树根桩加固的拱顶沉降

在隧道的拱顶位置选择9个点，对比分析有无树根桩对隧道拱顶沉降的影响，得到图10拱顶沉降的对比结果。

图10 拱顶沉降对比

3.4 树根桩提高隧道基底加固效果的分析

为进一步研究树根桩对隧道基底的加固效果，通过改变树根桩作用范围内土层的物理力学参数，使隧道基底隆起与采用树根桩加固时基本相同，提高参数后隧道基底沉降与施做树根桩基本相同时的土层范围见图11。通过不断增大加固区域内土体的黏聚力，得到基底最大隆起与黏聚力的关系曲线(图12)。由图12可知，隆起值与黏聚力呈现一定的线性关系，当黏聚力由初始的30 kN·m－2提高到58 kN·m－2时，基底的最大隆起值为 3.3 cm，此时与采用树根桩加固的基底最大隆起值接近，即树根桩加固后的效果等效于增大了土体的黏聚力。

图11 加强加固区域土层范围

图12 隧道基底最大隆起与黏聚力的关系

4 结 语

(1)通过有限元分析对比有、无树根桩2种工况的隧道底及拱顶变形发现，采用树根桩加固后，隧底的隆起减小了68.3%，且在一定程度上减小了拱顶的沉降，有效保证了施工的正常进行以及隧道的稳定性。

(2)在边墙脚采用树根桩加固后，可以有效减小边墙角区域的隆起。与未采用树根桩加固时相比，隧道基底的应力分布更加均匀，为隧道的稳定提供保障。

(3)应用等效的方法研究树根桩对土体的加固效果，使隧道基底的变形与采用树根桩加固时具有相同的效果，相当于土体的黏聚力从30 kN·m－2增加到 58 kN·m－2。

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