砂石桩-土钉墙组合支护结构的变形及稳定性分析

2019-09-05范海涛赵洲源赖彦林

水利与建筑工程学报 2019年4期

范海涛，张涛，赵洲源，赖彦林

(1.四川正基岩土工程有限公司, 四川绵阳 621000； 2.中国人民解放军63839部队, 四川绵阳 621000)

软土地区的基坑开挖工程较为复杂，通常采用的技术手段为排桩、水泥土墙、水泥搅拌桩等单一支护方式，当开挖基坑深度较大时，单一的支护方式存在钢筋用量多、设计墙体厚度大、水泥用量多等不利影响，导致造价较高、施工较为复杂，严重制约工程建设。

为节约经济造价，降低施工难度，许多学者将半刚性、刚性桩与土钉墙支护方式相结合，组成联合支护结构运用于基坑工程。如：朱建新等[1]将高压旋喷桩与土钉联合运用于南海某基坑工程，验证了该方案能确保了基坑的安全性和防水效果。谢永明[2]对基坑坡脚设置水泥搅拌桩，坡面设置土钉墙，对水泥搅拌桩的合理长度和宽度进行讨论。郝峰[3]对高压旋喷桩复合土钉墙进行了PLAXIS有限元分析，得出高压旋喷桩在土层较软时，贡献作用较大。汪志鹏[4]对泛海·花园工程基坑中应用了复合土钉墙与高压旋喷桩组合支护，验证了其具有较好的可靠性。许岩剑等[5]对水泥搅拌桩和土钉联合支护结构进行稳定性分析，结果表明联合支护的坑壁破裂面从桩底穿过，土钉水平投影段范围内滑动面呈水平向拉长；程文若[6]将水泥土搅拌桩与土钉墙联合支护运用于软土基坑中。

总的来说，目前对联合支护研究较少，而已有的研究成果中又多是对半刚性、刚性桩与土钉墙相组合进行探讨，对无粘结强度的散体桩与土钉支护相结合的研究甚少。笔者就某基坑工程中使用的砂石桩-土钉墙支护结构进行有限元数值模拟，探讨其坡体位移、土钉轴力等分布规律，同时运用强度折减法计算其稳定性，为砂石桩-土钉墙组合支护工程设计与施工提供一定的参考依据。

1 强度折减法基本原理及失稳破坏判据

若使砂石桩-土钉墙支护体系真正发挥其支护边坡的效能，必然存在砂石桩、土钉、土体三者之间的相互作用与协调变形，而传统的极限平衡分析法很难解决这一问题，采用强度折减的有限元法无疑能解决这一问题。

1.1 基本原理

有限元强度折减法最早由Zienkiewice于1975年提出，随着计算机技术的发展，该方法成为有限元边坡稳定性分析的研究热点[7]。其基本原理是基于强度储备理论，将强度折减的概念、极限平衡原理与弹塑性有限元计算原理相结合[8]。

其基本原理是：首先在数值分析前预先给定一个强度折减系数Fs，用以调整土体强度指标C和φ值(式1)，再将C′和φ′值循环代入数值计算，确定数值模型中的应力、应变场或位移场，计算至土体达临界破坏状态时，将此时的折减系数定义为稳定安全系数[9-10]。

C′=C/Fs，φ′=arctan(tanφ/Fs)

(1)

1.2 失稳破坏判据

当前大多数学者对土体整体失稳破坏的力学行为尚没有统一的认识[11]，从强度折减法的观点出发，衍生出了三类失稳判据：即有限元数值迭代不收敛判据、特征部位位移突变判据、广义塑性应变或等效塑性应变贯通判据。

根据裴利剑等[12]研究成果，在足够的有限元数值计算精度或迭代次数下，三类失稳判据具有一致性和统一性。本文将采用第二判据为主、第三判据为辅作为本次强度折减失稳判据。

2 工程概况与计算模型

2.1 工程概况

某基坑平面呈较规则圆形基坑，开挖深度为6.0 m。场平后坑壁土体分层为淤泥质粉质黏土(软塑—可塑)：0～7.6 m；黏土(可塑)：7.6 m～11.2 m；其下为粉砂质泥岩、埋深较深；局部存在上层滞水，易于疏干。

设计思路：先采用砂石桩对淤泥质粉质黏土进行置换，增强土体的同时加速排水固结，静置21 d待其超孔隙水压力消散后，再进行基坑开挖与土钉墙施工(见图1)。

图1设计断面图

2.2 计算模型与参数选取

2.2.1 模型与边界

计算软件采用Phase2D，为避免尺寸效应对计算精度的影响，由此确定计算模型尺寸为：土钉边坡前的开挖宽度取3.3H、支护后边界取3H、下边界取开挖底面以下2.3H。模型计算范围为20 m×40 m，采用六节点三角形网格，共划分网格1 110个(见图2)。

边界条件确定为顶部地表面无约束、为自由边界；模型两侧为水平约束、竖向不约束，为滚轮支座；模型底面水平、竖向均约束，为固定铰支座。由于砂石桩与淤泥质粉质黏土在刚度与强度上存在较大的性状差异，在外力作用下，其界面可能产生相对滑移变形，本模型中砂石桩与原状土体之间设置Structural-Interface接触单元描述其特性，接触面之间可传递切向力和法向力，模拟桩土相互作用。

2.2.2 计算参数

本文计算的土体采用非线性弹塑性模型，破坏准则选用摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)准则。土体参数见表1。

图2砂石桩-土钉墙支护结构网格模型

表1 土体参数

土钉单元采用Cable单元模拟，土钉参数见表2。

表2 土钉参数

面板采用Liner单元模拟，面层参数见表3。

表3 面层参数

3 计算分析

3.1 位移变化特征

从整个基坑支护完成后水平位移云图图3表明，砂石桩-土钉墙支护体系坡顶影响范围约为2.2H(H为基坑开挖深度)，坡脚影响高度约为0.3H；若单一的土钉墙支护，坡体位移大值应分布于坡顶或坡体中部[13]，但砂石桩预先加固土体后再采用土钉墙支护，坡体水平位移大值分布于坡角，坡顶位移较小，证明砂石桩置换土体后，坡顶位移得到了有效控制；在背离基坑方向上，水平位移表现为沿土钉支护方向逐步减小，但在区域B、C间明显分区，这是由于基坑开挖支护后，区域A、B卸荷后向坑内侧移，区域C侧向约束减弱，导致该区域内土体发生变形。

图3水平位移分布云图

由竖向位移云图图4可见，竖向位移大值出现在土钉支护区域外侧1.0H～2.2H，影响深度至第三排土钉；坑顶竖向沉降影响深度约0.56H，土钉与土体组成“加筋体”对区域内土体竖向位移约束较大。

由此可见，在砂石桩-土钉墙支护体系中，砂石桩能有效的控制坡体水平位移，而竖向位移仍由土钉-土体组成的“加筋体”共同约束。

图4竖向位移分布云图

3.2 土钉轴力变化特征

从土钉轴力分布图图5可见，各排土钉轴力最值分布与基坑开挖深度有关，上部土体具一定的自稳能力，整体呈现规律为第4、5排土钉轴力较1～3排大，轴力较大值出现在中下部土钉。

图5各排土钉轴力分布图

支护结构若仅有土钉支护情况下，单根土钉轴力如文献[14]中描述，土钉轴力沿长度呈现中间大、两端小的“弓”形状态；当砂石桩-土钉联合支护时，单根土钉轴力变化趋势呈现出三个“波峰”，与文献[14]中结论不一的原因是，砂石桩与其桩间土形成的增强体不仅提供了较大的摩阻力，而且还具有一定的“强度”使土钉在该段区域内呈现“受压”状态，导致轴力在滑裂面处、砂石桩与土体接触界面处轴力达到较大值，土钉穿越砂石桩后轴力减小。

同时由砂石桩的变形趋势线可见，砂石桩的破坏与具粘结强度刚性桩不同，其变形破坏位置介于桩端持力层与坑底之间，破坏形式为剪切破坏(见图6)。