膨胀土特性对双排桩支护结构的影响分析

林治平， 陈小丹

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.广东省岩土工程技术研究中心，广东 广州 510635)

膨胀土属于高塑性粘土，其亲水性较强，具有遇水膨胀，失水收缩的特点，力学性质极其不稳定，对工程建设存在不利影响，较多学者对膨胀土的特性开展了研究，如缪林昌[1]、刘鹏[2]对不同含水量下的膨胀土特性进行了研究，得出随含水量增加，其强度降低，且黏聚力下降的速度比内摩擦角更快等，杨果林[3]、卢肇钧[4]分别通过原位试验、室内试验研究了膨胀力的形成机理及取值问题等。

双排桩支护结构具有刚度大、桩身水平位移小、占地较小和工期短等优点，在基坑和边坡支护中应用越来越广泛，但目前其理论机理尚未完全成熟，有关双排桩的研究方兴未艾，如赵倩蕾[5]对双排桩的工程特性和影响因素进行了系统研究，王可峰[6]通过离心模型试验对双排桩的受力机理进行了验证等。

关于膨胀土地区的双排桩研究，唐印[7]、李小雷[8]开展了深入的研究并得出有益的结论，但研究重点主要为桩间距、桩长、刚度等桩身参数产生的影响，而鲜有针对膨胀土本身的重度、强度及膨胀力等特性进行双排桩的影响分析。

本文以成都市膨胀土地区的某大型停车场永久边坡的双排桩支护结构为研究对象，采用数值模拟和理论分析，通过改变不同含水量下膨胀土的重度、强度、膨胀力特性参数，对双排桩的受力、变形和稳定性进行分析，以期指导本工程及为同类工程提供参考。

1 工程概况

本工程挖方边坡支护高度约为7 m，安全等级为一级，设计使用年限为100 a。因用地条件受限及膨胀土地区不适宜设置锚索等因素，边坡采用双排桩进行支护，桩径为1 m，桩间距为1.2 m，前后排距为2.5 m，桩前挂面板，桩顶设置盖板，桩前被动区换填2.0 m厚非膨胀土填料且采用“两布一膜”进行防渗，设计断面如图1所示。

场地自上而下地层分别为<3-1-1>层黏土、<3-2>层黏土及<5-1-2>层强风化泥岩，其中前两种粘土均为弱—中等膨胀土，各岩土层的物理力学参数如表1所示，勘察期间<3-1-1>层的含水量为26%。

膨胀土膨胀过程本质上是吸水过程，因此含水量是影响膨胀土特性的重要因素，对于大气影响深度范围内(本地区为3.5 m深)的膨胀土层，其含水量变化较明显，本文通过改变该厚度范围内膨胀土的参数来模拟吸水膨胀的影响，按含水量20%～30%划分为6个递进工况，相关参数通过重塑土的室内试验及参考成都地区膨胀土试验结果[9]确定(如表2所示)，膨胀力按每工况增加7 kPa考虑，考虑到后排桩的前后均有膨胀力可相互抵消，桩前被动区已采用有效的防渗措施不会产生膨胀力，因此，膨胀力仅施加在前排桩的桩背范围。

2 数值模型

建立双排桩支护的平面应变模型如图2所示。基坑深度为h，模型宽度在桩前不少于1.5h，桩后不少于2.5h，模型高度不少于2h，位移边界为模型两侧约束X向位移，底部约束Y向位移，荷载边界为自重及每工况下加至桩身的膨胀力。

岩土体采用2D平面应变单元，本构采用修正摩尔库仑模型；桩及盖板采用1D梁单元模拟，本构采用弹性模型。

通过模拟大气影响深度范围内膨胀土层的含水量变化，改变其重度、抗剪强度以及施加膨胀力至桩体上，分析前后排桩的受力和变形变化规律。

3 双排桩的内力和变形分析

3.1 双排桩内力分析

1) 弯矩分析

以工况1为例，双排桩的弯矩云图示意如图3所示。统计不同工况下前后排桩的弯矩值，绘制其变化曲线分别如图4和图5所示。由此可知，随含水量增大，前后排桩的弯矩均出现不同程度的增大趋势。

为进一步研究前后排桩的弯矩变化规律，提取出各工况下前后排桩的最大弯矩绝对值(均为负弯矩)，绘制曲线如图6所示，由此可见最大弯矩值与含水量呈近乎线性正相关，且后排桩弯矩增长速度稍大于前排桩。

2) 剪力分析

以工况1为例，双排桩的剪力云图示意如图7所示。统计不同工况下前后排桩的剪力值，绘制其变化曲线分别如图8和图9所示。由此可知，随含水量增大，前后排桩的剪力均出现不同程度的增大趋势。

为进一步研究前后排桩的剪力变化规律，提取出各工况下前后排桩的最大剪力绝对值(均为负值)，绘制曲线如图10所示，由此可见最大剪力值与含水量同样呈近乎线性正相关，且后排桩剪力增长速度稍大于前排桩。

3.2 双排桩变形分析

以工况1为例，双排桩的变形云图示意如图11所示，最大水平位移发生在桩顶，且在盖板协调下前后排桩的桩顶位移基本一致。

统计出不同含水量下双排桩的最大水平位移变化曲线如图12所示，由此可知，随含水量增大，双排桩的最大水平位移出现不同程度的增大，且增长速度越来越快。

根据现场位移监测成果，桩顶水平位移为7.85 mm(对应含水量为26%)，与计算结果10.18 mm较为接近。

4 双排桩的嵌固稳定性分析

考虑膨胀力的嵌固稳定安全系数计算公式可按下式修正：

(1)

其中Epk为桩前被动土压力合力;Eak为桩后主动土压力合力;P为桩后膨胀力合力;G为前后排桩及桩间土自重之和;zp、za、zG、zp为上述各力的作用点至桩底的力臂。

据式(1)可算得各工况下双排桩的嵌固稳定安全系数的变化曲线如图13所示，由此可知，当含水量增大时，安全系数大幅下降，且下降速度逐渐减缓，最大含水量下的安全系数可满足规范要求。

5 结语

1) 膨胀土膨胀程度可表征为含水量的增加，通过改变不同含水量下膨胀土的重度、抗剪强度及膨胀力参数，模拟膨胀土特性对双排桩支护结构的影响是可行的。

2) 随膨胀土含水量增加，双排桩的弯矩和剪力均增大，且后排桩的增长速度稍大于前排桩，双排桩的最大水平位移也随之增大，且增长速度越来越快。

3) 随膨胀土含水量增加，双排桩的嵌固稳定安全系数大幅下降，且下降速度逐渐减缓，最大含水量下的安全系数仍可满足规范要求。

4) 膨胀土地区应用双排桩支护结构时，应充分考虑膨胀土特性对双排桩的受力、变形和嵌固稳定性的影响，其最不利工况应为可能产生的含水量最大的情况。

5) 为简化因素分析，本次研究中膨胀土的模量、泊松比按假设不变考虑，后续可进一步开展关于该两变量变化扩展研究。