考虑软土层的桩侧压力分布规律数值模拟研究

2022-03-10张晓峰万涛黄传胜陈春汉易进翔

安徽建筑 2022年2期

张晓峰，万涛，黄传胜，陈春汉，易进翔

（1.江西省博苑房地产开发有限公司，江西南昌 330002；2.江西圳发建设集团有限公司，江西南昌 330002；3.东华理工大学土木与建筑工程学院，江西南昌 330013）

0 前言

随着我国城市化进程的加快，为满足城市基础设施建设需求，城市地下空间开发成为拓展城市空间重要的发展方向，深大基坑工程建设规模随之扩大。已有学者对单桩承载力特性开展了诸多研究。D.Pan等[1]通过有限差分软件FLAC3D研究土体相对移动时，认为极限侧压力经验公式低估了全强度桩土界面的极限侧压力值；钱玲玲等[2]采用FLAC3D数值模拟验证了单桩竖向荷载下的桩侧摩阻力、桩体轴力和中心点的分布规律；刘娟娟等[3]利用有限元软件ABAQUS，得出超长桩侧竖向摩阻力沿深度呈递减趋势，以及在不同分层情况下桩身弯矩和侧移量随着土层弹性模量比的增大而减小等结论；尹武先等[4]开展数值模拟研究和试验对比研究，得出软粘土中超长桩轴—横向耦合荷载作用下，水平荷载能在一定程度上提高超长桩的竖向承载力。

已有桩体力学性能研究多针对桩体竖向承载特性，对于横向承载特性研究较少，而基坑围护桩横向力学特性相较竖向更为重要。天然地基一般呈成层特性，现有研究多考虑桩周土体为单一均质土层，对实际多层土分布影响研究较少，且为降低坑周水压力对基坑影响，围护桩往往深入隔水岩层中，形成嵌岩桩。基于此，本文结合实际工程，利用FLAC3D软件对基坑嵌岩桩在多层土分布条件下的桩侧压力分布规律开展数值模拟研究，为基坑支护设计提供依据。

1 工程概况

南昌象湖某基坑工程桩体支护深度为16.0 m，开挖深度为12.6 m，场内土层呈成层分布，其中影响桩身内力及位移的土层主要是浅层土[5]，基坑围护桩采用钻孔灌注桩，设计桩体长度H=16.0m，其中桩端嵌入中风化粉砂岩层1.0m，桩径D=1.0m，桩身混凝土强度等级为C35，相应杨氏模量E=3.15×104MPa，泊松比μ=0.167，密度ρ=2.5×103kg/m3。模型详细计算参数如表1所示。本文考虑桩体嵌岩层以上土层对桩侧压力影响，即地表以下15.0m深度范围内的土层。如图1所示，其中d为桩间净距；H为钻孔灌注桩桩长；Hr为地表以下15.0m深度范围内的土层；Hn、c1、φ1为黏土层分布深度、粘聚力、内摩擦角；Hs、c2、φ2为砂土层分布深度、粘聚力、内摩擦角；Hy、c3、φ3为中风化粉砂岩层分布深度、粘聚力、内摩擦角。

图1 桩土分布示意图

模型计算参数取值表表1

2 数值模拟

考虑桩及周围土体的对称性，本文选取实际情况中的一半进行模拟。桩身和土体都采用实体单元，土体采用摩尔—库仑本构模型。桩体采用弹性本构模型，设置桩周土的几何尺寸径向为桩径的10倍，以减小模型边界效应，深度取为30.0m，整个模型尺寸为20.0m×10.0m×30.0m。桩土模型网格划分见图2、图3、图4所示。

图2 单桩网格划分图

图3 隔桩网格划分图

图4 连续墙网格划分图

轴向网格划分时，考虑水平受荷桩的变形主要发生在受力处的周边，故由中心向外辐射网格由密到疏。土体两侧边界分别约束其水平位移，对土体底部边界同时施加水平和竖向约束。桩土接触面采用Interface来传递土体对桩的横向荷载，能够更好地模拟两个接触的表面发生的错动、滑移和分离，模型接触面见图5所示，钻孔灌注桩的桩土界面比较粗糙，接触面上的摩擦特性较好，接触面上的c、φ值取与桩相邻土层的c、φ值的0.8倍；法向刚度kn和剪切刚度ks取周围“最硬”相邻区域等效刚度的10倍[6]，计算公式如（1）所示：

图5 模型接触面示意图

式中：K表示体积模量（Pa）；G表示剪切模量（Pa）；ΔZmin表示接触面法向方向上连接区域上最小尺寸（m）。

在桩土作用分析中，桩体一定深度后，横向力学特性主要表现为静止土压力[7～8]。本文先建立土体模型及桩体，进一步模拟将桩体移入土体中。最后直接将重力荷载施加于有限差分桩土模型，并施加相应的边界约束，计算得到在重力荷载下的初始应力场。再将得到的应力场和重力荷载共同施加于原始有限差分模型，通过计算可以得到模型整体横向应力分布。

3 参数分析

3.1 不同土层分布影响

保持桩长16.0m不变，研究单桩分别在不同的黏土层厚度分布(Hn/Hr=0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0)等六种工况下的桩侧压力分布情况。沿桩顶至岩层处每隔1.5 m对x轴方向的桩侧压力取一个数值模拟监测点，共11个。由图6可以看出：在自重应力作用下，桩侧压力先沿桩深逐渐减小，在3.0m附近达到最小，后沿桩深不断增大，在砂土层与岩层交界处达到最大。之所以存在这种现象是由于两侧边界固定，土体在重力作用下对桩体产生挤压使桩周存在水平的拱效应。砂土层时，x轴方向的桩侧压力最大值为202.0 kPa，并随着黏土层厚度分布线性增多，交界处桩侧压力最大值以约2.5%线性递减。

图6 不同土层分布下桩侧压力沿桩深分布关系图

3.2 桩间净距与桩径比d/D的影响

保持桩长16.0m、黏土层厚度分布Hn/Hr=0.6不变，模拟计算不同隔桩施工时，桩与桩的间距(d/D=1.0，2.0，3.0，4.0)等四种工况桩侧压力分布情况。监测同一深度桩间与桩外侧的水平压力时，二者的压力值相差不到1%。故选取桩外侧沿桩顶至岩层处每隔1.5m对x轴方向的桩侧压力取一个数值模拟监测点，共11个。由图7可以看出：在自重应力作用下，桩与桩的间距d/D=1.0时产生的桩侧压力值沿桩身波动较大，本次模拟计算仅作为参考，同时工程上为避免群桩效应，通常不采用这种施工方式；桩侧压力先沿桩深逐渐减小，在3.0m附近达到最小，后沿桩深不断增大，在砂土层与岩层交界处达到最大；不考虑d/D=1时，桩侧压力值在3.0m处最小，在砂土层与岩层交界处（15.0m处）最大，其中d/D=4.0时最大，为188.0kPa；不考虑d/D=1时，黏土层中三者桩侧压力近似相等，砂土层中随着深度的增加，相邻两个的差距逐渐增大，在15.0m处达到最大，相差约为1.5%。

3.3 单桩施工、隔桩施工、地下连续墙施工的分析

保持桩长为16.0m、黏土层厚度分布Hn/Hr=0.6不变，研究单桩施工、隔桩施工（d/D=2.0)、等刚度地下连续墙三种工况下的侧压力分布情况。沿墙外侧至岩层处每隔1.5m对x轴方向的桩侧压力取一个数值模拟监测点，共11个。将围护桩等刚度转变成墙来等效模拟运算[9]，由D=1.0m，d=2.0m。可得：

式中：D表示围护桩的桩径（m）；d表示桩间净距（m）。

由图8可以看出：三种施工方式x轴方向桩侧压力沿桩身的受力分布规律几乎一致；在黏土层0.0m～9.0m处，三种施工方式产生的侧压力无明显差异，在砂土层9.0m～15.0m处，随着深度增加，单桩施工侧压力值增长幅度最大，在砂土层与岩层交界处达到最大，最大值为192.53kPa，连续墙施工增长幅度最小，在交界处最大值为173.56kPa；在交界处，单桩施工、隔桩施工、连续墙施工的侧压力值依次以约5.5%的幅度递减。