黏土基坑桩间土拱效应分析

2023-08-05耿鹤良杨弋涛刘毛方杨成斌安徽省金田建筑设计咨询有限责任公司安徽合肥231602

安徽建筑 2023年7期

耿鹤良，杨弋涛，刘毛方，杨成斌（安徽省金田建筑设计咨询有限责任公司，安徽合肥 231602）

1 引言

地下空间的发展离不开基坑支护技术的进步。随着城市土地日益紧张，越来越多的基坑选择采用支护桩为支护形式。

基坑为临时性工程，在确保项目施工空间、基坑自身安全和周边环境安全的前提下，如何降低支护成本一直是热点研究问题。对于支护桩体系而言，根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）第4.3.4 条规定“排桩的中心距不宜大于桩直径的2.0 倍”，并在条文说明中注明“根据工程经验，对大桩径或黏性土，排距的净间距在900mm 以内，对于小桩径或砂土，排桩的净间距在600mm以内较常见”。由此可见，支护桩间距除考虑支护桩应力变形计算外，主要考虑桩间土的稳定性，而桩间土的尺寸效应与土的类型息息相关，这些都是土拱效应需要研究的问题。

在自重、附加荷载以及温度应力等作用下，土颗粒会产生位移，位移会导致应力重分布，从而达到新的应力平衡状态。当新的应力平衡状态使得土体内部呈现拱状条带，将作用在拱上的应力传递到拱脚时，可认为是土拱效应。

自1943 年太沙基通过“活动门试验”证明了土力学土拱效应的存在并提出了土拱效应存在条件以来，越来越多的学者投身于土拱效应的研究工作中。早期的土拱效应研究主要集中在土拱的尺寸应力研究中，随着工程技术和计算机的发展，越来越多的研究集中在数据实测、模型试验和数值模拟，部分成果已经在基坑支护、边坡抗滑桩中得到了良好的应用。

如前所述，相较于其他土层，硬黏土的桩间土能获得更大的尺寸。本文针对桩间土进行平面分区，并针对不同桩间距的土拱效应进行数值模拟，同时对比不同桩形下土拱效应应力应变，试图对黏土支护桩桩间土进行初步的分析研究。

2 黏土基坑桩间土的平面分区

根据土拱效应的作用现象，可将支护桩桩间土分为五个区域，如图1 所示。各区域特征如下。

图1 桩间土平面分布

①A 区：土拱效应主应力区。相邻支护桩形成的土拱效应区域，其土体的应力重分布直接作用在相邻桩体上，空间效应小，土拱桩体相对稳定。

②B 区：土拱效应边缘区。位于A区与支护桩心连线的合围区域，该区域为土拱效应由弱过渡到无的区域。同时受到A 区的应力影响和C 区的塌落影响。

③C 区：非土拱临空区。该区域完全不受土拱效应影响，处于基坑临空区，主要受自重力、支护桩的黏结力、大气渗透影响、桩间护面的侧向力、基坑开挖扰动的影响。由于本区域不成拱且受力复杂，常成为黏土基坑桩间土破坏的主要区域，为桩间土主要塌落区。

④D 区：土拱效应非主应力区。该区域由于垂直距离支护桩较远，因为可能在间隔1 根或多根支护桩时形成更大空间尺寸的土拱效应，环套在A区以外。

⑤E 区：非土拱土体内部区。该区域一般位于基坑深度1～2 倍以外，基本不受基坑开挖变形影响，从而不产生应力重分布。

据上所述，本文主要针对A 区、B 区展开数值模拟分析，针对C 区提出相应的处理措施。

3 不同桩间距下桩间土的数值模拟

本文采用较为常见的老黏土进行数值模拟，不考虑表层填土的影响。老黏土岩土构成与工程特性为褐黄色、灰黄色，硬塑至坚硬，稍湿，含铁锰结核及氧化物。切面光滑有光泽、干强度高、韧性高，具有弱膨胀潜势，属弱膨胀土，地基的胀缩等级为Ⅱ级。黏土参数如表1 所示。

表1 土体参数

基坑深度假定为5m，支护桩采用直径0.9m 的C25钢筋混凝土桩，不考虑成孔对土体的影响，分别模拟中心距为1.8m（2 倍桩间距）、2.7m（3 倍桩间距）、3.6m（4 倍桩间距）时桩间土的应力应变情况。

分别在MIDAS GTS/NX 软件中建立模型，将支护桩背后1.5 倍桩间距网格进行精细化区分，仅考虑自重应力作用下，桩间土的位移、应力计算结果见图2-图7。

图2 桩间距1.8m模型综合位移图

图3 桩间距2.7m模型综合位移图

图4 桩间距3.6m模型综合位移图

图5 桩间距1.8m模型垂直于基坑方向应力分布

图6 桩间距2.7m模型垂直于基坑方向应力分布

图7 桩间距3.6m模型垂直于基坑方向应力分布

根据数值模拟结果，分析结果如下。

①桩间土变形极值集中在中间临空面区域（C区），随着桩间距由2倍桩径增大至4倍桩径，桩间土变形不断增大。

②随着桩间距超过2 倍桩径，桩间土背后区域（A、B 区）变形发展增大，土拱区域进一步扩大。

③桩间距增大到3 倍桩径时，土拱不再成类弧形，而呈现出M 形，这也标志着A区土拱效应失效。

④桩间土的应力集中主要在支护桩与土体交界面。桩间距越大，集中在桩体上的应力也就越大。

⑤随着桩间距增大，集中在桩体周围的应力泡逐渐增大，这也体现了土拱效应应力重分布的特征。

⑥如图7 所示，桩间距过大，桩间土失去土拱效应时，应力集中效应消失，证明桩间距超出了土拱效应的空间尺寸要求。

4 不同桩形下桩间土的数值模拟

将圆形支护桩替换为边长0.9m 的C25 钢筋混凝土桩，不考虑成孔对土体的影响，模拟中心距2.7m（3 倍桩间距）时桩间土的应力应变情况。将支护桩背后1.5 倍桩间距网格进行精细化区分，仅考虑自重应力作用下，桩间土的位移、应力计算结果见图8、图9。

图9 方桩间距2.7m模型垂直于基坑方向应力分布

根据方桩数值模拟结果，并与圆桩进行对比分析可知：

①方桩桩间土的位移分布、应力分布与圆桩基本相同；

②同等直径和边长的圆桩和方桩，方桩的A、B 区的变形更小，C 区变形更大；

③方桩应力主要集中在桩背后，桩侧应力集中情况更小，变形更大，这证明方桩转角位置对桩间土的土拱效应有不利影响。

5 桩间土处理方法分析

目前，圆桩由于其施工多样、适应性强等特征，其应用远多于方桩。方桩桩间土的保护措施主要有三种方式。

方法一：在支护切面位置设置混凝土面层，如图10 所示。防护对象为A、B、C 区土体，考虑土拱效应，其主要防护对象为C 区土体，计算时宜按土体自重考虑侧压力。

图10 桩间土防护方法一

方法二：在支护桩间设置混凝土面层，如图11所示。防护对象为ABC区土体，考虑土拱效应和护面位置，其主要防护对象为B 区和C 区部分土体，计算时宜按土体自重考虑侧压力。

图11 桩间土防护方法二

方法三：在支护桩间按照基坑开挖由浅入深砌筑砖拱墙，此方法源自于早期人工挖孔桩的砖砌护壁，如图12 所示。防护对象为A 区土体，考虑土拱效应，作用在砖拱墙上的土压力相对较小。

图12 桩间土防护方法三

上述三种桩间土的防护方法，从受力效果上，方法三最优；从施工方便而言，方法一最优；从土方挖填上看，砖拱墙填挖量最大；从施工时间上看，砖拱墙最慢。通过优缺点对比，发现方法二相对节约防护面积和土方量，且土方挖填量小，但植筋做法亦较为麻烦。可以考虑预支薄壁轻质材料制备成块拱墙，然后在桩侧设置植筋，采用卡扣可拆卸法对桩间土防护进行优化。