土体加固对倾斜桩围护结构受力变形影响研究

2024-02-01胡昌钧

海河水利 2024年1期

胡昌钧

（江西省上饶市铅山县水利局，江西上饶 334500）

随着我国城市化进程的加速，基坑工程逐渐向深、超深基坑发展，周围环境也愈加复杂[1]。在软土地区，传统的内支撑、桩锚支护结构施工复杂，同时造成相当程度的资源浪费，已逐渐被放弃。诸多学者从试验及数值分析出发，证明了倾斜桩支护作为一种新型绿色支护结构能够较好地控制基坑开挖时土体的位移，维持基坑稳定。郑刚、刘畅等将倾斜桩支护结构分为纯斜桩、外斜直组合、内斜直组合、内外斜组合，并对4种结构的工作机理进行分析，认为斜直支护结构存在刚架效应、重力效应、斜撑效应[2-5]。王恩玉、周海祚等通过仿真计算发现了在保持桩的性状不变条件下，倾斜桩支护结构相较于直桩支护其桩身水平位移及坑外土体竖向位移有明显的减少，随着倾角的增大，支护结构的受力及变形表现出减小的趋势[6，7]。目前已在天津等地报告了倾斜桩支护项目[8]。有的学者发现软土的物理力学性状表现出较强的地域性，特别是沿海地区软土表现出更高的含水率、更大的孔隙比、更低的强度值[9]。为控制支护结构变形，常对一定范围内的土体进行加固处理[10]。研究表明，基坑加固区土体相较于未加固表现出更高的模量，对基坑支护结构变形的控制效果明显，坑底加固已被广泛运用在软土地区的深基坑开挖[11-13]。坑底土体加固使得土的性状发生明显的改变，支护结构的受力、变形、土体的沉降产生显著变化[14-16]。目前，在实际工程中，被动区加固技术已经积累了相当经验，但是对考虑被动区土体加固的基坑支护机构变形特性研究相对较少，针对通过基坑底部土体加固来控制倾斜桩支护变形的报告尚为稀缺。

因此，本文依托杭州文一西路提升改造工程中的隧道深基坑工程，采用有限元分析方法，研究不同坑底被动区土体加固宽度、高度对不同倾角的支护结构变形的影响。本研究成果以期为类似深基坑提供一定借鉴或参考。

1 工程概况

杭州市余杭区文一西路提升改造地下道路工程隧道基坑工程位于杭州市余杭区，建设场地为湖沼积平原区，地貌类型单一。隧道基坑设计范围西至东西大道以西，东至创远路以东，设计里程桩号K0+500—63+630，整体开挖深度0～16.9 m，沿线宽度不同，标准段宽度29.5～48.0 m，匝道段深度约14 m。基坑采用明挖顺作法施工，其围护结构主要采用倾斜桩+坑底加固的支护结构，倾斜桩为800 mm×800 mm的预制混凝土矩形桩，间距800 mm，桩长20 m。基坑开挖范围内穿越地层依次为杂填土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土。其中，淤泥质粉质黏土工程力学特性较差，采用水泥搅拌桩（Φ850@600）对坑底土体进行加固。

2 计算模型建立

结合该工程的典型地层和结构参数，采用MI⁃DAS GTS NX 对基坑开挖过程进行数值分析，建立有限元模型，如图1所示。

图1 基坑有限元模型示意

图1 中，H、B分别为加固区深度、宽度。基坑开挖深度为14.4 m，分4次开挖，开挖深度依次为3.5、3.5、3.5、3.9 m。倾斜护桩采用1D 梁单元模拟、线弹性本构模型，弹性模量30 GPa，桩顶未设置冠梁。基坑土体采用小应变硬化（HSS）模型，土层参数详见表1。

表1 各土层参数

表1 中，γ为土的容重，E50为三轴排水剪切试验的参考割线模量，Eode为固结试验的参考切线模量，Eur为三轴排水剪切试验的参考加卸载模量，c'为土的有效黏聚力，φ'为有效内摩擦角，m为刚度应力水平相关幂指数，γ0.7为割线剪切模量衰减到初始剪切模量70%时所对应的剪应变，Rf为破坏比。坑内土体网格长度尺寸0.5 m，坑外土体网格长度尺寸1 m。对于采用水泥土桩加固的坑底土体，参考文献[9]中方法，采用莫尔库伦模型进行取值，黏聚力取120 kPa，内摩擦角取22°，弹性模量取90 MPa。

通过激活或钝化土体单元实现基坑开挖施工过程模拟，具体分析步骤如下：①激活所有土层单元，进行初始应力分析；②坑底土体加固；③激活倾斜桩；④开挖第i层土体（i=1、2、3、4）；⑤开挖至坑底。

3 倾斜角度对加固组合支护结构变形的影响

被动区加固倾斜桩桩身水平位移曲线及斜桩最大水平位移随斜桩倾角的变化规律，如图2—3所示。

图2 不同倾角斜桩桩身水平位移变化

从图2—3 可以看出，3 种情况下桩身水平位移沿深度的变化规律基本相同，均表现出“鼓肚式”的变形特征，最大水平位移出现在深度约8 m 处。从图3可以发现，当加固区深度不变时，桩体的最大水平变形随斜桩倾角的增大而近似呈线性减少趋势。在加固区深度H=0.5、3 m 时，15°斜桩相比于直桩的最大水平位移分别下降了36%、29%，这说明倾斜桩支护的控制变形能力随着倾斜角增加而增强。这主要是倾斜桩支护存在一定的“自撑效应”。

图3 斜桩倾角对最大水平位移的影响

4 加固深度对不同倾角支护体系的影响

4.1 加固深度对不同倾角支护结构水平位移的影响

不同倾角斜桩桩身水平位移随加固区深度变化规律，如图4所示。

图4 不同加固区深度下斜桩桩身位移变化

从图4 可以看出，随着深度的增加，支护桩的水平位移逐渐增加，约在H=8 m处达到最大水平位移，之后逐步减小。位移变化模式与在基坑内设置水平内支撑的内凹式分布类似，表明土体加固对支护结构起到了“支撑”效果。随着斜桩倾角的增加，最大水平位移、桩顶位移均表现出减小的趋势，表明其支护能力逐渐增强即斜桩倾角越大其“斜撑”效应越明显。

各倾角支护桩桩身最大水平位移随加固深度的变化曲线，如图5 所示。从图5 可以看出，加固深度从1 m 增加到2 m，倾角为0°、5°、15°时，斜桩桩身最大侧移分别下降了7.7%、3.3%、3%；加固深度从1 m增加到5 m时，斜桩桩身最大侧移分别下降了3.5%、1.67%、1.1%。这表明随着加固深度的增加，斜桩的最大水平位移呈非线性减小趋势即深度小于2 m时，下降明显；深度大于2 m时，下降逐渐放缓。当加固深度达到一定值，增加加固深度对斜桩水平位移影响较小。加固深度从1 m 增加到5 m 时，桩身最大水平位移减小幅度从大到小排列为直桩、倾角5°斜桩、倾角15°斜桩，说明倾斜角越小其对加固深度的敏感性越高。这可能是因为倾角越大其桩本身的斜撑效果越明显，对加固土体提供的“支撑”需求越低。

图5 不同加固区深度下斜桩最大水平位移变化

4.2 加固深度对不同倾角支护结构弯矩的影响

不同倾角斜桩弯矩随加固区深度变化规律，如图6 所示。从图6 可以看出，3 种倾角斜桩弯矩沿桩身的变化规律类似，桩身存在反弯点，最大弯矩点出现在约8 m 处。斜桩在H=14 m 以上部分受负弯矩控制，以下部分受正弯矩控制。随着倾角的增加，桩身正弯矩呈减小的趋势。

各倾角斜桩最大弯矩随加固深度变化曲线，如图7 所示。从图7 可以看出，加固深度从1 m 增加到2 m，倾角为0°、5°、15°时，斜桩桩身最大弯矩分别下降了4.7%、0.94%、0.65%；加固深度从1 m 增加到5 m 时，各斜桩桩身最大弯矩分别下降了1.23%、1.1%、0.99%。这表明随着斜桩倾角的增大，斜桩桩身弯矩越小。在加固深度从1 m 增加到5 m，深度在2 m 以内时，斜桩最大弯矩下降较为明显；在2 m 以外时，斜桩最大弯矩在很小的范围内变化。随着斜桩倾角增加，桩身最大弯矩呈非线性减少趋势。这说明加固深度到达一定值后，基坑已经具有较高的自稳定性，再增加加固深度或倾角对减少桩身弯矩效果已经不明显，即存在最优的加固深度。这与斜桩水平位移的变化规律类似。

图7 不同加固区深度下斜桩最大弯矩变化

5 被动区加固对不同组合支护结构影响

这里，主要讨论被动区加固对倾斜桩支护结构、悬臂桩与内支撑组合结构[15]影响的差异。对于深大基坑，传统的单排桩悬臂支护结构很难满足控制变形的要求，由于施加内支撑可以有效增强其控制变形能力，悬臂桩与内支撑组合结构逐渐成为深基坑工程中的选择，如图8 所示。这对于分析被动区加固对倾斜桩支护及悬臂桩与内支撑组合支护结构影响有一定的现实意义。

图8 悬臂桩与内支撑组合支护结构剖面

对于围护桩的水平位移，2 种支护结构表现出类似的变化规律，均呈“鼓肚式”特征。随着加固深度的增加，两者的最大水平变化规律类似，即桩身水平位移的减小幅度随着加固深度的增加而逐渐减小。这表明加固深度对于支护结构的变形控制应该存在一个最优加固深度，当超过这个值时，对于控制结构变形的意义不大。

对于围护桩桩身弯矩，两者的变化趋势截然相反，内支撑与悬臂桩的组合结构的围护桩弯矩主要受到正弯矩控制，其变化规律也呈“鼓肚式”特征，这是由于两者的受力不同所导致的，内支撑与悬臂桩的组合结构使围护桩受到来自内支撑的水平轴力的作用，其限制了桩的变形，改变了其内力分布。随着加固深度的增加，围护桩桩身最大弯矩降幅逐渐减小，与水平位移类似。

综上，坑底加固不会改变支护结构本身的位移、内力变化特性，但能有效地减小支护桩的水平位移及桩身弯矩。最优加固深度将加固效果分为2个阶段，前段加固效果明显，后段加固效果可以忽略。