萬(wàn)小龍， 李 聰，， 蔡亞峰， 李 宇， 林宇亮

(1.中國(guó)建筑第五工程局有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410117； 2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

隨著我國(guó)城市化地不斷推進(jìn)，城市用地緊張，用地矛盾突出的情況時(shí)有發(fā)生。城市區(qū)域內(nèi)邊坡或基坑開(kāi)挖經(jīng)常遇到施工空間小、周邊環(huán)境復(fù)雜、重要建筑物多、無(wú)放坡空間等情況。樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)因其突出的優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于各類邊坡和基坑工程中，近年來(lái)更是成為城市復(fù)雜條件下邊坡支護(hù)工程的首選支護(hù)形式。

關(guān)于樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)原理和工作性能，已有很多學(xué)者做過(guò)相關(guān)研究。肖武權(quán)等[1]進(jìn)行了深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到了排樁內(nèi)力和變形的分布規(guī)律。蔡袁強(qiáng)等[2]運(yùn)用巖土工程二維有限元軟件PLAXIS 進(jìn)行了深基坑開(kāi)挖全過(guò)程的模擬，得出了樁體變形和彎矩的分布規(guī)律，以及支撐軸力的分布規(guī)律。周勇等[3]深入考慮樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體之間的協(xié)同作用，改進(jìn)了樁體內(nèi)力計(jì)算的方法，并通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了該方法的正確性。王明龍等[4]采用數(shù)值建模的方式，著重討論了深基坑樁錨支護(hù)中樁內(nèi)力變化規(guī)律。伊?xí)詵|等[5]運(yùn)用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行了土巖二元地區(qū)深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析，得出了土巖二元基坑支護(hù)中樁體的變形規(guī)律。

從以往學(xué)者們所做的研究來(lái)看，大多都只對(duì)基坑工程中的樁錨支護(hù)進(jìn)行研究，而對(duì)邊坡工程中的樁錨支護(hù)則涉及較少。本文基于長(zhǎng)沙市龍?zhí)列W(xué)-某大學(xué)間支路路塹邊坡支護(hù)工程實(shí)例，采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)路塹邊坡開(kāi)挖過(guò)程中樁體變形和受力的變化規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工程概況

龍?zhí)列W(xué) — 某大學(xué)間支護(hù)建設(shè)工程的起點(diǎn)為萬(wàn)家麗北路，終點(diǎn)為湘龍路，設(shè)計(jì)路線全長(zhǎng)1.3km。項(xiàng)目路基處理以挖方為主，K0+205～K0+525、K0+682～K0+965左側(cè)路塹邊坡地質(zhì)組成主要為粉質(zhì)粘土和強(qiáng)風(fēng)化板巖，遇水易受沖刷和軟化，地質(zhì)情況一般。部分邊坡切深達(dá)14m，且坡頂有重要的建筑物距道路紅線較近，受該大學(xué)側(cè)用地限制，無(wú)較大放坡空間。邊坡為永久性支護(hù)，設(shè)計(jì)使用年限為50 a。邊坡安全等級(jí)為一級(jí)，重要性系數(shù)取值γ0=1.1。

根據(jù)該工程地質(zhì)詳細(xì)勘察報(bào)告，場(chǎng)地地層分布自上而下依次為： ①粉質(zhì)黏土，層厚1.50～10.00m；②中風(fēng)化礫巖，最大揭露厚度為20.5m；③ 強(qiáng)風(fēng)化板巖，最大揭露厚度為22.3m；④ 中風(fēng)化泥質(zhì)板巖，最大揭露厚度為9.7m。此外，本線路段所有鉆孔均未見(jiàn)地下水。

2 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方案

選取地質(zhì)條件較差、邊坡支護(hù)高度較大、綜合安全系數(shù)較小的K0+490～K0+525段進(jìn)行分析。該路段邊坡施工影響深度范圍內(nèi)土質(zhì)分為2層，上層為硬塑粉質(zhì)黏土層，層厚為4.12m；下層為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)板巖?？紤]到邊坡開(kāi)挖深度較大，該段邊坡工程采用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，一共設(shè)置5排預(yù)應(yīng)力錨桿，樁間距為2.0m，采用圓形樁，樁長(zhǎng)24.5m，直徑1.0m，冠梁的截面尺寸均為1.0m×0.8m。邊坡支護(hù)剖面見(jiàn)圖1。

圖1 K0+490～K0+525段樁錨支護(hù)剖面圖(單位： m)

3 FLAC3D數(shù)值模型

3.1 模型的基本假定

1) 假定該支護(hù)結(jié)構(gòu)變形滿足平面問(wèn)題的基本條件。

2) 假定該錨索為完全彈性體，錨索采用錨索單元。

3) 假定土體為彈塑性材料，模擬其塑性特性時(shí)屈服條件符合庫(kù)倫摩爾屈服準(zhǔn)則。

3.2 模型概況

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)以及FLAC3D數(shù)值軟件的計(jì)算結(jié)果，邊坡開(kāi)挖影響寬度約為開(kāi)挖寬度的3～4倍，影響深度約為開(kāi)挖寬度的2～4倍，考慮到本邊坡工程開(kāi)挖深度為13.5m，故所建模型的尺寸定為85m×12m×48.5m(長(zhǎng)×寬×高)。模型中土體采用實(shí)體單元，支護(hù)樁采用Pile結(jié)構(gòu)單元，腰梁采用Beam結(jié)構(gòu)單元，錨索采用Cable結(jié)構(gòu)單元(一共采用5排錨桿，上3排錨桿預(yù)應(yīng)力為200kN，下2排錨桿預(yù)應(yīng)力為500kN)，噴射混凝土采用Liner結(jié)構(gòu)單元。模型各部分位置和尺寸均按照?qǐng)D1建立，F(xiàn)LAC3D全局模型如圖2所示，支護(hù)體系如圖3所示。

a) 開(kāi)挖前

圖3 模型支護(hù)系統(tǒng)

3.3 材料參數(shù)的選取

根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)勘察資料和設(shè)計(jì)資料，以及查閱相關(guān)規(guī)范，確定了本模型所有材料的物理力學(xué)參數(shù)，如表1、表2所示。

表1 巖土體的特征參數(shù)情況土層名稱土層厚度/m泊松比ν體積模量K/MPa剪切模量G/MPa硬塑粉質(zhì)黏土40.3012.55.77強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)板巖—0.2832.722.5凝聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)抗拉強(qiáng)度τ/MPa重度γ/(kN·m-3)28200.018.045280.423.5

表2 混凝土及錨索參數(shù)材料名稱材質(zhì)重度γ/(kN·m-3)泊松比ν彈性模量E/(GPa)預(yù)應(yīng)力值(kN)噴射混凝土C20250.2025.5—樁、腰梁混凝土C35250.2031.5—錨索1(上3排)5束?s15.2780.25195.0200錨索2(下2排)6束?s15.2780.25195.0500

3.4 計(jì)算工況

本模型的具體計(jì)算工況如表3所示。

表3 模擬計(jì)算工況工況邊坡開(kāi)挖累計(jì)深度/m支護(hù)設(shè)置11.0在0 m處設(shè)置冠梁和第1排錨桿23.5在3 m處設(shè)置第2排腰梁和第2排錨桿36.5在6 m處設(shè)置第3排腰梁和第3排錨桿49.5在9 m處設(shè)置第4排腰梁和第4排錨桿512.5在12 m處設(shè)置第5排腰梁和第5排錨桿613.5邊坡開(kāi)挖結(jié)束

4 排樁變形和受力模擬結(jié)果及分析

路塹式邊坡的開(kāi)挖是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，邊坡垂直開(kāi)挖是對(duì)土體進(jìn)行卸載的過(guò)程。樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)卸去原有土壓力，受到另一側(cè)土體施加的主動(dòng)土壓力?？拥字ёo(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)受全部或部分被動(dòng)土壓力，導(dǎo)致邊坡土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的變形和位移[6]。

樁錨支護(hù)體系中排樁是最主要的擋土防護(hù)結(jié)構(gòu)，也是樁錨支護(hù)體系設(shè)計(jì)最主要的考慮因素。因此，加強(qiáng)對(duì)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)中排樁的變形和受力研究，能更清楚地認(rèn)識(shí)樁體在邊坡開(kāi)挖過(guò)成中的變形和受力機(jī)理，進(jìn)而可為樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)。為了更好地實(shí)現(xiàn)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)在邊坡支護(hù)工程中的應(yīng)用，以及更好地保證樁錨支護(hù)體系的經(jīng)濟(jì)型和安全性，本文從樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)中排樁設(shè)計(jì)的控制性因素出發(fā)，主要對(duì)樁體側(cè)向變形、樁體彎矩和樁體剪力進(jìn)行分析。

本文所建模型共有6根樁，此處提取1根中間樁的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這樣能更好的消除邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，使分析結(jié)果更加接近實(shí)際情況。

4.1 樁體側(cè)向位移分析

樁體在不同工況下的側(cè)向位移情況如圖4所示，開(kāi)挖完成后樁體的側(cè)向位移云圖如圖5所示。圖中位移值為負(fù)時(shí)代表樁體發(fā)生了朝向土體一側(cè)的位移，位移值為正則說(shuō)明樁體發(fā)生了朝向臨空面一側(cè)的位移。

圖4 不同工況下樁體側(cè)向位移

圖5 開(kāi)挖完成后樁體側(cè)向位移云圖(單位： m)

由圖4可知： ①工況1～4樁體發(fā)生的皆是向土體側(cè)位移，說(shuō)明樁錨結(jié)構(gòu)中錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)樁體側(cè)向位移起到了很好的控制作用，由于所施加的預(yù)應(yīng)力較大，樁體在錨桿預(yù)應(yīng)力作用下不但平衡了墻后主動(dòng)土壓力，還產(chǎn)生了向土體側(cè)位移。 ② 如工況5下位移圖所示，隨著開(kāi)挖深度進(jìn)一步加大，開(kāi)挖段的樁體側(cè)向位移由向土體一側(cè)轉(zhuǎn)向臨空面。其位移最大值為6.6mm，最大值位置在距樁頂5m處，樁體側(cè)向位移較大的部位是開(kāi)挖段樁體中部，樁頂位移為3.6mm，比樁體最大位移小3mm。而開(kāi)挖面以下的樁體同樣向臨空面一側(cè)位移，此段樁體最大位移值在樁底端，為4.4mm。 ③ 工況6相對(duì)于工況5向下開(kāi)挖了1m深度，雖然開(kāi)挖深度并不大，但樁體側(cè)向位移增加非常明顯。工況6邊坡開(kāi)挖深度達(dá)到13.5m，此時(shí)樁體最大位移值為12.7mm，其位置在距樁頂4.5m處，位移分布形式與工況5類似，樁頂位移11mm，較工況5增大了7.4mm，增長(zhǎng)明顯。樁底位移較工況5有所減小，開(kāi)挖面以下樁體位移基本接近。

由圖5可知，每根樁的位移趨勢(shì)基本一致，可見(jiàn)受邊界條件影響較小。

4.2 樁體彎矩分析

樁體在不同工況下的彎矩分布如圖6所示，開(kāi)挖完成后樁體彎矩云圖如圖7所示。

圖6 不同工況下樁體彎矩分布

圖7 開(kāi)挖完成后樁體彎矩云圖(單位： N·m)

由圖6可知： ① 工況1和工況2由于開(kāi)挖深度較小，彎矩比較小，且彎矩變化不大。這2個(gè)階段彎矩值基本為負(fù)值，最大負(fù)彎矩為-201kN·m，出現(xiàn)在工況1階段，而工況2由于土體開(kāi)挖卸載和錨桿的一系列相互作用反而彎矩有所減小。② 隨著開(kāi)挖進(jìn)行，樁體彎矩出現(xiàn)明顯增加，且樁體彎矩最大值隨開(kāi)挖進(jìn)行不斷向樁體下端移動(dòng)，工況3最大正彎矩為97.6kN·m，發(fā)生在距樁頂7m處，最大負(fù)彎矩為-147.5kN·m，發(fā)生在距樁頂4m處。 ③ 工況4最大正彎矩為407.1kN·m，也是整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中樁體出現(xiàn)的最大正彎矩值，發(fā)生在距樁頂9.5m處，最大負(fù)彎矩為-318.4kN·m，發(fā)生在距樁頂5m處；工況4較工況3的樁體彎矩有顯著增加，此段土體開(kāi)挖對(duì)樁體彎矩有明顯影響。 ④ 工況5相對(duì)工況4來(lái)說(shuō)，最大正彎矩繼續(xù)向樁體底端移動(dòng)，但最大正彎矩值較工況4有所減小，而最大負(fù)彎矩值為-393.1kN·m，也是整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中樁體出現(xiàn)的最大負(fù)彎矩。 ⑤ 工況6較工況5向下開(kāi)挖了1m深度，但其彎矩分布曲線較工況5變化很小，僅由于開(kāi)挖卸載的作用，樁體在樁高為10～12.5 m處彎矩較工況5有所減小，而其他部位變化不明顯。 ⑥工況1～3的樁體在樁高為0～14m的樁段內(nèi)彎矩較小，且變化較小，從工況4開(kāi)始，此段樁體的彎矩有明顯增加；從工況5開(kāi)始，此段樁體由受負(fù)彎矩變?yōu)槭苷龔澗亍＂?錨桿作用點(diǎn)處的樁體彎矩往往出現(xiàn)突變，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)樁體彎矩有很好地控制效果。

由圖7可知，每根樁的彎矩云圖基本一致，可見(jiàn)受邊界條件影響較小。

4.3 樁體剪力分析

樁體在不同工況下的剪力分布如圖8所示，邊坡開(kāi)挖完成后樁體剪力云圖如圖9所示。

a)

圖9 開(kāi)挖完成后樁體剪力云圖(單位： N)

由圖8可知: ① 預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)樁體剪力影響很大，設(shè)置錨桿的位置即樁體剪力的極值點(diǎn)。錨桿通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力給樁體作用了一個(gè)集中力，所以該點(diǎn)的樁體剪力會(huì)出現(xiàn)突變趨勢(shì)，與實(shí)際相符。 ② 隨著開(kāi)挖進(jìn)行和錨桿的施加，下一工況都比上一工況多一個(gè)極值點(diǎn)。而工況6雖然沒(méi)有增加錨桿，但是開(kāi)挖面的土體也具有支點(diǎn)效果，所以工況6較工況5，在臨近開(kāi)挖面處多一個(gè)極值點(diǎn)，這與圖6中彎矩的變化趨勢(shì)一致。 ③ 從工況1～4，樁體剪力迅速增大，每步工況下樁體剪力絕對(duì)值的最大值都發(fā)生在新增錨桿的位置。且整個(gè)施工過(guò)程中的剪力最大值出現(xiàn)在工況4中，這與彎矩最大值出現(xiàn)在工況4一致，該剪力最大值為360kN，位置在距樁頂9m處，位于第4排錨桿上方0.5m處。 ④ 工況5較工況4剪力最大值有所減小，工況5剪力最大值258kN，與工況4的剪力最大值處于同一位置。工況6較工況5除了在開(kāi)挖面附近新增一個(gè)極值點(diǎn)外，其他部位的剪力較工況5略微有所減小。⑤ 樁高10m以下的這段樁體，工況1～3剪力非常小，這主要是工況1～3開(kāi)挖深度較小，此段樁體幾乎還沒(méi)發(fā)生什么變形，這與圖4中樁體側(cè)向位移的結(jié)果相符。隨開(kāi)挖進(jìn)行，從工況4到工況6，此段樁體剪力有明顯增加。但此段樁體埋在土中，變形較小，所以其剪力值較上部樁體小得多，最大值不超過(guò)100kN。

同樣由圖9可知，每根樁的剪力云圖基本一致，再一次證明了數(shù)值計(jì)算結(jié)構(gòu)受邊界條件影響小。

5 結(jié)論

綜上所述，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)排樁的側(cè)移有明顯的約束作用。當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力較大、邊坡開(kāi)挖深度較小時(shí)，排樁的側(cè)向位移很小，甚至?xí)捎阱^桿的作用而發(fā)生朝向土體一側(cè)的位移。但隨著邊坡開(kāi)挖深度增加，排樁朝向臨空面的側(cè)移將明顯增大。在本工程實(shí)例中，樁體最大側(cè)移為12.7mm，此時(shí)的開(kāi)挖深度為13.5m。

2) 預(yù)應(yīng)力錨桿以集中力的形式作用于樁體上，不僅對(duì)樁體變形有很好的控制作用，對(duì)樁體彎矩和剪力也有很好的控制作用，避免了類似懸臂樁出現(xiàn)剪力和彎矩很大的情況，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性更好。在本工程實(shí)例中出現(xiàn)的剪力最大值為360 kN，彎矩最大值為401.7 kN，2者均發(fā)生在工況4。

3) 研究結(jié)論與文獻(xiàn)[1]～[10]中所得結(jié)論相比，雖然因工程實(shí)際條件不同而在數(shù)據(jù)上有差別，但整體變化規(guī)律和趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明本文建模方法正確、所得數(shù)據(jù)正確、結(jié)論可靠。