黃志波，吳能森，林 奇，詹素華，鄭春婷 (1. 福建農(nóng)林大學(xué) 金山學(xué)院， 福州 5000；. 福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院， 福州 50108；. 福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院， 福州 50118；. 福建省建專巖土工程有限公司，福州 50007)

復(fù)合地基技術(shù)能夠充分利用天然地基和樁體材料的潛在承載力，采用復(fù)合地基能夠有效提高邊坡穩(wěn)定性[1].擋土墻荷載下剛性樁復(fù)合地基不僅受到擋土墻傳來的豎向力，也受到擋墻傳遞來的較大水平力與邊坡滑動土壓力[2].然而，目前缺少在水平荷載作用下復(fù)合地基的設(shè)計方法，擋土墻荷載下剛性樁復(fù)合地基在設(shè)計時，水平承載力的驗算缺少規(guī)范和理論依據(jù)，使得擋墻荷載下剛性樁復(fù)合地基存在一定的安全隱患.

目前，不少學(xué)者對剛性樁復(fù)合地基在水平荷載下的工作性狀進(jìn)行深入的研究，成果主要集中在研究樁頂位移、樁身內(nèi)力，并考慮了水平荷載、褥墊層模量、褥墊層摩擦角、樁身長度等因素的影響[3-9].然未見擋土墻基底為逆坡且樁頂不在同一高度情況下，剛性樁復(fù)合地基承載性狀的研究成果.為此本文基于莆田市某安置房邊坡支護(hù)項目，研究擋土墻基底為逆坡且樁頂不在同一高度情況下，剛性樁復(fù)合地基的承載性狀，以期供其他類似工程參考，有助于完善擋墻邊坡荷載下剛性樁復(fù)合地基的設(shè)計理論.

1 工程概況及數(shù)值模型的建立

1.1 工程概況

莆田市某安置房的填方邊坡支護(hù)工程總長為611 m，主要采用管樁復(fù)合地基與扶壁式擋墻支護(hù)，典型剖面圖如圖1所示(管樁布置情況及編號如圖2所示).扶壁式擋墻墻高為7.2 m，墻厚0.35 m，扶肋厚0.4 m，間距為4 m，墻趾板寬1 m，踵板寬5.35 m，底板厚0.5 m傾斜率為0.1∶1，采用C30混凝土，各樁樁頂?shù)綋跬翂Φ酌娴木嚯x均為0.3 m.管樁型號為PHC-500-125-AB，外徑為0.5 m，壁厚0.125 m，樁長12 m，樁間距2 m，排間距1.8 m，混凝土強(qiáng)度等級為C80，并用C30混凝土全長填芯.該樁型(未填芯)受彎承載力設(shè)計值為186 kN·m，受剪承載力設(shè)計值為273 kN，軸心受壓承載力設(shè)計值(未考慮壓屈影響)為3 701 kN[10].

圖1 典型剖面示意圖Figure 1 Typical section diagram

圖2 管樁布置平面示意圖Figure 2 Layout plan of pipe piles

邊坡影響范圍內(nèi)巖土層按其成因及力學(xué)強(qiáng)度不同可分為4層，分別為：①雜填土：主要為建筑垃圾混黏性土及沙土，松散～稍密狀態(tài)，層厚0.3～4.8 m，②粉質(zhì)黏土：主要成分為黏性土，可見粒徑不均的砂粒、碎石等，軟塑～可塑，層厚0.5～12.1 m，③殘積土：主要成分為長石風(fēng)化而成的黏性土及石英砂礫組成，可塑～硬塑，層厚0.3～24 m，④強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(散體狀)：中粗粒結(jié)構(gòu)，散體狀～砂礫狀構(gòu)造，巖體基本質(zhì)量等級為V級，層厚0.1～18.5 m.典型剖面土層交界面標(biāo)高如圖1所示，詳細(xì)巖土層及支護(hù)材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1、2.

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)表

表2 支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)表

1.2 有限元模型的建立

采用FLAC3D有限差分軟件建立典型剖面擋土墻下剛性樁復(fù)合地基的數(shù)值分析模型，如圖3所示.模型尺寸長45.4 m、寬8 m、高39.4 m，其中巖土體、樁及擋墻采用塊體單元建立.樁及扶壁式擋墻采用彈塑性本構(gòu)模型，巖土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，巖土體彈性模量取表1中壓縮模量的5倍[11-12].在樁體與土體的交界面、擋土墻底面與墊層的交界面設(shè)置接觸單元，接觸單元的剪切強(qiáng)度取相鄰?fù)馏w剪切強(qiáng)度的0.6倍[13].

圖3 數(shù)值模型示意圖Figure 3 Schematic diagram of numerical model

2 位移分析

2.1 擋土墻位移

扶壁式擋土墻的位移如圖4、5所示，其中圖4為回填工程計算結(jié)束后的擋土墻水平位移云圖，圖5為計算分析過程中擋土墻上不同點的位移曲線圖(位移隨計算步數(shù)變化曲線圖).

圖4 擋土墻水平位移云圖Figure 4 Nephogram of horizontal displacement of retaining wall

由圖5(A)可知，擋墻整體呈向臨空側(cè)位移，在計算約30 000步后，水平位移曲線趨于直線，此時回填邊坡狀態(tài)也趨于穩(wěn)定.擋墻頂面各點水平位移相近，并在回填初期向邊坡側(cè)偏移(最大水平位移為1.02 mm)，但在計算至約10 000步時擋墻頂面開始向臨空側(cè)變形.這是由于擋土墻基底為逆坡，回填初期在擋墻自重及回填土重力作用下?lián)鯄Φ装逑蛳螺p微傾斜導(dǎo)致；隨著回填土高度增加，擋墻在土壓力作用下逐漸向臨空側(cè)變形直至墻后邊坡穩(wěn)定.該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[14]的研究結(jié)果基本吻合，從側(cè)面驗證模型的合理性.擋土墻整體呈現(xiàn)向邊坡側(cè)傾斜(如圖4所示)，墻頂各點水平位移相近，最大值為12.39 mm；擋土墻頂面的水平位移小于底板的，墻趾中點D與墻踵中點E的最大水平位移分別為16.47 mm與16.79 mm.

由圖5(B) 可知，回填過程中擋墻整體呈下沉趨勢，回填初期墻踵中點E豎向位移曲線斜率相對墻趾中點D的要大，說明回填初期擋土墻底板向下輕微傾斜，該現(xiàn)象與擋土墻頂面水平位移規(guī)律相符.沉降穩(wěn)定后，最大豎向位移出現(xiàn)在墻踵中點E處(25.74 mm)，墻趾中點D的位移為21.38 mm；頂面各點的豎向位移基本相同，最大值位于頂面中點A處(22.53 mm).

圖5 擋土墻位移曲線Figure 5 Displacement curve of retaining wall

2.2 樁身水平位移

管樁的位移情況如圖6所示，其中圖6(A)為管樁樁身水平位移沿樁長變化曲線，圖6(B)為管樁樁身水平位移增量變化曲線(樁身水平位移增量為樁身上一點水平位移值減下一點位移值).

由圖6可知，管樁往臨空側(cè)變形，各排樁樁身水平位移變化規(guī)律相似，均為樁頂水平位移最大，且沿樁長逐漸減小.各排樁樁的樁身水平位移近似相等，第一排至第三排樁的樁頂最大水平位移分別為15.84 mm、15.44 mm和15.24 mm，這是由于樁在墊層中，墊層能在一定程度上協(xié)調(diào)各樁的變形.三排樁樁身水平位移增量變化規(guī)律相似并呈“勺”形，均沿樁長先增大后減小.各排樁最大的樁身水平位移增量較為接近，第一排至第三排樁的最大的樁身水平位移增量分別為0.43 mm、0.42 mm和0.45 mm.但最大樁身水平位移增量的位置差別較大，第一排至第三排最大樁身水平位移增量的位置分別在距離樁頂2.75 m、3.25 m和3.5 m處，約處于樁頂下1/5至1/3樁長范圍內(nèi).可見，管樁除了受到墊層傳來的水平荷載外，也受到擋土墻后邊坡滑動土壓力的影響，同時第三排樁也減少了滑動土壓力對第一和第二排樁的影響，限制潛在滑裂面的發(fā)展.

圖6 管樁位移曲線Figure 6 Displacement curve of pipe pile

3 內(nèi)力分析

3.1 樁身軸力

管樁樁身軸力沿樁身變化曲線如圖7所示.圖7中各排樁的軸力曲線變化規(guī)律相似，整體上沿樁長逐漸減少.各排樁樁身的最大軸力均在樁頂處，且越靠近邊坡側(cè)，最大軸力越小.第一排樁樁身最大軸力為-565.16 kN，第二至第三排樁最大軸力較第一排樁分別小14.07%、51.92%，值為485.65 kN與271.72 kN.各排樁靠近樁頂處軸力減小較快，是由于約1 m的樁身處于墊層中，而墊層的摩阻力較大導(dǎo)致.第一排樁至第三排樁的樁底最大軸力分別為-311.58 、-235.56 、-44.32 kN，軸力并未在樁底衰減為0，說明各排樁均是依靠樁側(cè)摩阻力與樁端阻力共同承擔(dān)上部荷載.

圖7 樁身軸力曲線圖Figure 7 Pile shaft axial force curve

3.2 樁身彎矩

圖8為管樁樁身彎矩沿樁身變化曲線圖.由圖8可知，各樁樁身彎矩曲線整體呈“弓”形，由于擋墻與墊層的作用限制了樁頂?shù)乃轿灰婆c撓度變形，所以在樁頂附近產(chǎn)生了較大的彎矩[15].在樁身0.35～4 m區(qū)段內(nèi)各樁彎矩整體為減小趨勢但規(guī)律差異較大，第一排樁樁身彎矩在區(qū)段內(nèi)快速減小呈倒拋物線形，第二排樁樁身彎矩衰減速度較第一排小曲線接近于直線，第三排樁樁身彎矩曲線反而是先接近水平至1.625 m后進(jìn)入彎矩衰減階段.第一排與第二排樁樁身彎矩最大值處于樁長0.35 m處分別為79.72 kN·m和50.03 kN·m，而第三排樁樁身彎矩在樁長約1.625 m處達(dá)到最大，值為35.96 kN·m.各排樁樁身彎矩曲線均在樁長約3.875 m與7.625 m附近變形發(fā)生轉(zhuǎn)變，這兩處均為土層交界處附近，說明土層參數(shù)差異對彎矩變化有一定的影響.在樁長約7.625 m至樁底的區(qū)段內(nèi)，各排樁的彎矩值近似相等，并在樁底接近于0.

圖8 樁身彎矩曲線圖Figure 8 Pile bending moment curve

3.3 樁身剪力

圖9為管樁樁身剪力沿樁身變化曲線圖.圖9中各排樁的剪力曲線變化規(guī)律相似均呈“波浪形”，且“波谷”皆出現(xiàn)在土層交界處附近.在各排樁中，越靠近邊坡側(cè)，樁頂剪力越小.第一排樁和第二排樁樁身最大剪力均在樁頂，分別為125.62 kN和42.33 kN，而第三排樁身最大剪力為31.07 kN，在距離樁頂3.375 m處.樁身第一個“波谷”剪力值排序與樁頂最大剪力值排序相反，為靠近邊坡側(cè)的剪力值越大，并且“波谷”點隨著靠近邊坡側(cè)而有所下移.在距離樁頂7.625 m至樁底區(qū)間段中，各排樁的剪力值基本相同，并在樁底處剪力值接近為0.

圖9 樁身剪力曲線圖Figure 9 Pile shear curve

4 結(jié) 論

1)扶壁式擋土墻回填過程中呈向臨空側(cè)位移，且擋墻墻身向邊坡側(cè)輕微傾斜.在回填初期，擋墻頂面稍微向邊坡側(cè)偏移，而后開始往臨空側(cè)變形直至邊坡穩(wěn)定.

2)各排樁的樁身水平位移曲線基本一致，最大值均在樁頂處.各樁樁身水平位移增量變化規(guī)律相似并呈“勺”形，增量最大值處于樁頂下約1/5至1/3樁長范圍內(nèi).管樁的存在有助于限制潛在滑裂面的發(fā)展.

3)各排樁的樁身內(nèi)力變化規(guī)律相似.樁身軸力最大值均出現(xiàn)在樁頂，第一排樁樁頂軸力最大，第二和第三排樁的最大軸力比第一排樁的分別小14.07%、51.92%.各樁樁身彎矩曲線整體呈“弓”形，且受土層參數(shù)變化影響，各樁樁身彎矩均在土層交界處附近出現(xiàn)最值，而后彎矩變化規(guī)律發(fā)生轉(zhuǎn)變.各排樁的樁身剪力曲線變化規(guī)律呈“波浪形”，并在土層交界處附近出現(xiàn)“波谷”，第一排和第二排樁最大剪力處于樁頂，第三排樁最大剪力處于樁頂下約3/10樁長位置.