基坑支護中樁頂放坡數(shù)值穩(wěn)定性分析

胡翔宇，徐書平，龐建成，李錫銀

(1.武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023；2.武漢華中巖土工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023；3.武漢武建機械施工有限公司，湖北 武漢 430030)

0 引 言

隨著基坑支護設(shè)計的發(fā)展，鉆孔灌注樁加樁頂放坡卸土的支撐選型應(yīng)用越來越廣泛[1]，雖然對變形的控制及安全度不及樁撐支護，但其具備施工方便，便于土方開挖及土的上部結(jié)構(gòu)施工，較為經(jīng)濟等優(yōu)勢。因此，研究并改善該支護形式下邊坡的安全度和變形控制是一個重點。

在當(dāng)前的基坑支護設(shè)計中，設(shè)計人員一方面為減小懸臂樁支護高度，常盡量采用壓低支護樁樁頂標(biāo)高的做法，以減小支護樁所承受的內(nèi)力如彎矩、剪力等，從而降低基坑支護體系的工程造價；但另一方面該做法必然導(dǎo)致增加了樁頂?shù)姆牌赂叨龋档土藰俄斶叺陌踩€(wěn)定性。

本文以武漢地區(qū)某基坑支護工程為例，對天然邊坡與人工開挖邊坡極限平衡法下分析結(jié)果差異進行探討，并通過控制變量法分析總結(jié)出支護體系剛度、樁墻頂邊坡的坡比、邊坡土層參數(shù)等因素對樁墻上部邊坡穩(wěn)定性影響的一般規(guī)律。

1 工程概況

1.1 基坑工程概況

該基坑開挖深度約為8.2 m，基坑采用鉆孔灌注樁加樁頂斜土放坡的支護形式，如圖1所示。樁的材料取C30，樁長15 m，樁頂二級放坡。離坡頂邊有15 kPa的堆載。工序是先打入灌注樁，然后對8.2 m基坑分七次開挖，前四次開挖是對邊坡開挖，后三次開挖挖至坑底。

圖1 基坑支護平面圖

1.2 土層參數(shù)選取

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，土層材料以及樁體材料參數(shù)選取見表1所示。

表1 基坑土層的材料參數(shù)表

2 模型的構(gòu)件

2.1 模型基本假定

本次采用巖土工程、結(jié)構(gòu)工程專用有限元分析軟件 ABAQUS進行二維數(shù)值模擬計算分析基坑支護[2]。

由于巖土材料具有隨機和復(fù)雜的物理學(xué)特性，因此要將巖土材料的物理力學(xué)性能嚴(yán)格按照實際的施工步驟進行完全數(shù)值模擬是十分困難的。因此在建模和計算過程中，應(yīng)采用由主及次的方法，重點考慮主要影響因素，忽略次要影響因素，選取適當(dāng)?shù)牧W(xué)假設(shè)并結(jié)合具體問題進行適當(dāng)簡化。

我們在數(shù)值模擬中引入以下假設(shè)：假定土介質(zhì)為彈性各向同性連續(xù)體，各層均為均質(zhì)。樁與周圍土體之間或土層之間沒有滑移或分離[3]。

2.2 二維模型建立

采用ABAQUS軟件對基坑開挖、地下空間結(jié)構(gòu)施工，以及鉆孔灌注樁加樁頂放坡的支護結(jié)構(gòu)施工過程進行二維數(shù)值模擬分析。以計算書中該基坑工程支護結(jié)構(gòu)的平面布置圖為根據(jù)，建立二維有限元計算模型。我們在ABAQUS軟件中以支護樁為中點，向兩邊各延長30 m，土層總厚度取30 m，建模時將樁等效為寬0.8 m的地連墻，樁的材料取C30，樁長15 m。離坡頂邊有15 kPa的堆載，等效為15 kPa的無限均布荷載。

對所有土層土體采用可變形實體單元模擬，服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[4]。對鉆孔灌注樁同樣采用可變形實體單元進行模擬，原始彈性模量取30 000 MPa。

數(shù)值模型計算時，選取如下邊界條件：平面X=0和X=60處及模型的左右兩端限制其X方向的平動位移自由度；模型底面限制X和Y兩個方向平動自由度。

本次模擬主要是對兩種狀況下的邊坡模擬結(jié)果差異進行探討，并通過控制變量法分析總結(jié)出支護體系剛度、彈性模量、樁墻頂邊坡的坡比、邊坡土層參數(shù)等因素對樁墻上部邊坡穩(wěn)定性影響的一般規(guī)律。

3 云圖結(jié)果與討論

3.1 對比天然邊坡與人工開挖邊坡

天然邊坡與人工開挖邊坡對比結(jié)果見表2。

表2 天然邊坡與人工開挖邊坡對比表

通過對比我們發(fā)現(xiàn)，從安全系數(shù)角度來看，人工開挖邊坡安全系數(shù)大約在1.32，如圖2所示，而天然邊坡安全系數(shù)大約在1.55，如圖3所示。從ABAQUS模擬結(jié)果看，天然邊坡明顯較人工開挖邊坡更為穩(wěn)定。

圖2 人工邊坡安全系數(shù)圖

圖3 天然邊坡的安全系數(shù)圖

圖4 天然邊坡土層相對位移云圖

從土層相對位移云圖，我們可以發(fā)現(xiàn)天然邊坡土層已經(jīng)正常固結(jié)，幾乎不存在相對位移，如圖4所示。而人工開挖邊坡存在土的時空效應(yīng)，由于基坑開挖后上部土層被挖掉，原有的荷載平衡被打破，使邊坡及基地土方產(chǎn)生應(yīng)力釋放[5]，導(dǎo)致云圖中坑底土方和臨坡面變形隆起較大，甚至達(dá)到了9 cm，如圖5所示。因此，在巖土工程設(shè)計中不可將人工開挖邊坡等同于天然邊坡，開挖過程中的應(yīng)力釋放情況應(yīng)考慮進去。

圖5 人工邊坡土層相對位移云圖

3.2 改變樁體彈性模量

改變樁體彈性模量，得出不同裝開下的樁頂水平位移云圖，如圖6～圖11所示。

圖6 原始條件下樁頂水平位移云圖

圖7 原始條件下樁頂邊坡安全系數(shù)

圖8 增大樁體彈性模量下樁頂水平位移云圖

圖9 增大樁下彈性模量樁頂邊坡安全系數(shù)

圖10 減小樁身彈性模量下樁頂水平位移云圖

圖11 減小樁身彈性模量樁頂邊坡安全系數(shù)

圖12 人工開挖邊坡的塑性貫通區(qū)

圖13 打入鉆孔灌注樁后邊坡的塑性貫通區(qū)

通過對比得出：天然邊坡的邊坡安全系數(shù)最大而人工開挖邊坡的穩(wěn)定性最差。在打入鉆孔灌注樁后開挖邊坡，邊坡的穩(wěn)定性有所提升。我們通過觀察這兩種工況下的邊坡塑性貫通區(qū)，如圖12、圖13所示，可以發(fā)現(xiàn)打入鉆孔灌注樁后原有的滑動曲線被樁身攔截，并且鉆孔灌注樁強度足夠高到無法被剪斷，邊坡的滑裂面也有改變，因此邊坡強度提高，安全系數(shù)增加。

我們進一步改變樁身彈性模量，隨著彈性模量增加，樁頂位移逐步減少(表3)，這說明樁身彈性模量的改變對邊坡穩(wěn)定性影響不大，但是能在很大程度上影響樁身位移量。這是因為彈性模量可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，樁身越不容易變形，越能抵抗變形。但是邊坡安全系數(shù)變化不大，趨于定值，這是因為邊坡滑裂面曲線的主要影響因素為填土的性質(zhì)和樁身光滑程度[6]。

表3 不同彈性模量下樁身位移與安全系數(shù)對比表

3.3 改變邊坡土層抗剪強度參數(shù)

不同土層抗剪強度參數(shù)對比結(jié)果見表4。

通過對比我們發(fā)現(xiàn)：無論是邊坡穩(wěn)定性還是樁頂位移，增加土層的c、φ值，對其影響很大。減小土層的抗剪強度參數(shù)，使第一層土為淤泥質(zhì)土，我們發(fā)現(xiàn)安全系數(shù)減小到0.99，此時邊坡開挖就會失穩(wěn)，若此條件下我們打入直徑為800 mm的灌注樁，邊坡穩(wěn)定性提升明顯，安全系數(shù)達(dá)到了1.08，如圖14、圖15所示，此時開挖邊坡較前者更為安全可靠，但是由于土質(zhì)較差帶來樁頂位移過大，深厚淤泥質(zhì)土層鉆孔灌注樁施工需要對樁采取加固手段。土層抗剪強度參數(shù)是該模擬中最大的影響因素。對于抗剪強度參數(shù)數(shù)值優(yōu)良的土質(zhì)環(huán)境，工程中可以直接采用放坡的支護形式，同樣安全可靠，而且更加經(jīng)濟高效。而對于淤泥質(zhì)土層或者黃土要尤其注意因開挖造成的邊坡失穩(wěn)情況[7]，要對淤泥質(zhì)土層邊坡開挖進行邊坡支護。另外，土質(zhì)條件對樁身位移影響最大，較差土質(zhì)條件下，樁身位移量翻倍，需要進一步對位移量進行控制。

表4 不同土抗剪強度參數(shù)模擬結(jié)果對比表

圖14 減小土層參數(shù)樁頂邊坡安全系數(shù)

圖15 打入鉆孔灌注樁后邊坡安全系數(shù)

3.4 改變樁體剛度

不同剛度的灌注樁對比結(jié)果圖見表5。

表5 不同剛度樁身位移與安全系數(shù)對比表

圖16 600 mm樁徑時樁頂水平位移云圖

圖17 600 mm樁徑時樁頂邊坡安全系數(shù)

圖18 400 mm樁徑時樁頂水平位移云圖

圖19 400 mm樁徑時樁頂邊坡安全系數(shù)

通過對比我們發(fā)現(xiàn)：無論樁剛度多大，都達(dá)不到天然邊坡的安全系數(shù)，但是相對于不打灌注樁的邊坡安全系數(shù)提升明顯。同時隨著樁徑逐漸減小，以及灌注樁剛度減小，樁頂位移顯著增加，如圖16～圖19所示，這是由于支護剛度越大的樁，它在受力時抵抗彈性變形的能力就越大，進而結(jié)構(gòu)彈性變形難易程度越難，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定自然變形小，即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性變形越小，因此樁身位移越小。同時對邊坡穩(wěn)定性也有提高，但影響有限。

3.5 改變邊坡坡比

不同坡比下對比結(jié)果見表6。

表6 不同坡比樁身位移與安全系數(shù)對比表

通過將二級邊坡坡比變?yōu)?.67，邊坡整體變緩。我們發(fā)現(xiàn)：安全系數(shù)有部分提升，甚至快達(dá)到之前天然邊坡的安全系數(shù)。說明越緩和的邊坡越穩(wěn)定，工程上放坡支護時合理選取坡比也能達(dá)到經(jīng)濟的效果，低的坡比甚至能達(dá)到天然邊坡的穩(wěn)定效果，同時樁頂位移也有所改變，如圖20、圖21所示，這是因為坡度的改變，卸土量改變了，增加了卸土量，導(dǎo)致樁頂?shù)目偤奢d減少，樁頂?shù)奈灰茰p少，灌注樁更加安全。

圖20 增大坡比后樁頂水平位移云圖

圖21 增大坡比后邊坡安全系數(shù)

4 結(jié) 論

根據(jù)上述的有限元分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

(1) 人工開挖邊坡相比天然邊坡更不穩(wěn)定，且存在因開挖卸荷導(dǎo)致應(yīng)力釋放引起的基底隆起現(xiàn)象，工程設(shè)計中要警惕并避免將兩者混淆；

(2) 灌注樁彈性模量的改變對樁頂邊坡的穩(wěn)定性的影響并不明顯，反而對基坑設(shè)計中的樁頂位移有較為明顯影響，彈性模量越大的樁，樁身位移越小。這是因為彈性模量可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，樁身越不容易變形，越能抵抗變形；

(3) 土層抗剪強度參數(shù)增加無論是對邊坡穩(wěn)定還是對樁頂位移都有著十分明顯的改善作用，因此土層抗剪強度越大，在其中進行基坑開挖時越安全；而對于土質(zhì)條件較差的淤泥質(zhì)土層，開挖時邊坡安全系數(shù)會出現(xiàn)小于1的情況，開挖會導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。若打入鉆孔灌注樁可以明顯提升邊坡穩(wěn)定性，使邊坡趨于安全，但是由于土質(zhì)較差帶來樁頂位移過大，深厚淤泥質(zhì)土層鉆孔灌注樁施工需要對樁采取加固手段。灌注樁對開挖邊坡的邊坡穩(wěn)定性提升尤為明顯。

(4) 對于改變坡比發(fā)現(xiàn)：坡比和邊坡穩(wěn)定性成反比，坡比越小的邊坡，穩(wěn)定性越強，甚至能接近天然邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。邊坡的開挖在紅線范圍內(nèi)，適當(dāng)降低坡比能大幅提高安全系數(shù)。同時由于坡比減少，樁頂卸土量增加，樁頂荷載也因此減少，灌注樁樁身位移也較小，工程更加安全。

(5) 隨著樁徑逐漸減小，以及剛度減小，樁頂位移顯著增加，這是由于支護剛度越大的樁，它在受力時抵抗彈性變形的能力就越大，進而結(jié)構(gòu)彈性變形難易程度越難，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定自然變形小，對邊坡穩(wěn)定性影響有限。

(6) 與不打灌注樁的開挖邊坡相比，打入灌注樁的邊坡穩(wěn)定性有所提升。這是因為打入鉆孔灌注樁后原有的滑動曲線和塑性貫通區(qū)被樁身攔截，并且鉆孔灌注樁強度足夠高到無法被剪斷，因此邊坡強度提高，安全系數(shù)增加。

(7) 在我國目前的基坑工程實踐中，即便如廣泛使用的理正軟件等，均未考慮坡腳處支護樁頂剛度及變形對上部邊坡的安全影響，也未考慮在基坑土方開挖的過程中，地應(yīng)力釋放對邊坡穩(wěn)定性的影響，只按極限平衡法進行驗算邊坡的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致人為地高估了邊坡穩(wěn)定性，容易在實際工程中出現(xiàn)樁頂邊坡越頂滑出的現(xiàn)象，導(dǎo)致基坑工程安全質(zhì)量事故的發(fā)生。本文的分析成果表明，采用極限平衡法對樁頂邊坡進行設(shè)計計算時，應(yīng)滿足較大的安全系數(shù)的要求，以降低坡腳處由于下部基坑開挖對上部邊坡的不利影響，從而確保基坑工程的安全。