膨脹土特性對雙排樁支護結構的影響分析

林治平， 陳小丹

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省巖土工程技術研究中心，廣東 廣州 510635)

膨脹土屬于高塑性粘土，其親水性較強，具有遇水膨脹，失水收縮的特點，力學性質極其不穩定，對工程建設存在不利影響，較多學者對膨脹土的特性開展了研究，如繆林昌[1]、劉鵬[2]對不同含水量下的膨脹土特性進行了研究，得出隨含水量增加，其強度降低，且黏聚力下降的速度比內摩擦角更快等，楊果林[3]、盧肇鈞[4]分別通過原位試驗、室內試驗研究了膨脹力的形成機理及取值問題等。

雙排樁支護結構具有剛度大、樁身水平位移小、占地較小和工期短等優點，在基坑和邊坡支護中應用越來越廣泛，但目前其理論機理尚未完全成熟，有關雙排樁的研究方興未艾，如趙倩蕾[5]對雙排樁的工程特性和影響因素進行了系統研究，王可峰[6]通過離心模型試驗對雙排樁的受力機理進行了驗證等。

關于膨脹土地區的雙排樁研究，唐印[7]、李小雷[8]開展了深入的研究并得出有益的結論，但研究重點主要為樁間距、樁長、剛度等樁身參數產生的影響，而鮮有針對膨脹土本身的重度、強度及膨脹力等特性進行雙排樁的影響分析。

本文以成都市膨脹土地區的某大型停車場永久邊坡的雙排樁支護結構為研究對象，采用數值模擬和理論分析，通過改變不同含水量下膨脹土的重度、強度、膨脹力特性參數，對雙排樁的受力、變形和穩定性進行分析，以期指導本工程及為同類工程提供參考。

1 工程概況

本工程挖方邊坡支護高度約為7 m，安全等級為一級，設計使用年限為100 a。因用地條件受限及膨脹土地區不適宜設置錨索等因素，邊坡采用雙排樁進行支護，樁徑為1 m，樁間距為1.2 m，前后排距為2.5 m，樁前掛面板，樁頂設置蓋板，樁前被動區換填2.0 m厚非膨脹土填料且采用“兩布一膜”進行防滲，設計斷面如圖1所示。

場地自上而下地層分別為<3-1-1>層黏土、<3-2>層黏土及<5-1-2>層強風化泥巖，其中前兩種粘土均為弱—中等膨脹土，各巖土層的物理力學參數如表1所示，勘察期間<3-1-1>層的含水量為26%。

膨脹土膨脹過程本質上是吸水過程，因此含水量是影響膨脹土特性的重要因素，對于大氣影響深度范圍內(本地區為3.5 m深)的膨脹土層，其含水量變化較明顯，本文通過改變該厚度范圍內膨脹土的參數來模擬吸水膨脹的影響，按含水量20%～30%劃分為6個遞進工況，相關參數通過重塑土的室內試驗及參考成都地區膨脹土試驗結果[9]確定(如表2所示)，膨脹力按每工況增加7 kPa考慮，考慮到后排樁的前后均有膨脹力可相互抵消，樁前被動區已采用有效的防滲措施不會產生膨脹力，因此，膨脹力僅施加在前排樁的樁背范圍。

2 數值模型

建立雙排樁支護的平面應變模型如圖2所示?；由疃葹閔，模型寬度在樁前不少于1.5h，樁后不少于2.5h，模型高度不少于2h，位移邊界為模型兩側約束X向位移，底部約束Y向位移，荷載邊界為自重及每工況下加至樁身的膨脹力。

巖土體采用2D平面應變單元，本構采用修正摩爾庫侖模型；樁及蓋板采用1D梁單元模擬，本構采用彈性模型。

通過模擬大氣影響深度范圍內膨脹土層的含水量變化，改變其重度、抗剪強度以及施加膨脹力至樁體上，分析前后排樁的受力和變形變化規律。

3 雙排樁的內力和變形分析

3.1 雙排樁內力分析

1) 彎矩分析

以工況1為例，雙排樁的彎矩云圖示意如圖3所示。統計不同工況下前后排樁的彎矩值，繪制其變化曲線分別如圖4和圖5所示。由此可知，隨含水量增大，前后排樁的彎矩均出現不同程度的增大趨勢。

為進一步研究前后排樁的彎矩變化規律，提取出各工況下前后排樁的最大彎矩絕對值(均為負彎矩)，繪制曲線如圖6所示，由此可見最大彎矩值與含水量呈近乎線性正相關，且后排樁彎矩增長速度稍大于前排樁。

2) 剪力分析

以工況1為例，雙排樁的剪力云圖示意如圖7所示。統計不同工況下前后排樁的剪力值，繪制其變化曲線分別如圖8和圖9所示。由此可知，隨含水量增大，前后排樁的剪力均出現不同程度的增大趨勢。

為進一步研究前后排樁的剪力變化規律，提取出各工況下前后排樁的最大剪力絕對值(均為負值)，繪制曲線如圖10所示，由此可見最大剪力值與含水量同樣呈近乎線性正相關，且后排樁剪力增長速度稍大于前排樁。

3.2 雙排樁變形分析

以工況1為例，雙排樁的變形云圖示意如圖11所示，最大水平位移發生在樁頂，且在蓋板協調下前后排樁的樁頂位移基本一致。

統計出不同含水量下雙排樁的最大水平位移變化曲線如圖12所示，由此可知，隨含水量增大，雙排樁的最大水平位移出現不同程度的增大，且增長速度越來越快。

根據現場位移監測成果，樁頂水平位移為7.85 mm(對應含水量為26%)，與計算結果10.18 mm較為接近。

4 雙排樁的嵌固穩定性分析

考慮膨脹力的嵌固穩定安全系數計算公式可按下式修正：

(1)

其中Epk為樁前被動土壓力合力;Eak為樁后主動土壓力合力;P為樁后膨脹力合力;G為前后排樁及樁間土自重之和;zp、za、zG、zp為上述各力的作用點至樁底的力臂。

據式(1)可算得各工況下雙排樁的嵌固穩定安全系數的變化曲線如圖13所示，由此可知，當含水量增大時，安全系數大幅下降，且下降速度逐漸減緩，最大含水量下的安全系數可滿足規范要求。

5 結語

1) 膨脹土膨脹程度可表征為含水量的增加，通過改變不同含水量下膨脹土的重度、抗剪強度及膨脹力參數，模擬膨脹土特性對雙排樁支護結構的影響是可行的。

2) 隨膨脹土含水量增加，雙排樁的彎矩和剪力均增大，且后排樁的增長速度稍大于前排樁，雙排樁的最大水平位移也隨之增大，且增長速度越來越快。

3) 隨膨脹土含水量增加，雙排樁的嵌固穩定安全系數大幅下降，且下降速度逐漸減緩，最大含水量下的安全系數仍可滿足規范要求。

4) 膨脹土地區應用雙排樁支護結構時，應充分考慮膨脹土特性對雙排樁的受力、變形和嵌固穩定性的影響，其最不利工況應為可能產生的含水量最大的情況。

5) 為簡化因素分析，本次研究中膨脹土的模量、泊松比按假設不變考慮，后續可進一步開展關于該兩變量變化擴展研究。