考慮軟土層的樁側壓力分布規律數值模擬研究

張曉峰，萬濤 ，黃傳勝，陳春漢，易進翔

（1.江西省博苑房地產開發有限公司，江西 南昌 330002；2.江西圳發建設集團有限公司，江西 南昌 330002；3.東華理工大學土木與建筑工程學院，江西 南昌 330013）

0 前言

隨著我國城市化進程的加快，為滿足城市基礎設施建設需求，城市地下空間開發成為拓展城市空間重要的發展方向，深大基坑工程建設規模隨之擴大。已有學者對單樁承載力特性開展了諸多研究。D.Pan等[1]通過有限差分軟件FLAC3D研究土體相對移動時，認為極限側壓力經驗公式低估了全強度樁土界面的極限側壓力值；錢玲玲等[2]采用FLAC3D數值模擬驗證了單樁豎向荷載下的樁側摩阻力、樁體軸力和中心點的分布規律；劉娟娟等[3]利用有限元軟件ABAQUS，得出超長樁側豎向摩阻力沿深度呈遞減趨勢，以及在不同分層情況下樁身彎矩和側移量隨著土層彈性模量比的增大而減小等結論；尹武先等[4]開展數值模擬研究和試驗對比研究，得出軟粘土中超長樁軸—橫向耦合荷載作用下，水平荷載能在一定程度上提高超長樁的豎向承載力。

已有樁體力學性能研究多針對樁體豎向承載特性，對于橫向承載特性研究較少，而基坑圍護樁橫向力學特性相較豎向更為重要。天然地基一般呈成層特性，現有研究多考慮樁周土體為單一均質土層，對實際多層土分布影響研究較少，且為降低坑周水壓力對基坑影響，圍護樁往往深入隔水巖層中，形成嵌巖樁?；诖耍疚慕Y合實際工程，利用FLAC3D軟件對基坑嵌巖樁在多層土分布條件下的樁側壓力分布規律開展數值模擬研究，為基坑支護設計提供依據。

1 工程概況

南昌象湖某基坑工程樁體支護深度為16.0 m，開挖深度為12.6 m，場內土層呈成層分布，其中影響樁身內力及位移的土層主要是淺層土[5]，基坑圍護樁采用鉆孔灌注樁，設計樁體長度H=16.0m，其中樁端嵌入中風化粉砂巖層1.0m，樁徑D=1.0m，樁身混凝土強度等級為C35，相應楊氏模量E=3.15×104MPa，泊松比μ=0.167，密度ρ=2.5×103kg/m3。模型詳細計算參數如表1所示。本文考慮樁體嵌巖層以上土層對樁側壓力影響，即地表以下15.0m深度范圍內的土層。如圖1所示，其中d為樁間凈距；H為鉆孔灌注樁樁長；Hr為地表以下15.0m深度范圍內的土層；Hn、c1、φ1為黏土層分布深度、粘聚力、內摩擦角；Hs、c2、φ2為砂土層分布深度、粘聚力、內摩擦角；Hy、c3、φ3為中風化粉砂巖層分布深度、粘聚力、內摩擦角。

圖1 樁土分布示意圖

模型計算參數取值表 表1

2 數值模擬

考慮樁及周圍土體的對稱性，本文選取實際情況中的一半進行模擬。樁身和土體都采用實體單元，土體采用摩爾—庫侖本構模型。樁體采用彈性本構模型，設置樁周土的幾何尺寸徑向為樁徑的10倍，以減小模型邊界效應，深度取為30.0m，整個模型尺寸為20.0m×10.0m×30.0m。樁土模型網格劃分見圖2、圖3、圖4所示。

圖2 單樁網格劃分圖

圖3 隔樁網格劃分圖

圖4 連續墻網格劃分圖

軸向網格劃分時，考慮水平受荷樁的變形主要發生在受力處的周邊，故由中心向外輻射網格由密到疏。土體兩側邊界分別約束其水平位移，對土體底部邊界同時施加水平和豎向約束。樁土接觸面采用Interface來傳遞土體對樁的橫向荷載，能夠更好地模擬兩個接觸的表面發生的錯動、滑移和分離，模型接觸面見圖5所示，鉆孔灌注樁的樁土界面比較粗糙，接觸面上的摩擦特性較好，接觸面上的c、φ值取與樁相鄰土層的c、φ值的0.8倍；法向剛度kn和剪切剛度ks取周圍“最硬”相鄰區域等效剛度的10倍[6]，計算公式如（1）所示：

圖5 模型接觸面示意圖

式中：K表示體積模量（Pa）；G表示剪切模量（Pa）；ΔZmin表示接觸面法向方向上連接區域上最小尺寸（m）。

在樁土作用分析中，樁體一定深度后，橫向力學特性主要表現為靜止土壓力[7～8]。本文先建立土體模型及樁體，進一步模擬將樁體移入土體中。最后直接將重力荷載施加于有限差分樁土模型，并施加相應的邊界約束，計算得到在重力荷載下的初始應力場。再將得到的應力場和重力荷載共同施加于原始有限差分模型，通過計算可以得到模型整體橫向應力分布。

3 參數分析

3.1 不同土層分布影響

保持樁長16.0m不變，研究單樁分別在不同的黏土層厚度分布(Hn/Hr=0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0)等六種工況下的樁側壓力分布情況。沿樁頂至巖層處每隔1.5 m對x軸方向的樁側壓力取一個數值模擬監測點，共11個。由圖6可以看出：在自重應力作用下，樁側壓力先沿樁深逐漸減小，在3.0m附近達到最小，后沿樁深不斷增大，在砂土層與巖層交界處達到最大。之所以存在這種現象是由于兩側邊界固定，土體在重力作用下對樁體產生擠壓使樁周存在水平的拱效應。砂土層時，x軸方向的樁側壓力最大值為202.0 kPa，并隨著黏土層厚度分布線性增多，交界處樁側壓力最大值以約2.5%線性遞減。

圖6 不同土層分布下樁側壓力沿樁深分布關系圖

3.2 樁間凈距與樁徑比d/D的影響

保持樁長16.0m、黏土層厚度分布Hn/Hr=0.6不變，模擬計算不同隔樁施工時，樁與樁的間距(d/D=1.0，2.0，3.0，4.0)等四種工況樁側壓力分布情況。監測同一深度樁間與樁外側的水平壓力時，二者的壓力值相差不到1%。故選取樁外側沿樁頂至巖層處每隔1.5m對x軸方向的樁側壓力取一個數值模擬監測點，共11個。由圖7可以看出：在自重應力作用下，樁與樁的間距d/D=1.0時產生的樁側壓力值沿樁身波動較大，本次模擬計算僅作為參考，同時工程上為避免群樁效應，通常不采用這種施工方式；樁側壓力先沿樁深逐漸減小，在3.0m附近達到最小，后沿樁深不斷增大，在砂土層與巖層交界處達到最大；不考慮d/D=1時，樁側壓力值在3.0m處最小，在砂土層與巖層交界處（15.0m處）最大，其中d/D=4.0時最大，為188.0kPa；不考慮d/D=1時，黏土層中三者樁側壓力近似相等，砂土層中隨著深度的增加，相鄰兩個的差距逐漸增大，在15.0m處達到最大，相差約為1.5%。

3.3 單樁施工、隔樁施工、地下連續墻施工的分析

保持樁長為16.0m、黏土層厚度分布Hn/Hr=0.6不變，研究單樁施工、隔樁施工（d/D=2.0)、等剛度地下連續墻三種工況下的側壓力分布情況。沿墻外側至巖層處每隔1.5m對x軸方向的樁側壓力取一個數值模擬監測點，共11個。將圍護樁等剛度轉變成墻來等效模擬運算[9]，由D=1.0m，d=2.0m?？傻茫?/p>

式中：D表示圍護樁的樁徑（m）；d表示樁間凈距（m）。

由圖8可以看出：三種施工方式x軸方向樁側壓力沿樁身的受力分布規律幾乎一致；在黏土層0.0m～9.0m處，三種施工方式產生的側壓力無明顯差異，在砂土層9.0m～15.0m處，隨著深度增加，單樁施工側壓力值增長幅度最大，在砂土層與巖層交界處達到最大，最大值為192.53kPa，連續墻施工增長幅度最小，在交界處最大值為173.56kPa；在交界處，單樁施工、隔樁施工、連續墻施工的側壓力值依次以約5.5%的幅度遞減。

圖8 不同施工下樁側壓力沿深度分布關系圖

4 結論

①在自重應力作用下，嵌巖樁側壓力呈層狀分布；拱效應使樁側壓力沿樁深先減小后逐漸增大，至砂土層與巖土層交界處達到最大；樁側壓力最大值隨黏土層的厚度增加逐漸減小。

②隨著樁凈距d/D的增大，支護樁抵抗土體擠壓能力逐漸變小，樁側壓力曲線波動逐漸增大；對于不同樁凈距d/D，砂土層比黏土層對支護樁的擠壓作用差異更加明顯。

③三種施工方式x軸方向樁側壓力沿樁身的受力分布規律幾乎一致；黏土層中，三種施工方式產生的側壓力無明顯差異；在砂土層中，相對單樁施工及隔樁施工，地下連續墻抵抗土體擠壓性能較優，產生的側壓力最小。