土體加固對傾斜樁圍護結構受力變形影響研究

胡昌鈞

（江西省上饒市鉛山縣水利局，江西 上饒 334500）

隨著我國城市化進程的加速，基坑工程逐漸向深、超深基坑發展，周圍環境也愈加復雜[1]。在軟土地區，傳統的內支撐、樁錨支護結構施工復雜，同時造成相當程度的資源浪費，已逐漸被放棄。諸多學者從試驗及數值分析出發，證明了傾斜樁支護作為一種新型綠色支護結構能夠較好地控制基坑開挖時土體的位移，維持基坑穩定。鄭剛、劉暢等將傾斜樁支護結構分為純斜樁、外斜直組合、內斜直組合、內外斜組合，并對4種結構的工作機理進行分析，認為斜直支護結構存在剛架效應、重力效應、斜撐效應[2-5]。王恩玉、周海祚等通過仿真計算發現了在保持樁的性狀不變條件下，傾斜樁支護結構相較于直樁支護其樁身水平位移及坑外土體豎向位移有明顯的減少，隨著傾角的增大，支護結構的受力及變形表現出減小的趨勢[6，7]。目前已在天津等地報告了傾斜樁支護項目[8]。有的學者發現軟土的物理力學性狀表現出較強的地域性，特別是沿海地區軟土表現出更高的含水率、更大的孔隙比、更低的強度值[9]。為控制支護結構變形，常對一定范圍內的土體進行加固處理[10]。研究表明，基坑加固區土體相較于未加固表現出更高的模量，對基坑支護結構變形的控制效果明顯，坑底加固已被廣泛運用在軟土地區的深基坑開挖[11-13]?？拥淄馏w加固使得土的性狀發生明顯的改變，支護結構的受力、變形、土體的沉降產生顯著變化[14-16]。目前，在實際工程中，被動區加固技術已經積累了相當經驗，但是對考慮被動區土體加固的基坑支護機構變形特性研究相對較少，針對通過基坑底部土體加固來控制傾斜樁支護變形的報告尚為稀缺。

因此，本文依托杭州文一西路提升改造工程中的隧道深基坑工程，采用有限元分析方法，研究不同坑底被動區土體加固寬度、高度對不同傾角的支護結構變形的影響。本研究成果以期為類似深基坑提供一定借鑒或參考。

1 工程概況

杭州市余杭區文一西路提升改造地下道路工程隧道基坑工程位于杭州市余杭區，建設場地為湖沼積平原區，地貌類型單一。隧道基坑設計范圍西至東西大道以西，東至創遠路以東，設計里程樁號K0+500—63+630，整體開挖深度0～16.9 m，沿線寬度不同，標準段寬度29.5～48.0 m，匝道段深度約14 m?；硬捎妹魍陧樧鞣ㄊ┕?，其圍護結構主要采用傾斜樁+坑底加固的支護結構，傾斜樁為800 mm×800 mm的預制混凝土矩形樁，間距800 mm，樁長20 m?；娱_挖范圍內穿越地層依次為雜填土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土。其中，淤泥質粉質黏土工程力學特性較差，采用水泥攪拌樁（Φ850@600）對坑底土體進行加固。

2 計算模型建立

結合該工程的典型地層和結構參數，采用MI?DAS GTS NX 對基坑開挖過程進行數值分析，建立有限元模型，如圖1所示。

圖1 基坑有限元模型示意

圖1 中，H、B分別為加固區深度、寬度?；娱_挖深度為14.4 m，分4次開挖，開挖深度依次為3.5、3.5、3.5、3.9 m。傾斜護樁采用1D 梁單元模擬、線彈性本構模型，彈性模量30 GPa，樁頂未設置冠梁?；油馏w采用小應變硬化（HSS）模型，土層參數詳見表1。

表1 各土層參數

表1 中，γ為土的容重，E50為三軸排水剪切試驗的參考割線模量，Eode為固結試驗的參考切線模量，Eur為三軸排水剪切試驗的參考加卸載模量，c'為土的有效黏聚力，φ'為有效內摩擦角，m為剛度應力水平相關冪指數，γ0.7為割線剪切模量衰減到初始剪切模量70%時所對應的剪應變，Rf為破壞比?？觾韧馏w網格長度尺寸0.5 m，坑外土體網格長度尺寸1 m。對于采用水泥土樁加固的坑底土體，參考文獻[9]中方法，采用莫爾庫倫模型進行取值，黏聚力取120 kPa，內摩擦角取22°，彈性模量取90 MPa。

通過激活或鈍化土體單元實現基坑開挖施工過程模擬，具體分析步驟如下：①激活所有土層單元，進行初始應力分析；②坑底土體加固；③激活傾斜樁；④開挖第i層土體（i=1、2、3、4）；⑤開挖至坑底。

3 傾斜角度對加固組合支護結構變形的影響

被動區加固傾斜樁樁身水平位移曲線及斜樁最大水平位移隨斜樁傾角的變化規律，如圖2—3所示。

圖2 不同傾角斜樁樁身水平位移變化

從圖2—3 可以看出，3 種情況下樁身水平位移沿深度的變化規律基本相同，均表現出“鼓肚式”的變形特征，最大水平位移出現在深度約8 m 處。從圖3可以發現，當加固區深度不變時，樁體的最大水平變形隨斜樁傾角的增大而近似呈線性減少趨勢。在加固區深度H=0.5、3 m 時，15°斜樁相比于直樁的最大水平位移分別下降了36%、29%，這說明傾斜樁支護的控制變形能力隨著傾斜角增加而增強。這主要是傾斜樁支護存在一定的“自撐效應”。

圖3 斜樁傾角對最大水平位移的影響

4 加固深度對不同傾角支護體系的影響

4.1 加固深度對不同傾角支護結構水平位移的影響

不同傾角斜樁樁身水平位移隨加固區深度變化規律，如圖4所示。

圖4 不同加固區深度下斜樁樁身位移變化

從圖4 可以看出，隨著深度的增加，支護樁的水平位移逐漸增加，約在H=8 m處達到最大水平位移，之后逐步減小。位移變化模式與在基坑內設置水平內支撐的內凹式分布類似，表明土體加固對支護結構起到了“支撐”效果。隨著斜樁傾角的增加，最大水平位移、樁頂位移均表現出減小的趨勢，表明其支護能力逐漸增強即斜樁傾角越大其“斜撐”效應越明顯。

各傾角支護樁樁身最大水平位移隨加固深度的變化曲線，如圖5 所示。從圖5 可以看出，加固深度從1 m 增加到2 m，傾角為0°、5°、15°時，斜樁樁身最大側移分別下降了7.7%、3.3%、3%；加固深度從1 m增加到5 m時，斜樁樁身最大側移分別下降了3.5%、1.67%、1.1%。這表明隨著加固深度的增加，斜樁的最大水平位移呈非線性減小趨勢即深度小于2 m時，下降明顯；深度大于2 m時，下降逐漸放緩。當加固深度達到一定值，增加加固深度對斜樁水平位移影響較小。加固深度從1 m 增加到5 m 時，樁身最大水平位移減小幅度從大到小排列為直樁、傾角5°斜樁、傾角15°斜樁，說明傾斜角越小其對加固深度的敏感性越高。這可能是因為傾角越大其樁本身的斜撐效果越明顯，對加固土體提供的“支撐”需求越低。

圖5 不同加固區深度下斜樁最大水平位移變化

4.2 加固深度對不同傾角支護結構彎矩的影響

不同傾角斜樁彎矩隨加固區深度變化規律，如圖6 所示。從圖6 可以看出，3 種傾角斜樁彎矩沿樁身的變化規律類似，樁身存在反彎點，最大彎矩點出現在約8 m 處。斜樁在H=14 m 以上部分受負彎矩控制，以下部分受正彎矩控制。隨著傾角的增加，樁身正彎矩呈減小的趨勢。

各傾角斜樁最大彎矩隨加固深度變化曲線，如圖7 所示。從圖7 可以看出，加固深度從1 m 增加到2 m，傾角為0°、5°、15°時，斜樁樁身最大彎矩分別下降了4.7%、0.94%、0.65%；加固深度從1 m 增加到5 m 時，各斜樁樁身最大彎矩分別下降了1.23%、1.1%、0.99%。這表明隨著斜樁傾角的增大，斜樁樁身彎矩越小。在加固深度從1 m 增加到5 m，深度在2 m 以內時，斜樁最大彎矩下降較為明顯；在2 m 以外時，斜樁最大彎矩在很小的范圍內變化。隨著斜樁傾角增加，樁身最大彎矩呈非線性減少趨勢。這說明加固深度到達一定值后，基坑已經具有較高的自穩定性，再增加加固深度或傾角對減少樁身彎矩效果已經不明顯，即存在最優的加固深度。這與斜樁水平位移的變化規律類似。

圖7 不同加固區深度下斜樁最大彎矩變化

5 被動區加固對不同組合支護結構影響

這里，主要討論被動區加固對傾斜樁支護結構、懸臂樁與內支撐組合結構[15]影響的差異。對于深大基坑，傳統的單排樁懸臂支護結構很難滿足控制變形的要求，由于施加內支撐可以有效增強其控制變形能力，懸臂樁與內支撐組合結構逐漸成為深基坑工程中的選擇，如圖8 所示。這對于分析被動區加固對傾斜樁支護及懸臂樁與內支撐組合支護結構影響有一定的現實意義。

圖8 懸臂樁與內支撐組合支護結構剖面

對于圍護樁的水平位移，2 種支護結構表現出類似的變化規律，均呈“鼓肚式”特征。隨著加固深度的增加，兩者的最大水平變化規律類似，即樁身水平位移的減小幅度隨著加固深度的增加而逐漸減小。這表明加固深度對于支護結構的變形控制應該存在一個最優加固深度，當超過這個值時，對于控制結構變形的意義不大。

對于圍護樁樁身彎矩，兩者的變化趨勢截然相反，內支撐與懸臂樁的組合結構的圍護樁彎矩主要受到正彎矩控制，其變化規律也呈“鼓肚式”特征，這是由于兩者的受力不同所導致的，內支撐與懸臂樁的組合結構使圍護樁受到來自內支撐的水平軸力的作用，其限制了樁的變形，改變了其內力分布。隨著加固深度的增加，圍護樁樁身最大彎矩降幅逐漸減小，與水平位移類似。

綜上，坑底加固不會改變支護結構本身的位移、內力變化特性，但能有效地減小支護樁的水平位移及樁身彎矩。最優加固深度將加固效果分為2個階段，前段加固效果明顯，后段加固效果可以忽略。

6 結論

本文以杭州文一西路提升改造地下道路工程隧道基坑工程為對象，采用數值模擬手段，分析了基坑坑底被動區加固下傾斜樁支護結構的變形、受力的變化規律，得出以下結論。

（1）在傾斜樁+坑底加固的支護結構中，傾斜角變化不改變斜樁的變形和彎矩分布特性，但隨著傾斜角度增加，其變形和彎矩減小。

（2）采用水泥攪拌樁對坑底土體加固，在加固區深度增加過程中，斜樁最大樁身水平位移在前期下降明顯、后期下降放緩。并且隨著深度的增加，斜樁的斜撐作用逐漸降低。

（3）隨著加固深度的增加，不同傾角斜樁樁身彎矩對加固區“內撐”作用的敏感性降低，表現出與位移變化類似規律。

（4）坑底加固不會改變支護結構本身的位移、內力的變化規律。

（5）加固深度存在最優值，其既可以使支護結構的控制變形能力明顯增強，又滿足經濟合理的要求。