地下水分布對樁體壓力影響數(shù)值模擬研究

姚 兵，萬 濤，陳春漢，黃傳勝

（1.江西圳發(fā)建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330002；3.東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引言

鉆孔灌注樁是國際上應(yīng)用十分普遍的一種樁基形式，我國從 20 世紀(jì) 60 年代開始首先在公路橋上應(yīng)用，而后發(fā)展到工民建、鐵路系統(tǒng)等部門廣泛使用［1］。地下水在建筑的過程中起到不可或缺的作用，在施工及日后的使用過程中，需始終保持對地下水有效的控制，確保施工質(zhì)量、進(jìn)度甚至人員生命的安全。隨著巖土工程勘察人員對于水文地質(zhì)條件研究的逐步深入，地下水對工程建設(shè)所產(chǎn)生的危害也逐漸受到了普遍關(guān)注。現(xiàn)已有學(xué)者對基坑地下水開展了諸多研究。孟玉山等［2］通過結(jié)合張家口賽區(qū)奧運(yùn)村建設(shè)工程，探討了地下水對基坑的影響，提出了截水法、降水法、排水法等治理方案；張建忠等［3］對基坑滲漏情況進(jìn)行分析，得出了基坑止水帷幕失效的原因及機(jī)理，并通過改進(jìn)后的三孔注漿法和坑內(nèi)止水帷幕等施工方法對基坑止水帷幕進(jìn)行了有效修復(fù)；張飛等［4］利用 PLAXIS 建立內(nèi)撐式基坑的承壓水抗突涌分析模型，分析坑底隔水層的實際應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)數(shù)值分析方法可以較好地反應(yīng)內(nèi)撐式基坑抗突涌穩(wěn)定性與圍護(hù)墻及土體變形性狀的相互影響及計算結(jié)果更為符合工程實際；唐世棟等［5］通過對樁基施工過程中實測資料的分析，探討了沉樁時單樁周圍土中產(chǎn)生的超孔隙水壓力的大小、分布及影響范圍，并與理論解進(jìn)行了對比，得出了在平面應(yīng)變條件下巖土任意面上的抗剪強(qiáng)度通式、破壞面位置與強(qiáng)度準(zhǔn)則的一般關(guān)系、破壞時中主應(yīng)力與大小主應(yīng)力的關(guān)系和平面應(yīng)變狀態(tài)下的統(tǒng)一強(qiáng)度準(zhǔn)則。

以上研究多針對于地下水的影響因素以及治理方案，對地下水作用于樁體的機(jī)理研究較少。基于此，本文結(jié)合實際工程，利用 FLAC3D軟件對基坑鉆孔灌注樁在不同工況下的地下水分布樁體壓力分布規(guī)律開展數(shù)值模擬研究，為基坑支護(hù)設(shè)計提供依據(jù)。

1 工程概況

本工程為二層地下室，開挖區(qū)深度為 12.6 m，擋土止水方案采用灌注樁+三軸攪拌樁和高壓旋噴樁，其中鉆孔灌注樁，設(shè)計樁體長度H=15.0 m，樁徑D=1.0 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級為 C35，相應(yīng)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(xì)計算參數(shù)如表 1 所示。本文選用單一均質(zhì)黏土，如圖 1 所示。

圖1 水位分布示意圖

表1 模型計算參數(shù)取值表

2 試驗方案

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(jìn)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(gòu)模型。樁體采用彈性本構(gòu)模型，設(shè)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(yīng)，深度取為兩倍樁長，整個模型尺寸為 20.0 m×10.0 m×30.0 m。樁土模型網(wǎng)格劃分如圖 2～4 所示。

圖2 單樁網(wǎng)格劃分圖

軸向網(wǎng)格劃分時考慮水平受荷樁的變形主要發(fā)生在受力處的周邊，故由中心向外輻射網(wǎng)格由密到疏。土體兩側(cè)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(fā)生的錯動、滑移和分離，模型接觸面如圖 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?fù)翆拥腸、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(qū)域等效剛度的 10 倍［6］，計算公式如式（1）所示。

圖3 隔樁網(wǎng)格劃分圖

圖4 連續(xù)墻網(wǎng)格劃分圖

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(qū)域上最小尺寸，m。

在樁與水的作用分析中，先建立土體模型及樁體，設(shè)置水位面和樁土間的接觸面，進(jìn)而將樁體移入土體中，并施加相應(yīng)的邊界約束，通過計算先得出重力荷載下的初始應(yīng)力場。其中計算采用無滲流模式，使用 water table 命令設(shè)置水位面，并在水上設(shè)置干密度 1.75×103kg·m-3，水下設(shè)置飽和密度 1.86×103kg·m-3。再將得到的應(yīng)力場和重力荷載共同施加于原始有限差分模型，可以得到模型整體應(yīng)力分布。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 水位的影響

保持樁長H=15.0 m，分別研究單樁在施加水位面和未施加水位面下樁體單元的 3 個方向的總壓力隨深度變化情況。沿樁身每隔 1.5 m 取一個數(shù)值模擬監(jiān)測點(diǎn)，共 11 個。樁身單元的 3 個方向的總壓力隨深度變化的比較結(jié)果如圖 6 所示，其中標(biāo)注“app”的結(jié)果是施加水位面情況下的壓力計算曲線，標(biāo)注“Noapp”的結(jié)果是未施加水位面情況下的壓力計算曲線。

圖6 不同工況下壓力沿樁深分布關(guān)系圖

由圖 6 可知，同種工況下x方向總壓力與y方向總壓力始終差別不大；兩種情況計算的z方向總壓力在距樁底最后 3 m 處的結(jié)果相差很大，在模型底部單元（標(biāo)高-15.0 m）的z方向總壓力分別為 -324.42 kPa（app）和-268.47 kPa（Noapp），增幅約為 20.8 %；在同一深度，施加水位面比未施加水位面，x方向總壓力增大了 50 %，說明水對樁的作用主要體現(xiàn)在水平方向，但由于樁底在水平力作用下，容易發(fā)生錯動、滑移等，從而使樁體受到更多的豎向壓力。

3.2 水位深度的影響

地下水對樁體的影響在水平方向最為明顯，保持樁長H=15.0 m，分別研究單樁在不同的地下水位分布比例（Hw/H=0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0）等 6 種工況x方向上總壓力分布情況。沿樁身每隔 1.5 m 取一個數(shù)值模擬監(jiān)測點(diǎn)，共 11 個。由圖 7 可以看出：相鄰的兩個Hw/H壓力曲線變化發(fā)生在較小值的地下水位面處，如Hw/H=0.4 與Hw/H=0.6 的曲線變化點(diǎn)在H=6.0 m（Hw/H=0.4）處，在 0.0 m～6.0 m，兩者曲線趨近于相等，在 6.0 m～15.0 m，呈現(xiàn)出兩條平行的曲線，取樁體同一深度，可以發(fā)現(xiàn)隨著水位的下降，x方向上總壓力值以 10 % 逐漸降低。

圖7 不同 Hw/H 下壓力沿樁深分布關(guān)系圖

3.3 單樁施工、隔樁施工、地下連續(xù)墻施工的分析

保持樁長為 15.0 m、地下水位分布比例Hw/H=0 不變，研究單樁施工、隔樁施工（d/D=2.0）、等剛度地下連續(xù)墻施工 3 種工況下的樁體總壓力分布情況。沿樁身或墻身每隔 1.5 m 取一個數(shù)值模擬監(jiān)測點(diǎn)，共 11 個，隔樁施工、地下連續(xù)墻對內(nèi)側(cè)與外側(cè)分別進(jìn)行監(jiān)測如圖 8 所示，樁身單元的 3 個方向的總壓力隨深度變化的比較結(jié)果如圖 9～11 所示。將圍護(hù)樁等剛度轉(zhuǎn)變成墻來等效模擬運(yùn)算［7］，由D=1.0 m，d=2.0 m，計算式如式（2）所示。

圖8 監(jiān)測示意圖

式中：D為表示圍護(hù)樁的樁徑，m；d為表示樁間凈距，m。

由圖 9、圖 10 可知，隔樁施工時樁間的擠壓作用使樁體上部分內(nèi)側(cè)的壓力與外側(cè)的壓力產(chǎn)生差異；在樁底，內(nèi)側(cè)水平方向總壓力比外側(cè)水平方向總壓力增長了 7.6 %，z方向總壓力增長 6 %；對比圖 10 與圖 11，可以 發(fā)現(xiàn)地下連續(xù)墻施工內(nèi)側(cè)與外側(cè) 3 個方向的總壓力差異不大，均與隔樁施工外側(cè)、單樁施工相應(yīng)壓力值的差異保持在 1 % 范圍內(nèi)，這說明等剛度地下連續(xù)墻施工內(nèi)部比隔樁施工樁間更能抵抗水平擠壓作用。

圖9 不同施工下 x 方向總壓力沿深度分布關(guān)系圖

圖10 隔樁施工壓力沿深度分布關(guān)系圖

圖 11 地下連續(xù)墻施工壓力沿深度分布關(guān)系圖

4 結(jié)論

1）同種工況下，x方向總壓力與y方向總壓力在重力荷載作用下近似相等；兩種情況計算的z方向總壓力在樁體底部單元（標(biāo)高-15.0 m）的z方向總壓力分別為-324.42 kPa（app）和-268.47 kPa（Noapp），增幅約為 20.8 %；在同一深度，施加水位面比未施加水位面，x方向總壓力增大了 50 %，這說明地下水對于計算結(jié)果的影響非常大，其中水平方向較為明顯，豎向則主要體現(xiàn)在樁體底部。

2）相鄰的兩個Hw/H壓力曲線變化發(fā)生在較小值的地下水位面處，地下水位面以上兩者的壓力值趨近于相等，水位面以下呈現(xiàn)出兩條平行的曲線，同一深度，隨著水位的下降，x方向上總壓力值以 10 % 逐漸減少。

3）隔樁施工樁間方土體的擠壓作用造成樁體上部分內(nèi)側(cè)的壓力與外側(cè)的壓力不同，樁底內(nèi)側(cè)水平方向總壓力比外側(cè)水平方向總壓力增長了 7.6 %，z方向總壓力增長 6 %；地下連續(xù)墻施工內(nèi)側(cè)與外側(cè) 3 個方向的總壓力均與隔樁施工外側(cè)、單樁施工相應(yīng)壓力值的差異保持在 1 % 范圍內(nèi)；等剛度地下連續(xù)墻施工相對于隔樁施工樁間更能抵抗水平擠壓作用。Q