塑性混凝土咬合樁防滲墻變形機(jī)理研究

梁 超,李 斌,劉 潤(rùn),朱 楠,李青欣

(1.天津大學(xué) 水利工程智能建設(shè)與運(yùn)維全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072;2.港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300222;3.中交第一航務(wù)工程局有限公司,天津 300461;4.中交天津港灣工程研究院有限公司,天津 300222;5.天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300222)

咬合樁是樁與樁之間有部分重合交錯(cuò),形成一排鋼筋混凝土與素混凝土交叉排列的樁墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)。咬合樁采用“葷樁”與“素樁”搭配使用,能夠起到良好的止水作用,相比于地下連續(xù)墻節(jié)約了大量的材料成本和施工工期,具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用前景[1-3]。國(guó)外對(duì)鉆孔咬合樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用較早,在變形計(jì)算、基坑監(jiān)測(cè)以及變形約束措施上都有相關(guān)研究。Bryson等[4-6]介紹了鉆孔咬合樁在美國(guó)芝加哥地鐵車(chē)站的地下支護(hù)方案。Di等[7-8]介紹了鉆孔咬合樁作為止水帷幕,作用在美國(guó)的Walter F. George蓄水壩的防滲工程中,取得了良好的止水效果。Tony[9]提出對(duì)鉆孔咬合樁不僅要注重素混凝土樁28天強(qiáng)度,還要注重7天強(qiáng)度,應(yīng)在2～7 MPa之間。

鉆孔咬合樁這種新工法支護(hù)結(jié)構(gòu)在我國(guó)出現(xiàn)較晚,最早的應(yīng)用是在深圳地鐵的隧道工程中。王安龍[10]、張中安[11]以深圳地鐵隧道明挖段的深基坑支護(hù)工程為實(shí)例,對(duì)咬合樁的設(shè)計(jì)方法以及施工方案等內(nèi)容進(jìn)行研究,提出施工順序、施工精度等對(duì)于工程質(zhì)量的影響和相應(yīng)解決辦法。近些年來(lái),隨著鉆孔咬合樁在工程中的成功應(yīng)用,吸引了大量的學(xué)者對(duì)其進(jìn)行探索和研究。范恒秀等[12-13]根據(jù)杭州地鐵秋濤路站咬合樁的使用情況,提出了套管鉆機(jī)加旋挖鉆機(jī)配合鉆孔咬合樁成孔的方法,并對(duì)咬合樁超深鉆進(jìn)時(shí)樁體垂直精度的控制問(wèn)題提出了解決辦法。康濤等[14]討論了某市軌道交通線車(chē)站基坑開(kāi)挖咬合樁圍護(hù)工程,咬合樁圍護(hù)采用全葷樁的搭配形式,提出了解決矩形鋼筋籠在起套管時(shí)被帶扭曲這一問(wèn)題的解決辦法。楊建學(xué)等[15]以福建某基坑工程為研究對(duì)象,研究了在臨海條件地層下咬合樁的圍護(hù)效果。秦東平等[16]以北京地鐵某線暗挖隧道工程為例,探究了咬合樁作為止水帷幕的施工優(yōu)化方法。張曉濤等[17]通過(guò)數(shù)值分析方法研究了咬合樁直徑、樁間距變化對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑及地表最大位移變形的影響。李恒等[18]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了咬合樁樁長(zhǎng)對(duì)抗彎性能的影響。

綜上所述,國(guó)內(nèi)對(duì)咬合樁施工工藝、現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果檢測(cè)和樁基材料性能方面進(jìn)行了廣泛研究,但對(duì)咬合樁的工作機(jī)制和變形機(jī)理尚缺乏系統(tǒng)研究,尤其是塑性混凝土咬合樁作為防滲結(jié)構(gòu)的研究中缺乏土壓力和水頭荷載作用下的受力變形研究,因此本文結(jié)合大連灣沉管隧道工程基坑止水帷幕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用數(shù)值分析手段,開(kāi)展塑性混凝土咬合樁受力機(jī)制和變形機(jī)理研究,明確了關(guān)鍵影響因素,為咬合樁的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模型建立及驗(yàn)證

1.1 工程概況

大連灣海底隧道建設(shè)工程在南岸設(shè)置接岸段,南岸工程深基坑分為港池部分和陸域部分,其中港池部分平面布置如圖1所示,港池深基坑圍堰止水采用了塑性混凝土防滲墻,本文以3#碼頭前設(shè)的斜坡式圍堰為研究對(duì)象開(kāi)展數(shù)值分析工作。圍堰頂寬14 m,頂高程2.84 m,坡比為1∶1.5,圍堰提心采用開(kāi)山石碴回填,塑性混凝土咬合樁防滲墻距離3#碼頭前沿線6 m,咬合樁樁徑1.0 m,咬合0.25 m。

圖1 港池平面示意圖

1.2 數(shù)值模型的建立與驗(yàn)證

1.2.1 模型建立

數(shù)值計(jì)算模型采用PLAXIS 3D有限元分析軟件,模擬3#碼頭前沿臨時(shí)圍堰并分析塑性咬合樁防滲墻的工作性能,模型中對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化,主要包含咬合樁防滲墻、回填料及地基土,整體計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型示意圖

模型中所有單元均為實(shí)體單元,土體遵循摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則,塑性咬合樁采用彈性模型,模型x方向長(zhǎng)60 m,y方向(咬合樁布置方向)長(zhǎng)10 m,z方向長(zhǎng)45 m。

1.2.2 模型參數(shù)

塑性防滲墻咬合樁結(jié)構(gòu)樁長(zhǎng)27.74 m,進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化板巖層2 m,圍堰港池內(nèi)水頭高程-12.34 m,外側(cè)水頭高程-1.5 m,模型具體參數(shù)如表1所示,地基土體及回填料參數(shù)如表2所示。

表1 咬合樁材料參數(shù)

表2 土層及回填料參數(shù)

在實(shí)際工程中一般按等效抗彎剛度原則將咬合樁結(jié)構(gòu)等效為一定厚度的地下連續(xù)墻來(lái)進(jìn)行計(jì)算,此方法適用于咬合樁結(jié)構(gòu)為有筋樁與無(wú)筋樁的搭配形式(圖3),等效地下連續(xù)墻厚度h可根據(jù)截面等效抗彎剛度確定,如式(1)—式(4)所示。

圖3 咬合樁結(jié)構(gòu)的等效

咬合樁II序樁截面慣性矩為

(1)

等效地下連續(xù)墻矩形截面慣性矩為

(2)

按照等效抗彎剛度原則I1=I:

(3)

推導(dǎo)出:

(4)

式中,d為咬合樁直徑,m;r為半徑,m;t為相鄰兩葷樁間距,m;h為等效后的墻體厚度,m。

1.2.3 計(jì)算步驟

計(jì)算第一階段建立初始地基土層,通過(guò)K0過(guò)程方式產(chǎn)生初始應(yīng)力場(chǎng),在該階段所有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件均處于凍結(jié)狀態(tài);第二階段為建立3#碼頭圍堰結(jié)構(gòu);第三階段為澆筑咬合樁結(jié)構(gòu)(咬合樁開(kāi)始施工之前周邊土體已在重力的作用下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),所以在模型中應(yīng)該將前兩階段產(chǎn)生的位移重置為0);第四階段為變化咬合樁防滲墻的兩側(cè)水頭,分析咬合樁在水壓力及土壓力作用下的變形機(jī)制。

1.2.4 結(jié)果分析

在咬合樁防滲墻結(jié)構(gòu)施工之前,周邊土體已在自重作用下趨于穩(wěn)定,故只對(duì)結(jié)構(gòu)在第三階段以后發(fā)生的位移進(jìn)行分析。為更直觀地觀察咬合樁結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移及水頭在樁身上的分布情況,提取其位移云圖及兩側(cè)水頭變化云圖如圖4和圖5所示。

圖4 水平向位移分布

圖5 孔隙水壓力分布

結(jié)合圖4可以看出,整個(gè)土體有發(fā)生滑坡的趨勢(shì),坡頂處土體的水平向位移最大,坡腳處土體的水平向位移較小。從圖5可以看出咬合樁的防滲作用較為明顯,由于樁身嵌固進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化板巖2 m,阻斷了兩側(cè)土體滲流的發(fā)生,有效地避免了防滲樁左側(cè)水位的抬升。與此同時(shí)由于兩側(cè)始終存在的水頭差,導(dǎo)致樁身始終受水平力作用。為更好地觀察樁身變形及應(yīng)力變化,提取樁身的水平向變形及彎矩如圖6和圖7所示。

圖6 樁身水平向位移分布

圖7 樁身彎矩分布

如圖6所示,在土壓力及水壓力的聯(lián)合作用下,咬合樁發(fā)生指向圍堰內(nèi)側(cè)水平向變形,且樁身變形呈現(xiàn)出樁頂位移最大,隨著咬合樁埋深增大樁身變形逐漸減小的趨勢(shì)。其中,由于強(qiáng)風(fēng)化板巖其節(jié)理裂隙極發(fā)育,結(jié)構(gòu)大部分破壞,巖芯破碎,部分石塊手可折斷,遇水易軟化,對(duì)于嵌固在其中的樁體不能實(shí)現(xiàn)完全約束,因此即使樁身嵌固進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖石中2 m,仍然會(huì)發(fā)生一定程度的位移。圖7中,樁身彎矩在高程為-13 m時(shí),即約樁身1/2位置處取得最大值為376 kN·m。當(dāng)咬合樁埋入強(qiáng)風(fēng)化板巖后,樁身彎矩表現(xiàn)為與上部樁身相反的方向,為負(fù)值。

3#碼頭圍堰分別布置了止水墻水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)及坡頂水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn),將計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如圖8所示。

圖8 數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

數(shù)值模擬所得圍堰坡頂?shù)乃较蛭灰茷?51 mm,與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所得的169 mm相差為10.7%。數(shù)值模擬計(jì)算得到止水墻頂?shù)乃较蛭灰茷?45 mm,與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所得的149 mm相差為2.7%。且實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可反映止水墻頂?shù)乃较蛭灰菩∮趪咂马斔较蛭灰频囊?guī)律,驗(yàn)證了本文模型計(jì)算的可靠性。

2 咬合樁變形特性分析

水頭及土壓力的耦合作用會(huì)導(dǎo)致咬合樁及其內(nèi)、外側(cè)土體發(fā)生不同情況的位移,若不加以控制會(huì)嚴(yán)重影響整體結(jié)構(gòu)安全,因此需對(duì)咬合樁變形機(jī)理進(jìn)行分析,明確其變形控制的關(guān)鍵影響因素。基于以上問(wèn)題開(kāi)展不同因素對(duì)塑性混凝土咬合樁防滲墻結(jié)構(gòu)水平位移及樁身彎矩的影響研究。

2.1 土壓力對(duì)咬合樁變形的影響

基于上述有限元方法建立模型將防滲墻兩側(cè)的水頭差調(diào)整為0,從而達(dá)到咬合樁僅受土壓力作用的目的。為探究土壓力作用下咬合樁的變形機(jī)理及整體結(jié)構(gòu)的變形發(fā)展模式,提取整個(gè)斷面的總位移云圖及水平向位移云圖,如圖9所示。

圖9 位移分布

為了更好地觀察樁身變形及應(yīng)力變化,提取樁身的水平向變形及彎矩變化如圖10和圖11所示。

圖10 樁身水平向位移分布

圖11 樁身彎矩分布

由圖10和圖11可知,當(dāng)僅有土壓力作用時(shí),樁身最大水平向位移為0.6 mm,正向最大彎矩為3.83 kN·m,負(fù)向最大彎矩為-2.89 kN·m,整個(gè)樁身幾乎未發(fā)生變形。此時(shí)樁側(cè)的主被動(dòng)土壓力較小,且嵌固入巖石的2 m長(zhǎng)樁身對(duì)整個(gè)樁身提供了一個(gè)固定約束,致使整個(gè)樁身的位移被控制在1 mm的范圍內(nèi)。

2.2 水壓力對(duì)咬合樁的影響

在上述模型的基礎(chǔ)上將防滲墻兩側(cè)的土體調(diào)整為一類(lèi)土體,同時(shí)兩側(cè)土體表面位于同一高程,恢復(fù)咬合樁兩側(cè)水頭差,從而達(dá)到咬合樁僅受水壓力作用的目的,提取咬合樁兩側(cè)土體的孔隙水壓力和水平位移分布云圖,如圖12、圖13所示。

圖12 孔隙水壓力分布

圖13 水平向位移分布

從圖12、圖13中可以看出,咬合樁存在水頭差,即咬合樁由于受到水頭差導(dǎo)致的水壓力作用進(jìn)而產(chǎn)生水平向的附加位移變形,為探究在水壓力作用下咬合樁的變形機(jī)理及整體結(jié)構(gòu)的變形發(fā)展模式,提取樁身的水平向位移及彎矩變化曲線如圖14、圖15所示。

圖14 樁身水平向位移分布(單水頭差)

圖15 彎矩分布(單水頭差)

如圖14、圖15所示,當(dāng)僅有水壓力作用時(shí),樁身最大的水平向位移位于樁頭位置處,為0.055 m,樁身正向最大彎矩為170 kN·m,負(fù)向最大彎矩為-18.2 kN·m。相比土壓力單獨(dú)作用的情況,水壓力單獨(dú)作用下樁身產(chǎn)生更大水平向變形,樁身的彎矩也更大。將土壓力、水壓力單獨(dú)作用工況與土壓力、水壓力共同作用工況進(jìn)行對(duì)比,如圖16及圖17所示。

圖16 咬合樁水平向位移分布

圖17 咬合樁彎矩分布

從圖16和圖17可以看出,當(dāng)土壓力與水壓力共同作用時(shí),樁身位移和彎矩最大且二者的共同作用效果大于土壓力、水壓力單獨(dú)作用時(shí)的樁身位移之和。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)水壓力與土壓力共同作用時(shí),由于左側(cè)填筑形成的斜坡?tīng)顕?導(dǎo)致咬合樁左右兩側(cè)受到的土壓力大小不一致,土體對(duì)于咬合樁左側(cè)的約束作用較弱,此時(shí)在指向左側(cè)的水壓力作用下樁身產(chǎn)生更大的變形。與之相對(duì)應(yīng),土坡整體也產(chǎn)生較大的位移。與此同時(shí),當(dāng)土壓力與水壓力共同作用時(shí),樁身彎矩最大值為367 kN·m,大于土壓力、水壓力單獨(dú)作用時(shí)的樁身最大彎矩之和。

綜上可知,水壓力對(duì)于樁身的變形起主導(dǎo)作用。然而當(dāng)同一方向的土壓力與水壓力共同作用在咬合樁上時(shí),土壓力會(huì)加強(qiáng)水壓力的作用效果,使包括樁結(jié)構(gòu)在內(nèi)的整個(gè)土體產(chǎn)生更大的變形及彎矩。

2.3 水頭變化的影響

為研究水頭對(duì)咬合樁變形的影響,建立水頭差分別為6.0、8.0、10.0、12.0及14.0 m的模型進(jìn)行計(jì)算,以水頭差8和12 m為例給出了整體水平向位移分布情況,如圖18所示。

圖18 不同水頭下的土體位移云圖

圖18結(jié)果顯示,不同水頭差作用下,咬合樁及土體的水平向位移均在圍堰坡頂處達(dá)到水平向位移最大值,在水壓力及土壓力的耦合作用下,土體內(nèi)部形成近似貫穿多個(gè)土層的滑裂面。隨著水頭差的增大,咬合樁及土體的位移幅值逐漸增加。為定量地比較不同水壓力作用下樁身的水平向位移及彎矩的發(fā)展規(guī)律,提取樁身水平向位移及彎矩變化曲線如圖19和圖20所示。

圖19 不同水頭下咬合樁水平向位移分布

圖20 不同水頭下咬合樁彎矩分布

從圖19和圖20結(jié)果可以看出,水頭差與咬合樁結(jié)構(gòu)的水平位移及樁身最大彎矩成正比,且隨著水頭差增大,樁頂相對(duì)于樁底的位移量也逐漸增大。當(dāng)兩側(cè)水頭差為10 m時(shí),咬合樁頂部的最大水平位移值為0.124 m,樁身最大彎矩為346 kN·m;兩側(cè)水頭差為6 m時(shí),咬合樁頂部的最大水平位移值為0.06 m,樁身最大彎矩為204 kN·m,與水頭差為10 m相比分別降低了51.6%及41.0%;兩側(cè)水頭差為14 m時(shí),咬合樁頂部的最大水平位移值為0.162 m。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),咬合樁兩側(cè)水位的變化對(duì)咬合樁結(jié)構(gòu)水平位移以及樁身彎矩的影響較大,當(dāng)兩側(cè)水位相差較大時(shí),咬合樁結(jié)構(gòu)的變形會(huì)更加明顯,對(duì)圍堰土體的擾動(dòng)也會(huì)相應(yīng)增加。

2.4 土體坡度的影響

為研究土體坡度變化對(duì)咬合樁防滲結(jié)構(gòu)變形的影響,建立土體坡度分別為1∶1.25、1∶1.5、1∶2、1∶2.5的模型進(jìn)行計(jì)算。以1∶1.25和1∶2.5坡度為例給出了整體模型水平向位移分布,如圖21所示。

圖21 不同坡度下的土體位移云圖

由圖21可知,咬合樁左側(cè)土體坡度不同時(shí),整個(gè)斷面的水平向位移云圖基本一致,均在圍堰坡頂處達(dá)到水平向位移最大值。在水壓力及土壓力的耦合作用下,土體內(nèi)部形成貫穿多個(gè)土層的近似圓弧狀的滑裂面。隨著土體坡度逐漸變緩,可以明顯看出圍堰坡頂處的位移幅值隨之逐漸減小。為定量比較不同土體坡度作用下樁身水平向位移及彎矩的發(fā)展規(guī)律,提取樁身水平向位移及彎矩變化曲線如圖22和圖23所示。

圖22 不同土體坡度咬合樁水平向位移分布

圖23 不同土體坡度下咬合樁彎矩分布

分析圖22和圖23的結(jié)果可知,當(dāng)土體坡度為1∶1.25時(shí),即咬合樁左側(cè)內(nèi)圍堰坡度相對(duì)較陡時(shí),樁身最大位移位于樁頂,為0.20 m,樁身彎矩為389.63 kN·m;當(dāng)圍堰坡度為1∶1.5時(shí),樁身最大位移為0.15 m,樁身彎矩為376.46 kN·m;當(dāng)圍堰坡度為1∶2時(shí),樁身最大位移為0.09 m,樁身彎矩為348.32 kN·m;當(dāng)圍堰坡度為1∶2.5時(shí),樁身最大位移為0.08 m,樁身彎矩為325.30 kN·m。隨著土體坡度的增大,樁身水平向位移及最大彎矩呈現(xiàn)出持續(xù)減小的趨勢(shì)。當(dāng)土體坡度小于1∶1.5時(shí),在此范圍內(nèi)變化土體坡度對(duì)樁身水平向位移及彎矩的影響較小。當(dāng)土體坡度由1∶1.5增大至1∶2時(shí),可以看出此時(shí)樁身最大位移及彎矩均發(fā)生明顯降低,且樁頂相對(duì)于樁底的位移也呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。當(dāng)土體坡度大于1∶2時(shí),此時(shí)在土壓力及水壓力的作用下,樁身變形及彎矩分布較為相似。因此在進(jìn)行咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中,從圍堰土體坡度這一角度出發(fā),土體坡度應(yīng)盡量放緩,不宜小于1∶1.5。

2.5 樁長(zhǎng)的影響

在上述計(jì)算實(shí)例咬合樁原樁長(zhǎng)的基礎(chǔ)上增加4組樁長(zhǎng)作為研究對(duì)象,具體計(jì)算工況如表3所示。

表3 不同樁長(zhǎng)計(jì)算工況

以樁長(zhǎng)16.34 m和27.74 m的計(jì)算工況為例,提取咬合樁及土體的水平向位移云圖,如圖24所示。

圖24 不同樁長(zhǎng)下土體位移云圖

由圖24可知,隨樁長(zhǎng)變化,咬合樁周?chē)耐馏w變形及樁身應(yīng)力變化有所差異。當(dāng)樁長(zhǎng)為16.34 m時(shí),此時(shí)樁身未能嵌固在巖石中,樁體完全與回填石碴接觸。在水壓力及土壓力的耦合作用下,樁身隨著土體發(fā)生變形,土體形成完整連續(xù)的圓弧形滑裂面,此時(shí)樁身最大應(yīng)力分布靠近樁底;隨著樁長(zhǎng)繼續(xù)增大,當(dāng)樁身嵌固在含碎石的粉質(zhì)黏土或強(qiáng)風(fēng)化板巖中時(shí),有嵌固段的樁體土體中存在連續(xù)但不圓滑的滑裂面,樁身最大應(yīng)力分布位于樁身約二分之一位置處。為定量比較不同樁長(zhǎng)的咬合樁水平向位移及彎矩發(fā)展規(guī)律,提取樁身水平向位移及彎矩變化曲線如圖25、圖26所示。

圖25 不同樁長(zhǎng)下咬合樁水平向位移分布

圖26 不同樁長(zhǎng)下咬合樁彎矩分布

由圖25和圖26可知,當(dāng)樁長(zhǎng)較小未能嵌固在巖石中或嵌固深度較小時(shí),此時(shí)樁身的水平向位移曲線存在明顯差異。當(dāng)樁長(zhǎng)較小時(shí),咬合樁隨著土體產(chǎn)生變形,未能實(shí)現(xiàn)對(duì)于整體圍堰結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)作用,此時(shí)樁結(jié)構(gòu)的最大位移出現(xiàn)在樁底,樁長(zhǎng)為16.34、18.34 m時(shí)最大位移分別為0.13、0.127 m,樁身彎矩曲線也較為類(lèi)似,最大彎矩均出現(xiàn)在靠近樁底約四分之一位置處;當(dāng)樁長(zhǎng)增大出現(xiàn)嵌固段時(shí),嵌固段的存在可充分發(fā)揮咬合樁對(duì)于結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)作用,樁身最大位移出現(xiàn)在樁頂位置處,當(dāng)樁長(zhǎng)為23.74、25.74及27.74 m時(shí),樁身最大水平向位移分別為0.126、0.136及0.145 m,由于樁身長(zhǎng)度的增大導(dǎo)致樁身?yè)隙鹊脑黾?樁身最大變形隨樁長(zhǎng)增加而增大。

2.6 樁徑的影響

樁徑?jīng)Q定了咬合樁防滲墻樁身剛度,從而影響樁身變形的發(fā)展,為此建立不同樁徑大小的咬合樁模型來(lái)分析樁徑對(duì)咬合樁結(jié)構(gòu)水平位移及樁身彎矩的影響,不同樁徑計(jì)算工況見(jiàn)表4。

表4 不同樁徑計(jì)算工況

以樁徑800、1 200 mm的計(jì)算工況為例,提取咬合樁及土體位移云圖,如圖27所示。

圖27 不同樁徑下的土體位移云圖

如圖27所示,不同樁徑下,土體斷面變形較為類(lèi)似,均在咬合樁左側(cè)圍堰坡頂處達(dá)到水平向位移的最大值,由于咬合樁的存在一定程度上限制了咬合樁右側(cè)土體的變形,使得咬合樁右側(cè)土體的水平向位移小于左側(cè)水平向位移幅值,整個(gè)土體形成相對(duì)較連續(xù)的滑裂面。為定量比較不同樁徑下的咬合樁水平向位移及樁身彎矩的發(fā)展規(guī)律,提取樁身水平向位移及彎矩變化曲線如圖28、圖29所示。

圖28 不同樁徑下咬合樁水平向位移分布

圖29 不同樁徑下咬合樁彎矩分布

由圖28可以看出,隨著樁徑的增大,靠近樁頂約五分之一的樁身長(zhǎng)度其水平向位移幅值逐漸增大,當(dāng)樁徑由800 mm增加至1 500 mm時(shí),樁身處最大水平向位移由0.143 m增加至0.151 mm。其余部分樁身的水平向位移隨著樁徑增大呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),從圖中可以看出樁徑對(duì)于樁身的水平向位移影響較小,當(dāng)?shù)刃稄皆龃?3%時(shí),樁身水平向位移變化僅為5.6%。如圖29所示,隨著樁徑變化,樁身彎矩沿樁身分布規(guī)律較為一致,且均在樁身約二分之一位置處達(dá)到最大值,隨著樁徑增大,樁身彎矩由189 kN·m增大至910 kN·m。

3 結(jié)論

本項(xiàng)研究建立了分析塑性混凝土咬合樁防滲墻變形特性的三維數(shù)值計(jì)算模型,通過(guò)大連灣沉管隧道工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的正確性,并探究了咬合樁防滲墻變形特性隨不同影響因素的演化規(guī)律,具體結(jié)論如下:

1)當(dāng)土壓力與水壓力單獨(dú)作用在咬合樁上時(shí),水壓力的作用更為顯著,導(dǎo)致咬合樁產(chǎn)生更大的變形及內(nèi)力。當(dāng)水壓力與土壓力共同作用在咬合樁上時(shí),水壓力將占據(jù)主導(dǎo)地位,對(duì)咬合樁的變形及內(nèi)力分布產(chǎn)生較大影響。

2)咬合樁兩側(cè)水頭變化對(duì)咬合樁變形產(chǎn)生的影響較大,隨著作用在咬合樁上水壓力的增大,樁身變形及最大彎矩隨之增大,對(duì)圍堰土體的擾動(dòng)也會(huì)相應(yīng)增加。相比水頭,土體坡度對(duì)樁身結(jié)構(gòu)變形的影響較小,土體坡度越緩,樁身水平向位移及彎矩越小。對(duì)于一些深度大、對(duì)周邊環(huán)境要求比較嚴(yán)格的圍堰工程來(lái)講,土體坡度應(yīng)盡量放緩,建議不小于1∶1.5。

3)通過(guò)對(duì)樁身嵌固深度的研究,發(fā)現(xiàn)咬合樁樁長(zhǎng)變化對(duì)其變形影響較大。當(dāng)樁長(zhǎng)較小樁身未能嵌固在巖石中時(shí),在外部壓力作用下,樁身隨著土體發(fā)生變形,土體形成完整連續(xù)的滑裂面,隨著樁長(zhǎng)增加,樁身嵌固段加長(zhǎng),樁身最大位移出現(xiàn)在樁頂位置處,土體中存在連續(xù)但不圓滑的滑裂面,樁身最大應(yīng)力位于樁身約二分之一位置處。隨著樁徑的增大,樁頂變形及樁身最大彎矩均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),彎矩沿樁身分布規(guī)律較為一致,且均在樁身約二分之一位置處達(dá)到最大值。