郭在旭 向俐蓉 劉會娟 孫 曉

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

鉆孔樁主要通過機(jī)械鉆孔成樁，可明顯減少人工作業(yè)量，有利于組織施工，往往可達(dá)到其它支護(hù)形式難以達(dá)到的效果[1]。與預(yù)制樁、人工挖孔樁相比，鉆孔樁受季節(jié)氣候、現(xiàn)場地質(zhì)條件等影響較小，成本低，不需澆筑模板且配筋比較靈活。

鉆孔樁在建筑基坑擋護(hù)、橋墩基礎(chǔ)設(shè)置、邊坡支擋、地基承載與沉降控制等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。Cui[2]等人通過案例分析和數(shù)值模擬，研究了鉆孔樁和傾斜鋼支撐組合結(jié)構(gòu)加固基坑的力學(xué)位移響應(yīng)規(guī)律；劉軍[3]等人依托橋臺樁基托換工程基坑支護(hù)，提出了一種土釘墻噴錨、鉆孔樁和內(nèi)支撐相結(jié)合的復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，并通過實時監(jiān)測驗證了施工方案的合理性；焦瑞玲[4]等人通過與常規(guī)擋墻方案比較，提出了一種永臨結(jié)合的鉆孔灌注排樁擋土墻方案，用于既有線切挖邊坡的設(shè)擋收坡；黃麗娟[5]等人通過現(xiàn)場試驗及作用機(jī)制研究，驗證了鉆孔樁后注漿技術(shù)的應(yīng)用可有效地提高鉆孔樁的單樁承載力，明顯減少樁頂沉降。

雅魯藏布江沿岸大量分布河谷風(fēng)積沙，形成的斜坡砂層具有松散、挖孔易坍塌、成孔困難等特征，同時高原氣候惡劣、高寒缺氧，在此條件下，路塹擋護(hù)樁采用人工挖孔成樁困難，宜采用機(jī)械化施工的鉆孔樁[6]。目前，關(guān)于路塹分層開挖條件下砂層鉆孔樁受力位移的研究尚不多見，因此本文結(jié)合拉薩至林芝鐵路(簡稱“拉林鐵路”)建設(shè)，通過數(shù)值仿真，研究分層開挖條件下鉆孔樁植筋擋墻的受力位移響應(yīng)。

1 工程概況

拉林鐵路位于西藏自治區(qū)東南部，岡底斯山與喜馬拉雅山之間的藏南谷地。沿線山高谷深，氣候極端惡劣。山脈呈東西向縱貫延展，谷嶺相間，地勢起伏跌宕。拉林鐵路全線長403 km，為國鐵Ⅰ級、單線電氣化鐵路，設(shè)計行車速度160 km/h。風(fēng)積沙主要分布于拉薩至協(xié)榮段，協(xié)榮車站一帶尤為嚴(yán)重，發(fā)育有半固定沙丘、沙壟等。

拉林鐵路DK 39+602.25～DK 39+653.75為風(fēng)積沙路塹段落，長51.5 m，小里程端與嘎拉山隧道相連接，大里程端接嘎拉山大橋，該段屬于雅魯藏布江第四系沖洪積堆積高山寬谷區(qū)，路塹支擋結(jié)構(gòu)采用鉆孔樁植筋擋墻，典型設(shè)計斷面(DK 39+625)如圖1所示，各土層的主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 DK 39+625典型設(shè)計斷面圖(m)

該段施工主要流程為：

(1)鉆孔樁樁身定位，隔樁施作樁井，樁井施作完畢后，放入鋼筋籠并打入預(yù)留連接鋼筋，灌注混凝土。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)表

(2)待樁身達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度80%，從上至下分層開挖墻前土體。

(3)在同一分層內(nèi)，噴射C25混凝土對樁前進(jìn)行找平。

(4)噴射混凝土完成后，按要求采用機(jī)械接長連接鋼筋。

(5)待上一層施作完成，按要求開挖下一層巖土體，施工工序同上一層，直至路塹基底。

2 數(shù)值模擬

2.1 基本假定

為研究砂層路塹分層開挖條件下，鉆孔樁支擋結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，在模型建立前作出4點假設(shè)：

(1)施工期間暫時不考慮地震作用，只在靜力條件下進(jìn)行計算。

(2)初始地應(yīng)力平衡只考慮模型巖土體自重，不考慮地下水及其影響，忽略巖土體構(gòu)造應(yīng)力。

(3)模擬計算過程中考慮巖土體參數(shù)變化，僅在穩(wěn)定性分析時，土體抗剪能力進(jìn)行折減。

(4)假定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為理想彈性材料。

2.2 模型建立

結(jié)合現(xiàn)場實際工況，數(shù)值模型計算比例設(shè)置為1∶1，將巖土體考慮為彈塑性材料，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。擋土墻按彈性材料考慮，采用各項同性彈性模型進(jìn)行模擬，鉆孔樁按結(jié)構(gòu)單元予以模擬，鉆孔樁與擋土墻之間的連接鋼筋采用結(jié)構(gòu)單元模擬。各土層實體模型通過FLAC3D內(nèi)置的楔形網(wǎng)格(Wedge)和矩形網(wǎng)格(Brick)建立。

數(shù)值模型邊界條件為：固定下邊界的x、y、z向位移，固定模型左右邊界的x向位移，固定模型前后邊界的y向位移?；灸Ｐ烷L148.5 m，高60.0 m，寬8.5 m。為避免邊樁影響，共設(shè)置3根樁，單排布置，樁長17.0 m，樁徑1.5 m，樁間距2.0 m。擋土墻與周圍土體之間建立接觸面。

2.3 計算參數(shù)及工況

數(shù)值模擬各土層、鉆孔樁及擋土墻的計算參數(shù)如表2所示，鉆孔樁力學(xué)及尺寸參數(shù)如表3所示。

基于初始地應(yīng)力計算，設(shè)置結(jié)構(gòu)單元模擬鉆孔樁，然后模擬樁前土體的分層開挖。樁前土體開挖深度6.2 m，分三次開挖，具體工況如表4所示。

表2 各土層及結(jié)構(gòu)計算參數(shù)表

表3 鉆孔樁力學(xué)及尺寸參數(shù)表

表4 數(shù)值計算工況表

3 計算結(jié)果分析

3.1 邊坡位移響應(yīng)

樁前土體分層開挖過程中的邊坡位移云圖如圖2所示，路塹開挖完成和基底碾壓后的位移云圖如圖3所示。

圖2 路塹分層開挖過程中的邊坡位移云圖(m)

圖3 路塹開挖完成和基底碾壓后的位移云圖(m)

從圖2可以看出，隨著樁前土體的逐步開挖，樁后邊坡下滑，下滑量隨土層開挖厚度的增加而增大。由于砂層路塹的開挖卸荷效應(yīng)，樁前土體出現(xiàn)不同程度的隆起現(xiàn)象，這與砂層土體的應(yīng)力釋放有關(guān)。在路塹基底，最大隆起位移與鉆孔樁的距離約4.0 cm，至路塹開挖完成，該點最大隆起位移為5.87 cm。

對比圖3(a)與(b)可以發(fā)現(xiàn)：(1)路塹開挖完成時，基底隆起量達(dá)到最大值，但基底碾壓密實后，土體隆起量有所減小，由5.87 cm降低至3.49 cm；(2)樁后土體水平位移逐漸增大，但其沿深度方向卻逐漸減小。

3.2 鉆孔樁受力響應(yīng)

為便于分析，本文以鉆孔樁樁頂作為0點，靠近路塹側(cè)(即臨空側(cè))為樁前，遠(yuǎn)離路塹側(cè)為樁后，樁身彎矩、剪力及水平位移正值按圖4指定方向確定。

3.2.1鉆孔樁樁身彎矩

分層開挖條件下，路塹鉆孔樁樁身彎矩的分布如圖5所示。其中，圖5(b)為圖5(a)中各工況相較于工況I-0的彎矩峰值增幅，鉆孔樁樁身彎矩現(xiàn)場實測值也納入圖5中。

圖4 樁身內(nèi)力及位移正值確定圖

圖5 鉆孔樁樁身彎矩分布特征圖

從圖5(a)可以看出， 5種模擬工況的樁身彎矩均沿樁深呈單峰曲線變化，即樁身彎矩從樁頂向樁深方向先增大至最大值(彎矩峰值點)，而后逐漸減小至零彎矩(樁底)。由量值和分布規(guī)律對比可知，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測值基本吻合。從圖5(a)還可以看出，樁身彎矩峰值點由淺層(5.1 m)向地基深層方向逐漸發(fā)展延伸，分層開挖完成后，彎矩峰值點深度也趨于穩(wěn)定，即工況E-3和工況F-4的彎矩峰值點深度均為11.2 m(開挖底面以下5 m)。此外，除工況I-0樁身彎矩峰值點深度位于開挖底面以上外，其余工況的樁身彎矩峰值點深度均位于開挖底面以下。其主要原因在于：隨著砂層逐漸被分層開挖，樁身懸臂段增長，樁后側(cè)向土壓力也不斷增大，樁身抵抗側(cè)壓的錨固作用不斷增加，錨固點逐漸向樁深方向發(fā)展。

從圖5(b)可以看出，相比工況I-0，工況F-4彎矩峰值增幅最大，但工況F-4的大部分彎矩增幅主要是由工況E-2和工況E-3貢獻(xiàn)的，兩者彎矩峰值增幅在工況F-4中的貢獻(xiàn)比分別為33.5%和44.4%。由此可見，工況E-2和工況E-3的樁身彎矩增加顯著，也就是說，在路塹分層開挖過程中，樁身彎矩及其峰值點極易快速增長，因此，工況E-2和工況E-3是砂層路塹分層開挖的重點監(jiān)測階段。

3.2.2鉆孔樁樁身剪力

分層開挖條件下，路塹鉆孔樁樁身剪力的分布如圖6所示。其中，圖6(b)為圖6(a)中各工況相較于工況I-0的剪力峰值增幅。

由圖6(a)可知，在不同的模擬工況下，樁身剪力沿樁深均呈反“S”型曲線分布，即樁身剪力沿樁深先向正值方向增大至正峰值點，再向負(fù)值方向逐漸減小并越過零點達(dá)到負(fù)峰值點，最后剪力負(fù)值向正值方向逐漸衰減至樁底。工況I-0～F-4的剪力拐點(即剪力由正值過渡至負(fù)值的分界點)深度分別為6.0 m、6.9 m、7.9 m、9.6 m和9.7 m。這表明隨著開挖深度的加大，樁后土壓力不斷增大，而樁前土壓力則呈降低趨勢。從圖6(a)還可看出，工況I-0、工況E-1和工況E-2的剪力正峰值深度均為4.3 m，當(dāng)路塹開挖完成時(工況E-3和工況F-4)，剪力正峰值深度發(fā)展至6.0 m。工況I-0的剪力負(fù)峰值深度為11.0 m，工況E-1略增加至9.3 m，而后向深處線性增大至14.4 m(工況E-3和工況F-4)。

圖6 鉆孔樁樁身剪力分布特征圖

從圖6(b)可以看出，相較于工況I-0，工況F-4的剪力正、負(fù)峰值增幅均達(dá)到最大。其中，工況F-4的正峰值剪力增幅主要是由工況E-2貢獻(xiàn)的，工況E-2的剪力正峰值增幅在工況F-4中的貢獻(xiàn)比達(dá)到46.8%；工況F-4的負(fù)峰值剪力增幅主要是由工況E-2和工況E-3貢獻(xiàn)的，二者的剪力負(fù)峰值增幅在工況F-4中的貢獻(xiàn)比分別為28.5%和48.7%。由此可見，與樁身彎矩類似，工況E-2和工況E-3的樁身剪力也極易顯著增加，在路塹分層開挖施工中也應(yīng)予以重點關(guān)注。

3.3 鉆孔樁植筋擋墻位移響應(yīng)

分層開挖條件下，路塹鉆孔樁植筋擋墻位移及軸力分布特征如圖7所示。其中，圖7(a)為水平位移沿樁身的分布情況(現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)也列入其中)，圖7(b)為擋土墻施工完成后(工況F-4)，樁-墻(鉆孔樁-擋土墻)水平位移差沿深度的分布情況，圖7(c)為擋土墻施工完成后，樁-墻連接鋼筋軸力沿深度的分布情況。

圖7 鉆孔樁植筋擋墻位移及軸力分布特征圖

從圖7(a)可以看出，隨著土層的開挖，鉆孔樁向路塹臨空面發(fā)生撓曲變形，變形量逐漸增大。各工況下，水平位移均沿樁深方向逐漸衰減至零點，而后向坡體方向發(fā)展并逐漸增大至樁底，工況I-0～F-4的零點水平位移深度分別為3.5 m、5.2 m、12.4 m、14.2 m和14.9 m。上述現(xiàn)象主要是由樁后土壓力作用下，樁體發(fā)生了一定的扭轉(zhuǎn)位移和彎曲變形引起的。由圖7(a)還可知，各種工況下，臨空側(cè)的水平位移最大值均位于樁頂，水平位移最大值分別為-0.03 cm、-0.12 cm、-0.84 cm、-1.40 cm和-1.42 cm；向坡體側(cè)的水平位移最大值均位于樁底，水平位移最大值分別為0.01 cm、0.04 cm、0.09 cm、0.10 cm和0.15 cm。由量值和分布規(guī)律對比可知，數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測結(jié)果吻合較好。

由圖7(b)可知，在樁深6.4 m以上，水平位移差為正值(即擋土墻水平位移大于鉆孔樁)，樁深在6.4～6.8 m范圍時，水平位移差為負(fù)值(即擋土墻水平位移小于鉆孔樁)。由此可見，擋土墻與鉆孔樁連接后，擋土墻的水平位移一般都大于鉆孔樁的水平位移，僅在墻底處出現(xiàn)有擋土墻水平位移小于鉆孔樁水平位移的現(xiàn)象。另一方面，從變化趨勢上看，從樁頂至樁深6.4 m處，水平位移差呈衰減變化。

從圖7(c)可以看出，鉆孔樁與擋土墻之間的連接鋼筋以受拉為主(正值)，僅在墻底處出現(xiàn)輕微的受壓(負(fù)值)；連接鋼筋拉力的最大值位于樁頂，且沿樁深方向逐漸衰減，至在墻底處發(fā)展為受壓狀態(tài)。

上述結(jié)果表明，鉆孔樁植筋擋墻各構(gòu)件應(yīng)力變形協(xié)調(diào)良好，連接鋼筋將鉆孔樁和擋土墻緊密聯(lián)系為一個整體。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬，揭示了分層開挖條件下砂層路塹鉆孔樁的力學(xué)響應(yīng)，得出以下主要結(jié)論：

(1)在分層開挖條件下，樁后邊坡發(fā)生下滑，并隨開挖深度的增加逐步增大，開挖卸荷易造成樁前地基出現(xiàn)不同程度的隆起變形，此類隆起變形屬于砂層的卸荷回彈，時效性不明顯，對工程正常使用影響小。

(2)各工況下，鉆孔樁樁身彎矩沿樁深方向均呈單峰曲線變化，且隨著砂層的開挖，樁身彎矩峰值點由淺層逐漸向地基深層方向發(fā)展；樁身剪力沿樁深方向均呈反“S”型變化，且隨著砂層的開挖，樁身剪力正、負(fù)峰值點均向地基深處發(fā)展。

(3)土層開挖造成鉆孔樁向路塹臨空面發(fā)生撓曲變形，且變形量逐漸增大，向臨空側(cè)的水平位移最大值位于樁頂，向坡體側(cè)的水平位移最大值位于樁底，撓曲點靠近樁底。

(4)擋土墻與鉆孔樁通過鋼筋連接后，擋土墻的水平位移一般都大于鉆孔樁的水平位移，連接鋼筋以受拉為主。施工完成后，鉆孔樁植筋擋墻各構(gòu)件應(yīng)力、變形協(xié)調(diào)良好。