基于开挖过程的桩板墙加固数值模拟分析

李 耀 文

(中铁七局集团第五工程有限公司，河南 郑州 450000)

0 引 言

我国黄土地区面积广袤，土体性质复杂多变，铁路工程建设往往面临诸多新的问题.桩板墙经常被用于深路堑边坡的实际支护工程中[1]，并对桩板墙的支护性能进行了深入研究，巨能攀等[2]采用数值模拟的方法对边坡支护下桩板墙的桩身传力方式、桩身内力等进行了分析；张力[3]依托贵广高速铁路工程，对现场路堤桩板墙工点进行了原位监测试验与数值模拟分析，得到了桩板墙侧向变形引起的路堤沉降变化规律；李宇峰[4]依托某路堤桩板墙现场试验，采用现场实测与数值模拟相结合的方法研究了路堤桩板墙侧向位移与路堤沉降的关系；李浩[5]开展了关于路肩桩板墙受力与变形特性的现场测试，分析了土压力大小沿墙高的分布特征以及桩前地基土变形与抗力、桩顶位移和墙后路基沉降的关系.黄土地质的深路堑桩板墙边坡防护工程往往会大面积开挖，若桩板墙下软弱地基的侧向承载力不够，开挖过程可能会使周边土体的变形过大，从而影响到桩板墙本身的稳定性.

目前，数值分析技术已广泛应用于岩土工程中[6-12]，可以模拟开挖和支护的全过程.因此本文依托三门峡地区桩板墙加固工程试验工段，采用数值模拟的方法，考虑桩前地基进行加固和不加固两种工况，对比分析桩前地基土开挖时边坡、桩板墙和桩前地基隆起变形的变化规律.

1 工程概况

该深路堑工点为三门峡地区某桩板墙加固工程，位于秦岭山脉以北，灵三盆地和秦岭山脉交界处，沿线经过黄土梁峁区及河流冲积阶地，主要以深路堑挖方和高路堤填方为主.通过黄土梁峁区，冲沟发育，地形起伏较大，地质主要为砂质新黄土，地质条件复杂，土质不匀，黄土湿陷性等级为IV级(很严重).线路中心最大垂直开挖深度30.88 m，最大路堑边坡高度65.57 m，为降低堑坡高度、增强边坡稳定性，边坡防护采用拱形骨架护坡和锚杆格梁，路堑底采用抗滑桩桩板墙结构.

2 数值计算

2.1 模型建立及边界条件

采用FLAC3D仿真软件进行数值模型计算，桩板墙桩长26 m，悬臂段8 m，嵌固深度18 m；选取旋喷桩长度9 m进行桩前软弱地基加固，旋喷桩桩径0.6 m.考虑到边界范围的取值对数值模拟结果的影响较大，因此，选取桩板墙桩前地基范围40 m，桩后边坡土体范围80 m，以降低边界效应对计算结果的影响.模型采用对称边界条件，在模型底部施加XYZ三个方向的约束，模型前后侧施加X方向约束，左右侧施加Y方向约束，仅对模型施加重力.计算模型见图1，图2为旋喷桩加固示意图.

图1计算模型图2旋喷桩加固示意图

2.2 模型参数及开挖工况

模型计算假定桩板墙和旋喷桩为线弹性材料，将土体视为弹塑性材料，采用Mohr-Coulomb模型其中桩板墙和土体采用实体单元，采用Pile单元模拟旋喷桩进行计算，通过设置pile结构单元的切向和法向耦合弹簧参数实现旋喷桩与桩前土的相互作用.模型计算参数参考三门峡地区典型砂质新黄土的物理参数，如表1所示.

表1 模型计算参数

桩前地基开挖共分为1个平衡步和4个开挖步.第一步进行自重应力场平衡；第二步将自重应力平衡后的速度、位移清零，设置支挡结构后再施加重力进行平衡计算；第三步分步骤对桩前地基进行开挖模拟.桩前地基开挖深度共8 m，开挖工作分4次进行，每次开挖2 m，见图1.为进一步研究桩板墙在旋喷桩加固作用下的桩体位移及桩前地基的变化规律，在数值分析过程中，分别记录边坡整体位移、桩身侧向位移及桩前地基的隆起情况.设置地基深8 m，分别位于桩前2 m、4 m、6 m、8 m的四个测点为监测点.

3 计算结果及分析

3.1 边坡整体位移分析

为研究旋喷桩加固桩前软弱地基的加固效果，首先对未加固时的桩板墙桩前地基进行开挖工况，各开挖工况下边坡x方向水平位移云图如图3所示，“-”值为沿边坡方向.

数值模拟计算结果表明，若未采用旋喷桩进行加固，桩板墙桩前地基开挖使桩板墙发生较大变形.随开挖深度的增加，应力释放效应逐渐增大，边坡水平位移逐渐增加：第一次开挖完成时的位移为-11.93 mm，对桩体稳定性影响较小，随着开挖次数的增加，位移逐渐增加为-30.78 mm、-57.59 mm和-119.52 mm，位移净增量分别为18.85 mm、26.81 mm和61.93 mm，可见开挖深度对桩板墙的稳定性有较大影响，由于桩前软弱地基未能提供足够的侧向抗力，导致开挖深度越深，桩体侧向变形量越大.

a.第一次开挖 b.第二次开挖

c.第三次开挖 d.第四次开挖

图3未加固时逐级开挖x方向位移云图

a.第一次开挖 b.第二次开挖

c.第三次开挖 d.第四次开挖

图4加固时逐级开挖x方向位移云图

图4为旋喷桩加固时桩前地基开挖的位移云图，由图可知，采用旋喷桩加固地基后进行开挖，能有效抑制边坡侧向变形，边坡水平位移均出现不同程度的减小.当第一次开挖结束时，水平位移为-11.69 mm，第二、三次开挖完成后的位移值分别为-30.76 mm和-54.92 mm，当完成第四次开挖后，最大位移为86.64 mm，相比于未加固时的水平位移，各开挖工况结束后的位移分别减小了2.01%、0.02%、4.64%和27.51%.通过对比上述开挖结果可知，前三次的开挖工况结束后，位移的变化量均较小，而第四次开挖结束后，采用旋喷桩加固后的最大位移有明显减小，说明开挖深度较小时，边坡应力释放效应不明显，旋喷桩加固效果没能体现；当开挖深度较大时，由于应力释放效应的累加，旋喷桩的加固效果得到充分体现.因此，旋喷桩加固软弱地基在深路堑工程中有良好的适用性.

3.2 桩板墙桩身位移分析

图5为桩板墙桩身位移随桩前开挖的变化曲线，从图中可以看出，桩身位移随桩前土开挖深度逐渐增加，且抗滑桩的悬臂桩段位移变化趋势明显，这是由于桩前土的开挖导致桩顶至开挖面的桩后土体产生应力释放作用及桩后土体作用于桩身的应力发生重分布，从而使桩身受力改变.对两种工况桩身位移进行分析可得，桩前地基采用旋喷桩加固后在一定程度上减小了桩身位移，桩顶位移在开挖后增量总体表现较为均匀连续，加固相较于未加固的位移减小量较小；未加固的桩板墙桩身位移在第四次开挖结束后，位移出现较大增加，而加固后的桩身位移增量仍表现较为均匀，旋喷桩加固软弱地基的效果明显，且开挖深度越深，加固效果越好.

(a)桩前地基未加固 (b)桩前地基加固

图5桩板墙桩身位移曲线

(a)桩前地基未加固 (b)桩前地基加固

图6地面隆起与开挖次数的变化关系

3.3 桩前地面隆起分析

图6为桩前土地面隆起与桩前土开挖的关系曲线.由图可知，随着桩前地基土开挖，桩前土体原有的应力状态发生改变，应力被释放，导致地面出现向上隆起的趋势.桩前地基开挖也导致桩板墙后土体逐渐挤压桩板墙，使桩前地基的应力增大，导致地基隆起现象.随着桩前地基开挖深度的增加，隆起变形逐渐增加；且地面隆起高度随着距桩板墙水平距离的增加逐渐增大，当桩前地基开挖结束后，2 m、4 m、6 m和8 m监测点的最大地面隆起较无旋喷桩加固桩前土时分别降低了75.41%、64.35%、43.61%、26.67%.

当桩前地基未被加固时，距桩板墙较近的地面隆起变形随着开挖深度的增加逐渐增加，应力向桩板墙方向转移；由于旋喷桩加固位置在桩板墙前5 m范围内，导致这种应力转移被限制，而超过5 m的未被加固地基隆起变形增幅较大.在桩前地基开挖过程中，由于桩板墙的位移和变形导致桩后主动土压力区土体剪力增大；而桩前被动土压力区的水平应力增大，导致地基土体发生挤压和隆起，对桩前地基进行加固，在一定程度上破坏了土体原有的应力分布，使土体在初期开挖时产生了不均匀的沉降.

4 结 论

本文通过对桩前地基加固和未加固两种工况下的桩板墙桩前开挖变形进行模拟分析，得到以下结论.

(1)采用旋喷桩对桩板墙软弱地基进行加固，可有效减小边坡整体侧向位移和桩板墙桩顶水平位移及桩前地基隆起现象，增加了桩前地基的侧向抗力，提高了桩板墙的整体稳定性.

(2)浅层开挖对桩板墙的影响较小，随着开挖深度的增加，桩顶位移逐渐增加，相较于未加固工况，加固后的桩板墙位移增量仍较为均匀连续，旋喷桩加固对深路堑工程的加固效果更为显著.

(3)桩前地基隆起表现为距桩板墙越远，隆起量越大.采用旋喷桩加固对桩前土体隆起起到一定的约束作用，在旋喷桩加固设计中可适当增加加固区域，提高桩前地基的整体侧向承载力.