鋼板樁跳拔跟進灌漿工藝控制土體變形的研究

王凱 王植林

1.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司蘇州分院 215000

2.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司南京分院 210000

引言

鋼板樁支護系統(tǒng)具有造價低、施工快、強度高、止水好等多方面優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于基坑工程［1］。鋼板樁作為可重復(fù)利用的施工設(shè)備，拔除后土體留下縫隙，尤其是在軟土地質(zhì)條件下，易造成臨近地表較大的沉降及水平變位［2］，進而導(dǎo)致周邊地面沉陷開裂，建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)安全受到影響。許瓊鶴等［3］從減小拔樁縫隙、坑外土體加固等方面提出多種減輕鋼板樁拔除環(huán)境影響的措施，指出坑外施打水泥攪拌樁具有緩解地面沉陷的效果。趙占軍［4］則指出及時填充拔樁遺留的孔隙，可以有效減少土體變形和影響范圍。工程實踐中存在著跳拔灌漿、灌水灌砂、涂刷減摩劑等諸多控制土體變形的施工措施，但其真實效果往往缺乏定量地分析，有待進一步探究。本文結(jié)合南京市江北新區(qū)某水環(huán)境提升項目，借助于有限元軟件ANSYS 進行數(shù)值計算，對比鋼板樁連續(xù)拔除不做處理以及采用鋼板樁跳拔跟進灌漿工藝后土體變形的差異。同時，分析鋼板樁跳拔工序?qū)ν馏w變形的影響，為軟土地質(zhì)條件下鋼板樁的拆除施工提供參考。

1 理論探究

1.1 土體變形機理

受樁自身體積、樁身帶泥以及拔樁振動的影響，鋼板樁拔除后留有縫隙。這一土體的損失打破了地應(yīng)力場原有的平衡，縫隙兩側(cè)土體產(chǎn)生塑性流動，損傷傳遞產(chǎn)生位移，引起地表沉降。這一過程類似于高邊坡的滑移失穩(wěn)，不同的是，由于縫隙有限，縫隙兩側(cè)部分土體流動接觸后產(chǎn)生擠壓，應(yīng)力場重分布達到平衡，變形過程停止。當采用跳拔跟進灌漿施工工藝，灌漿料填充了拔樁縫隙即土體潛在的變位空間，從而起到限制土體變形的作用。

土體因拔樁縫隙而塑性變形可由滑移線場理論解釋，縫隙兩側(cè)土體沿α族線滑動?；凭€場理論，是將平面應(yīng)變問題的兩個平衡方程與材料的屈服準則聯(lián)立，建立反映塑形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)的一階擬線性偏微分方程組，其數(shù)學上的特征線即為滑移線，物理意義上是剪切破壞面。對于土體材料，當采用Mohr-Coulomb 屈服準則或雙剪統(tǒng)一強度理論［5，6］，表達為：

式中：應(yīng)力圓半徑R=（σ1-σ3）/2；平均應(yīng)力P=（σ1+σ3）/2，σ1和σ3分別為第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力；φt和ct分別為土體（或經(jīng)修正的）內(nèi)摩擦角和黏聚力參數(shù)。

此時，建立的關(guān)于P 和θ（第一主應(yīng)力與x軸的夾角）的偏微分方程組為橢圓型方程，其兩個實數(shù)根（即特征線方程）之一的α族線為：

可見，滑移線應(yīng)為水平方向為短軸的橢圓，圖1 基本反映了土體流動接觸前的變形特征。由于縫隙有限，兩側(cè)土體流動產(chǎn)生接觸，并隨著接觸擠壓面積的增加，擠壓的阻滑作用與重力的滑動作用在α 族滑動面達到平衡，變形停止。土體接觸后的變形，以及鋼板樁跳拔跟進灌漿工藝的影響結(jié)果，因其復(fù)雜性，可采用數(shù)值方法計算分析。

圖1 土體滑移曲線Fig.1 Soil slip curve

1.2 數(shù)值方法分析

為研究鋼板樁跳拔跟進灌漿工藝全過程及后期地面堆載作用下土體的變形，合理地采用有限單元方法進行仿真分析，能夠取得精確的計算結(jié)果。

其一，可借助于有限元接觸分析方法模擬土體的接觸、脫開及滑移。有限元接觸分析方法，通常利用約束變分原理處理接觸面條件并進行迭代求解。接觸過程涉及接觸界面非線性、材料非線性及幾何非線性的時間演化，一般采用增量方法求解。當采用Lagrange乘子法引入附加約束條件時，接觸問題的泛函可表示為Π=Πu+ΠCL；而當采用罰函數(shù)法引入附加約束條件時，Π=Πu+ΠCP。其中，Πu代表原問題不含接觸條件的總勢能，ΠCL和ΠCP分別代表Lagrange 乘子法和罰函數(shù)法引入的接觸定解條件的附加泛函［7］。對于本文模型，接觸附加約束條件采用軟件默認的增廣Lagrange法，即混用上述Lagrange乘子法和罰函數(shù)法強制接觸協(xié)調(diào)，進行試探—校核迭代。

其二，可采用單元生死技術(shù)模擬不同工序下鋼板樁拔除與灌漿的施工變化過程。被殺死單元的剛度矩陣被引入一個數(shù)值很小的乘子（本文計算采用10-6），從而對總體剛度矩陣的貢獻近似于零。重新激活被殺死單元時，被激活的單元具有零應(yīng)變狀態(tài)。與重疊單元（獨立生成的共節(jié)點單元）結(jié)合，可以模擬材料屬性的時變過程。對于本文模型，涉及土體材料的單元分批次殺死與灌漿料的單元分批次激活：鋼板樁拔除留下縫隙采用殺死土體單元模擬，灌漿施工過程采用激活灌漿料單元模擬。

2 數(shù)值計算

2.1 工程概況

南京市江北新區(qū)某水環(huán)境提升項目，頂山街道大橋北路以南某條狀基坑回填后進行鋼板樁的拔樁施工。場地屬長江漫灘地貌單元，場地分布淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土層，具明顯的流變性和觸變性，屬于大含水率、大孔隙比、高壓縮性、低強度的中靈敏度軟土，工程地質(zhì)性質(zhì)差，易產(chǎn)生較大的壓縮變形，開挖時易坍塌失穩(wěn)。

拔除的鋼板樁SP-U400 ×170 ×15.5，樁長15m，入土深度14.7m。先期鋼板樁連續(xù)拔除不做處理，周邊路面出現(xiàn)細碎破裂情況。后期變更為鋼板樁跳一拔一，跟進灌漿（水膠比1∶1 水泥配置漿液）施工方式，并對路面沉降進行監(jiān)測，監(jiān)測位置如圖2 所示。

圖2 沉降觀測點Fig.2 Settlement observation points

根據(jù)該項目巖土工程勘察報告，數(shù)值模型采用的巖土參數(shù)見表1。

表1 巖土參數(shù)Tab.1 Geotechnical parameters

2.2 數(shù)值模型

1.土體本構(gòu)

土體材料采用理想彈塑性本構(gòu)模型，無材料硬化，由屈服準則及流動法則兩要素構(gòu)成。模型服從Drucker-Prager屈服準則（D-P準則）：

式中：I1和J2分別為應(yīng)力張量的第一不變量和應(yīng)力偏量的第二不變量；取D-P 圓錐外接于Mohr-Coulomb棱錐，通過ct和φt計算材料參數(shù)a、k。模型服從非關(guān)聯(lián)的流動法則，塑性應(yīng)變率矢量與塑性勢函數(shù)F（σij）外法線共向，表達如下：

2.有限元模型

采用軟件ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言（APDL）構(gòu)建有限元模型，分別模擬鋼板樁連續(xù)拔除不做處理與鋼板樁跳拔跟進灌漿的全過程，進行結(jié)果的對比分析。計算以重力加速度作用下土體的位移與應(yīng)力作為土體歷史固結(jié)沉降與初始地應(yīng)力場，不考慮地下水滲流、鋼板樁施打的影響。鋼板樁拔除留有的縫隙按面積等代為矩形［2，3］，以鋼板樁正常帶泥測算取縫隙寬度δ=150mm。

實體元均采用八節(jié)點六面體等參元Solid45，土體本構(gòu)按上節(jié)所述，灌漿料按線彈性?？p隙兩側(cè)分別覆蓋耦合四結(jié)點接觸元Targe170 和Conta173 作為目標面和接觸面，形成接觸對。按1.2節(jié)所述，采用增廣Lagrange法強制接觸協(xié)調(diào)，并通過單元的殺死、激活模擬鋼板樁拔除與灌漿的施工變化過程。依據(jù)1.1 節(jié)所述，土體沿橢圓線滑移，拔樁的單側(cè)土體變形水平影響范圍不超過樁入土深度。基于此，取計算域尺寸長32m、高20m、厚4.8m（對應(yīng)于12 幅鋼板樁寬度）進行分析，有限元模型如圖3 所示。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.3 結(jié)果分析

1.連續(xù)拔除的結(jié)果

對鋼板樁連續(xù)拔除不做處理的土體變形進行數(shù)值計算，土體水平方向的位移云圖見圖4?？p隙兩側(cè)土體的最大水平位移為75.115mm，與土體接觸的理論結(jié)果半縫隙寬75mm 存在穿透誤差，數(shù)值計算誤差約0.15%。除臨近地面高度及樁底高度外，縫隙兩側(cè)土體已塑性流動至閉合狀態(tài)，水平方向的位移流動傳遞引起地表土的豎向沉降。由圖5a 可知，地表沉降表現(xiàn)為盆形，最大沉降量為16.7mm，最大沉降處與拔樁縫隙間距約4.8m，這一間距約為鋼板樁入土深度的30%，與許瓊鶴等［3］文中給出的地表沉降規(guī)律一致。

圖4 土體水平位移云圖（單位：m）Fig.4 Soil horizontal displacement cloud diagram（unit：m）

2.跳拔灌漿的結(jié)果

對采用鋼板樁跳一拔一跟進灌漿工藝（第一批次間隔一樁拔出一樁，第二批次拔出剩余樁，每批次拔樁后縫隙灌漿）的土體變形進行數(shù)值計算，并與鋼板樁連續(xù)拔除不做處理作比較，結(jié)果見圖5。

圖5 地表沉降、地表水平位移及深層水平位移對比Fig.5 Ground settlement and horizontal displacement

由圖5 可以看出，當采用鋼板樁跳一拔一跟進灌漿施工方式，拔出第一批樁后，靠近鋼板樁地表沉降量為-2.2mm，表明鋼板樁的拔出帶泥起到了卸載作用，引起地面的回彈變形。拔出全部剩余（第二批）樁后，地表最大沉降量為3.9mm，并隨與拔樁縫隙距離增大逐步趨于零。相較連續(xù)拔除，地表最大沉降量減少了76.5%。項目實施中觀測了距鋼板樁2m、5m及10m處的路面沉降，變化規(guī)律及數(shù)值均與數(shù)值計算結(jié)果相吻合。此外可見，鋼板樁跳拔跟進灌漿工藝控制土體水平變形的效果是非常顯著的：相比于鋼板樁連續(xù)拔除不做處理，地表水平位移最大值由44.6mm降低為1.1mm，深層水平位移最大值由縫隙閉合值75mm降低為1.7mm，降低幅度分別達95%以上，極大地降低了路面開裂的風險。

綜上分析，通過分批次的拔樁與灌漿，十分有效地阻止了縫隙兩側(cè)土體塑性流動的趨勢，進而限制了損傷開展，使得地面的沉陷大為緩解。細致地看，鋼板樁跳拔跳一拔一跟進灌漿的每一施工工序都包含土體變形的兩個方面：鋼板樁拔出一方面提供了土體水平變位的空間，另一方面也存在卸載回彈的次要影響。水泥漿灌入有加載壓縮的作用，而更重要的是填充土體的變位空間，阻抗土體的進一步變形。

3.地面堆載的結(jié)果

項目實施過程在基坑回填鋼板樁拔除后面臨路基修筑，存在大范圍的地面堆載。進一步考慮3kPa的地面均布荷載，地表沉降的數(shù)值計算結(jié)果如圖6 所示。鋼板樁連續(xù)拔除不做處理時地表最大沉降量為30.3mm，16m 路幅寬度內(nèi)最大沉降差達12.2mm，沉降曲線呈盆形，變化顯著。而采用鋼板樁跳拔跟進灌漿工藝，地表最大沉降量為17.2mm，16m路幅寬度內(nèi)最大沉降差2.8mm，沉降曲線平滑，接近未受擾動場地的沉降量13.6mm。可見，鋼板樁跳拔跟進灌漿工藝可以有效控制后期地面堆載作用下的土體變形，能夠減少地面沉降差75%以上。

圖6 3kPa 堆載作用下地表沉降量對比Fig.6 Ground settlement under 3kPa loading

3 鋼板樁跳拔工序?qū)ν馏w變形的影響

采用數(shù)值方法模擬不同跳拔工序跟進灌漿后土體的變形，地表沉降結(jié)果見圖7。

圖7 不同工序的地表沉降量對比Fig.7 Ground settlement in different processes

結(jié)果顯見，在本文工程案例所代表的軟土地質(zhì)條件下，相比于跳一拔一、跳一拔二工序，跳二拔一工序跟進灌漿施工能夠更有效地控制土體變形，減少地表的沉降。事實上，工程地質(zhì)情況、鋼板樁類型及入土深度均是影響跳拔工序優(yōu)劣的潛在因素，結(jié)論的普適性有待于進一步探究和更多工程實踐的驗證。

4 結(jié)論

本文結(jié)合某水環(huán)境提升項目，通過理論探究及數(shù)值計算研究軟土地質(zhì)條件下鋼板樁跳拔跟進灌漿工藝對土體變形的控制，主要結(jié)論有：

1.相比于鋼板樁的直接拔除，鋼板樁跳拔跟進灌漿工藝可有效地阻止土體塑性流動及土體損傷開展，緩解地面沉陷，可以降低土體水平位移95%以上，極大程度降低路面開裂的風險。

2.通過分批次的拔樁與灌漿，大面積堆載作用下的地面沉降差減少了75%以上，表明該工藝具有重要的工程價值和現(xiàn)實意義。

3.跳二拔一相較于跳一拔一工序控制土體變形更具優(yōu)勢，但影響工序選擇的因素較多，有待于更多工程實踐的驗證。