排涝泵站基坑三轴搅拌桩变形规律研究

徐 辉

(安徽省宣城市宣州区水利局，安徽 宣城 242000)

0 引 言

三轴搅拌桩具有强度高、抗渗性好等优点，而且其施工工期较短，具有一定的经济性，已被广泛应用于基坑工程中。三轴搅拌桩的力学性能和变形特性是影响其稳定性的主要因素。

近年来，许多专家学者针对以上特性开展了相关研究。郭斌等[1]以某盾构隧道为研究对象，基于有限元模型，分析了三轴搅拌桩加固条件下，隧道及地面的变形规律，研究了三轴搅拌桩的加固效果。李鹏等[2]以某地基坑工程为研究背景，提出一种新型的三轴搅拌桩支护方法，分析其在软土地基中的力学性能和经济实用性，结果表明该方法的可行性良好。于占福等[3]以某软土基坑为研究对象，对比分析了三轴搅拌桩和双轴搅拌桩的加固效果，结果表明两种搅拌桩各具优势，三轴搅拌桩的加固效果较好，而双轴搅拌桩的抗渗效果较好。李焕容等[4]以某道路工程为研究背景，提出高压旋喷桩和SMW工法相结合的施工方法，基于监测数据，分析了该加固效果下桩身的变形规律。苏秦等[5]以某地铁车站为研究对象，基于室内试验，分析了不同注浆压力、水泥用量下三轴搅拌桩的抗压强度变化规律。

本文以宣城市重点涝区排涝泵站为研究背景，对其进行有限元分析，研究不同深度下三轴搅拌桩的力学性能及水平位移变化规律，并分析水泥与型钢对三轴搅拌桩稳定性的贡献情况。

1 工程概况

本文以宣城市重点涝区排涝泵站为研究背景，泵站主体结构及进出水闸、箱涵结构均采用三轴水泥搅拌桩复合地基处理。考虑到该工程的基坑长度较大，将基坑分隔为1#、2#、3#。考虑到渗透稳定的安全性，避免结构面层的接触渗流和绕渗，在箱涵两侧设C30钢筋砼截渗墙，并在堤身下箱涵底板结合施工期基坑围封结构设置一道高压旋喷桩防渗墙，打穿粉砂层，形成截水封闭。该工程所在地区的工程地质条件见表1。

表1 工程地质条件

2 模型的建立

本研究以排涝泵站基坑的三轴搅拌桩为研究对象，采用摩尔-库伦弹塑性模型进行分析，计算其变形规律和受力特征。采用内支撑beam单元对三轴搅拌桩进行模拟，考虑其内部型钢和水泥对桩身位移及应力的影响，分别采用弹性本构模型和摩尔-库伦弹塑性模型进行模拟，并在模型的边界施加约束，以控制其变形情况，模拟基坑开挖的过程。当开挖至底部时，计算此时的桩身位移及应力变化情况。

3 结果分析

3.1 力学及位移变化分析

为分析三轴搅拌桩的变形规律，首先分析其桩身水平位移情况，并将计算结果与规程的理论计算结果进行对比，基坑1#三轴搅拌桩的水平位移-深度曲线见图1。由图1可知，数值模拟的水平位移与理论计算的水平位移变化趋势具有一致性，随着深度的增大，桩身的水平位移呈现先增大后减小的趋势，当深度为-6.5 m时，理论计算值与数值模拟值有最大位移，分别为27.3 、17.15 mm。三轴搅拌桩理论计算值的水平位移显著大于其数值模拟值，当深度较小和较大时，二者之间的差距较小；当深度为-15 m时，三轴搅拌桩水平位移的理论计算值与数值模拟值近似相等；当深度为-6.5 m时，二者之间的水平位移差距最大，其差值为10.15 mm。这是由于规程对于三轴搅拌桩的计算主要将三轴搅拌桩视为一个整体，以此为基础计算桩身位移；而本研究分别将型钢和水泥采用不同的模型进行模拟，突出了以上两种材料对三轴搅拌桩稳定性的影响，在三轴搅拌桩结构中，水泥和型钢能有效提升结构的刚度，抑制其水平位移。考虑到水泥与型钢对三轴搅拌桩刚度的提升更符合实际工程的情况，采用该方法计算得出的水平位移更小。

图1 水平位移-深度曲线

图2为基坑1#三轴搅拌桩数值模拟与理论计算的剪力-深度对比图。由图2可知，随着深度的增大，三轴搅拌桩的剪力呈先增后减小再增大的趋势。当深度为-6.5 m左右时，三轴搅拌桩的剪力值为0 ，根据图1可知，此时三轴搅拌桩有最大水平位移。当深度为-9 m时，三轴搅拌桩的剪力值最大，数值模拟与理论计算的剪力值分别为349、473 kN。当深度大于-6.5 m时，三轴搅拌桩所受的剪力为负，此时理论计算值的三轴搅拌桩剪力绝对值大于数值模拟值；当深度为-6.5 m～-7.5 m、-11.5～-13 m时，此时理论计算值的三轴搅拌桩剪力绝对值小于数值模拟值；当位于三轴搅拌桩的中部时(-8～-13 m)，理论计算值的三轴搅拌桩剪力值较大。

综合而言，采用理论计算得出的三轴搅拌桩大部分区域的剪力值均大于数值模拟，这是由于本研究数值模拟分别将型钢和水泥采用不同的模型进行模拟，突出了以上两种材料对三轴搅拌桩稳定性的影响。当深度为-9 m时，理论计算值与数值模拟值差距最大，其差距为28%，说明型钢和水泥对三轴搅拌桩的剪力影响显著，尤其对于三轴搅拌桩中部影响较大。在实际工程中，应考虑以上两种材料对三轴搅拌桩所受剪力的影响。

图2 剪力-深度曲线

图3为基坑1#三轴搅拌桩数值模拟与理论计算的弯矩-深度对比图。由图3可知，数值模拟的水平位移与理论计算的弯矩变化趋势具有一致性，随着深度的增大，三轴搅拌桩的弯矩呈先增大后减小再增大的趋势。当深度为-5.5 m时，数值模拟的弯矩值最大，为854 kN·m；当深度为-6.5 m时，理论计算的弯矩值最大，为1 403 kN·m。理论计算的弯矩最大值远大于数值模拟，其差距为36.6%，这是由于本研究数值模拟分别将型钢和水泥采用不同的模型进行模拟，突出了以上两种材料对三轴搅拌桩稳定性的影响。对比水平位移和剪力而言，理论计算与数值模拟在弯矩值的差距最大，说明水泥和型钢对三轴搅拌桩的弯矩影响最为显著，尤其对于三轴搅拌桩的中部，该段数值模拟值与理论计算值的差距最大。在实际工程中，该段更需要考虑水泥和型钢对三轴搅拌桩稳定性的影响。

图3 弯矩-深度曲线

3.2 滑动摩擦系数对桩身位移的影响

水泥在三轴搅拌桩结构中主要起黏结作用，使型钢表面的摩擦力增大，提升结构的稳定性，所以滑动摩擦系数(μ)是影响三轴搅拌桩结构稳定性的主要因素之一。本节研究不同滑动摩擦系数下，三轴搅拌桩桩身位移的变化规律。

不同滑动摩擦系数下，基坑1#三轴搅拌桩的水平位移-深度曲线见图4。由图4可知，随着深度的增大，桩身的水平位移呈现先增大后减小的趋势。当深度为-6.5 m时，3种滑动摩擦系数下的三轴搅拌桩均有最大位移，其值分别为19.3、22.7、24.6 mm。滑动摩擦系数与三轴搅拌桩的桩身最大水平位移呈负相关，当滑动摩擦系数越大时，三轴搅拌桩的水平位移越小，说明增大滑动摩擦系数对于控制三轴搅拌桩的变形效果显著。这是由于当滑动摩擦系数越大时，水泥与型钢之间的摩擦力越大，其间的黏结更为紧密，增大了结构的稳定性。当深度处于三轴搅拌桩的中部时，不同滑动摩擦系数间的三轴搅拌桩水平位移差距较大，说明增大三轴搅拌桩的滑动摩擦系数能有效控制其中部的变形情况，水泥与型钢的相互作用对三轴搅拌桩的稳定性具有一定的贡献。在实际工程中，应考虑以上两种材料对结构变形的影响。

图4 不同滑动系数下水平位移-深度曲线

3.3 被动区加固影响分析

本研究的基坑2#主要采用三轴搅拌桩进行支护，在其被动区采用水泥土工格栅进行加固。为研究被动区加固条件下的三轴搅拌桩桩身变形规律，其最大水平位移出现的位置(H1)与开挖深度(H)之间的关系见图5。

图5 最大水平位移出现的位置与开挖深度关系

由图5可知，最大水平位移出现的位置与开挖深度之间存在一定的线性相关关系，随着开挖深度的增大，三轴搅拌桩最大水平位移对应的深度逐渐增大。根据分析可知，三轴搅拌桩的最大水平位移主要出现在桩身的中部，此时最大水平位移对应的深度小于开挖深度。而对被动区进行加固后，三轴搅拌桩最大水平位移对应的深度出现上移现象，此时最大水平位移对应的深度大于开挖深度，说明采用水泥土工格栅对基坑的被动区进行加固对三轴搅拌桩的变形情况有一定的影响。

为分析采用水泥土工格栅对基坑的被动区进行加固对三轴搅拌桩的变形情况，对比分析有无被动区加固的三轴搅拌桩的水平位移变化情况，其水平位移-深度曲线见图6。由图6可知，有无被动区加固的三轴搅拌桩的水平位移变化趋势具有一致性，随着深度的增大，桩身的水平位移呈现先增大后减小的趋势。当深度为5.1 m时，理论计算值与数值模拟值有最大位移，分别为26.1、34.2 mm。当深度较小时，有无被动区加固的三轴搅拌桩的水平位移差距较小；随着深度的增大，当出现最大水平位移时，二者之间的差距逐渐增大。对被动区进行加固的三轴搅拌桩的水平位移明显小于未加固的水平位移，说明采用水泥土工格栅对基坑的被动区进行加固能有效改善三轴搅拌桩的变形情况。在实际工程中，可采用以上加固方法来控制三轴搅拌桩的变形情况。

图6 有无被动区加固的水平位移-深度曲线

4 结 论

本文以宣城市重点涝区排涝泵站为研究背景，对其进行有限元分析，研究不同深度下三轴搅拌桩的力学性能及水平位移变化规律，并分析水泥与型钢对三轴搅拌桩稳定性的贡献情况。结论如下：

1) 三轴搅拌桩理论计算值的水平位移显著大于其数值模拟值，当深度较小和较大时，二者之间的差距较小。当深度为-15 m时，三轴搅拌桩水平位移的理论计算值与数值模拟值近似相等；当深度为-6.5 m时，二者之间的水平位移差距最大，其差值为10.15 mm。这是由于在三轴搅拌桩结构中，水泥和型钢能有效提升结构的刚度，抑制其水平位移。

2) 型钢和水泥对三轴搅拌桩的剪力影响显著，尤其对于三轴搅拌桩中部影响较大。在实际工程中，应考虑以上两种材料对三轴搅拌桩所受剪力的影响。

3) 被动区进行加固的三轴搅拌桩的水平位移明显小于未加固的水平位移，说明采用水泥土工格栅对基坑的被动区进行加固能有效改善三轴搅拌桩的变形情况。在实际工程中，可采用以上加固方法来控制三轴搅拌桩的变形情况。