吹填場地中單樁承載性狀數值模擬分析

張興業(yè)，任杰東

(1. 天津海河下游開發(fā)有限公司，天津 300450；2. 中鐵第五勘察設計集團有限公司，北京 102600)

天津濱海經濟的快速發(fā)展使得土地資源日趨緊張.而沿海地區(qū)有豐富的淤泥灘地資源，因此吹填淤泥填海造陸即成為沿海城市土地開發(fā)的重要手段，采用樁基礎則是改善其初步吹填后較差工程特性的重要方法.實際上，吹填場地上工程樁受力后的承載與變形性狀將變得十分復雜[1-3]，目前鮮有這方面的研究.本文基于吹填場地上的實際工程，采用 ABAQUS數值分析軟件，對天津濱海吹填地基中不同初始固結度下單樁承載性狀進行了有限元分析，分析結果為進一步研究吹填土中樁的承載與變形性狀提供了一定的參考，同時也為解決實際工程中的樁的沉降計算和樁基礎設計提供了依據.

1 模型參數的選取

場地由沿海灘涂經吹淤沖填，后外采土方填墊而成.沖填及填墊土質主要為淤泥、淤泥質土及素填土，其結構性差、欠固結、強度較低，填墊及沖填時間均小于5年.表 1為用于本文分析的土層性質指標參數.樁基礎采用高強度預應力管樁，樁徑 450 mm，樁長32 m.樁基施工完成后進行了單樁靜載試驗.

表1 模型計算采用的土性參數

采用 ABAQUS分析軟件對靜載試驗進行驗證.在模擬靜載試驗過程中，具體的加載方式與現場試驗保持一致，圖 1為單樁實際靜載荷試驗與數值模擬載荷試驗的對比曲線.由圖 1可見，模擬計算值與實測值的擬合度比較高，因此本文所選本構模型與所設定的土層參數能比較真實地反映實際情況.

2 不同初始固結度下單樁承載性狀分析

圖1 載荷試驗Q-S曲線

考慮到吹填場地隨時間的延長，固結程度也隨之變化[4-6]，本文模擬分析時分別取土體的初始固結度為 55%，65%，75%，85%，95%幾種，樁頂荷載統(tǒng)一為500 kN.為了得到橫向的變化規(guī)律，對于土體初始固結度為 55%的模型又分別施加了 500 ，700 ，900 kN加以對比分析.

2.1 不同固結時期樁側摩阻力的對比分析

在不同樁頂荷載作用下，土體固結不同時期樁體的側摩阻力變化如圖2、圖3所示.

圖2 不同樁頂荷載下固結初期樁側摩阻力對比

圖3 不同樁頂荷載下固結兩年后樁側摩阻力對比

由圖2、圖3可知：在固結初期，樁體的側摩阻力變化趨勢基本一致.分析認為，樁體在固結初期由樁頂荷載引起的沉降已基本完成，根據現場土層條件，該樁屬于端承樁，樁側摩阻力在樁土相對滑移中已經達到基本穩(wěn)定；固結兩年后，由于樁頂不同的荷載作用和吹填地基不同程度的固結，使樁側摩阻力沿樁身分布不再保持一致，與不同土層相對應，表現為明顯的成層性.

2.2 不同樁頂荷載下樁身豎向應力的對比

圖 4、圖 5分別給出了初始固結度為 55%，土體固結初期和固結兩年后樁身豎向應力與樁頂荷載之間的關系.

由圖 4、圖 5可以看出，隨著樁頂荷載的增加，樁身豎向應力增大.由于樁側摩阻力的變化趨勢在不同的荷載作用下區(qū)別并不明顯，因此，對于樁身豎向應力的變化趨勢是比較一致的.

圖4 不同樁頂荷載下固結初期樁身豎向應力對比

圖5 不同樁頂荷載下固結兩年后樁身豎向應力對比

2.3 樁側摩阻力隨不同初始固結度的變化

不同初始固結度的樁側摩阻力在固結初期的差距并不大，如圖6所示.在0～7 m土層內，各曲線變化基本一致；在7～20 m的土層內，隨初始固結度的增加摩阻力減??；但超過 20 m后則正好相反.分析認為，20 m 以下土層的彈性模量較大，且隨固結度的增加，土體密實度有較大增加，導致該段土層對樁體產生較大的摩阻力.

圖6 固結初期不同固結度的樁側摩阻力對比

固結兩年后不同固結度的樁側摩阻力對比如圖7所示.

圖7 固結兩年時不同固結度的樁側摩阻力對比

由圖 7可見：隨著初始固結度的變大，樁側負摩阻力影響范圍是逐漸減小的；初始固結度 55%，65%，75%的負摩阻力較為明顯；當初始固結度增至 85%時，負摩阻力影響范圍明顯減??；當固結度達到 95%時，負摩阻力的影響范圍非常小.因此在實際工程應用中，對于吹填土進行真空預壓處理，建議最終的固結度要在 85%以上，這樣負摩阻力對樁承載力的影響減小，而實際上，吹填工程淺部土層固結較好，基本能達到85%，而深部土層的固結度就小很多.

2.4 沉降量與不同初始固結度的對應關系

由于固結程度的不同，導致土體的固結沉降時間與沉降量不同.圖 8、圖 9分別為樁頂和樁側土體沉降隨初始固結的變化曲線.可見，樁體沉降以及樁側地表土的沉降隨固結度的增大是逐漸減小的.對于樁沉降，各曲線變化隨時間的增加由陡變緩，沉降趨于穩(wěn)定；樁側土體沉降的變化規(guī)律與樁體沉降大致相同，只是變化幅度要稍大一些.

圖8 不同初始固結度之間的樁頂沉降對比

圖9 不同初始固結度之間的樁側地表土層沉降對比

3 結 論

通過建立軸對稱單樁的分析模型，分別考慮不同的樁頂荷載和不同的土體初始固結度對樁基性狀的影響，得到如下結論.

(1)土體固結初期樁側摩阻力變化趨勢基本一致；固結兩年后，樁側摩阻力沿樁身的分布不再保持一致，表現為明顯的成層性；隨著樁頂荷載的增加，樁身豎向應力增大，但各荷載作用下豎向應力變化規(guī)律基本相同.

(2)樁體沉降以及樁側地表土沉降隨固結度的增大而逐漸減小，樁側地表土沉降變化幅度大于樁體沉降.

(3)不同初始固結度的樁側摩阻力在固結初期相差不大，固結兩年后，樁側負摩阻力影響范圍逐漸減小.建議在工程應用中對于吹填土的真空預壓處理最終的固結度要在85%以上.

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