港口拋填地基碎石注漿樁加固有限元分析

李 健，邱紅勝，趙建國，熊志軍

(1. 中國市政工程西南設(shè)計研究總院， 四川 成都 610081；2. 武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063； 3. 武警湖北總隊， 湖北 武漢 430073)

近年來，在港口拋填軟土地基上以板式基礎(chǔ)為主的基礎(chǔ)選型在工程設(shè)計、施工中逐漸被認(rèn)可。大尺寸柔性淺基礎(chǔ)作為板式基礎(chǔ)的一種，已成功應(yīng)用于工程實(shí)踐[1,2]。當(dāng)?shù)鼗鶙l件受限時，采用淺基礎(chǔ)可縮短工期，減少經(jīng)濟(jì)投入[3]。荷載較大的情況下，為滿足地基承載力要求并保證基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，在技術(shù)上，基礎(chǔ)尺寸將相應(yīng)增加，但當(dāng)板體尺寸增加到一定程度，基礎(chǔ)內(nèi)部(板內(nèi))應(yīng)力超過混凝土板的拉、壓強(qiáng)度，增加配筋和提高混凝土標(biāo)號的方法均不足以保持板的安全穩(wěn)定性、滿足承載力要求時，需要另尋處理方法。并且僅僅增加基礎(chǔ)尺寸也不一定是經(jīng)濟(jì)的處理方法。在設(shè)計荷載較大時，可將通過地基處理減小基礎(chǔ)尺寸的方法作為比選方案，以選取較為合理、經(jīng)濟(jì)的方案。

本文將采用碎石注漿樁加固地基，并通過有限元模擬地基承載力荷載試驗(yàn)，來綜合確定天然地基以及加固后復(fù)合地基的承載力。并分析在有限元分析中，樁徑、樁數(shù)、樁土相互作用等因素對確定復(fù)合地基承載力的影響。

1 碎石注漿樁加固方案

碎石注漿樁又稱漿固碎石樁，是水泥砂漿膠結(jié)碎石而成的小型鉆孔灌注樁，樁徑一般為0.3 m～0.7 m，適用樁長30 m以內(nèi)，是一種結(jié)合了碎石樁和注漿技術(shù)的復(fù)合地基處理方法。

碎石注漿樁已多次成功應(yīng)用于高速公路新建或改建地段高壓線下深厚層軟土地基，以及橋頭地基和既有建筑物周邊的地基加固。取得了一定的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，施工工法和檢測方法也日趨成熟。其應(yīng)用情況見表1[4]。

表1 碎石注漿樁加固高壓線下深厚層

2 碎石注漿樁加固特點(diǎn)

碎石注漿法作為一種新型的軟基處理技術(shù)，充分發(fā)揮了碎石樁和注漿法這兩種注槳加固方法各自的優(yōu)點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾個方面[5]：

(1)適用范圍廣?？捎糜谏奥咽瘜?、黏土、粉土和粉細(xì)砂層及淤泥層；

(2)漿液滲透作用使得樁側(cè)摩阻力和樁端阻力均得到顯著提高；

(3)與振動沉管樁等剛性樁復(fù)合地基相比，具有不擠土、無噪音、無振動、注漿材料無污染等優(yōu)點(diǎn)；

(4)施工機(jī)具輕便，施工場地要求低。碎石注漿樁的施工設(shè)備多為機(jī)械高度小于8 m的普通工程鉆機(jī)，占地少，而加固深度可達(dá)30多米。故碎石注漿樁在周圍有重要建筑物的路段、高壓線附近工程等施工設(shè)備高度、場地受限、不允許振動擠土的軟基加固工程中具有顯著優(yōu)勢，而得到廣泛應(yīng)用；

(5)施工簡便，工程造價低，便于快速和大規(guī)模組織施工。與灌注樁的樁端、樁側(cè)后注漿工藝相比，碎石注漿樁簡化了施工工藝，降低了工程造價[5]。

2.1 深圳媽灣港工程概況

深圳媽灣港場地位于填海區(qū)，距海邊50 m。填海區(qū)于1990年4月開始填筑砂石，到現(xiàn)在已有18年的時間。根據(jù)媽灣港實(shí)際工程地質(zhì)概況，經(jīng)過一系列的計算分析和試驗(yàn)證明，采用碎石注漿樁技術(shù)既能夠達(dá)到加固地基的需要，又不會對原地基場地造成破壞。該方案施工設(shè)備靈活，工藝簡單，可隨時根據(jù)場地條件修改參數(shù)，加固效果可直接采用施工設(shè)備檢測，造價相對較低。另外媽灣港工程采取了大尺寸柔性淺基礎(chǔ)方案，由于基礎(chǔ)底板尺寸較大，可以考慮將基礎(chǔ)底板作為成樁時的承壓板來補(bǔ)強(qiáng)注漿。

媽灣港地質(zhì)土體主要為中粗砂，在一定的注漿壓力下，此類土體能得到顯著的固結(jié)和強(qiáng)化。在媽灣港特定的地質(zhì)背景和環(huán)境背景下,采用碎石注漿樁技術(shù)加固地基的綜合優(yōu)勢[4]體現(xiàn)在：① 施工機(jī)械高度滿足高壓線凈空要求；② 基礎(chǔ)底板可作為承壓板補(bǔ)強(qiáng)注漿；③ 樁體完整性較好，加固深度不受限制；④ 注漿后改善樁周土體性質(zhì)、地基承載力得到提高；⑤ 有一定經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

3 復(fù)合地基數(shù)值分析

本文應(yīng)用ANSYS有限元分析程序?qū)逗蜆堕g土作為整體來模擬現(xiàn)場荷載試驗(yàn)，確定復(fù)合地基承載力。

3.1 參數(shù)選取

碎石注漿樁一般不加鋼筋，直徑為40～60 cm。由于地基條件的復(fù)雜性,漿液擴(kuò)散半徑一般由現(xiàn)場試驗(yàn)確定。根據(jù)工程資料，砂土層中取1.5 ～3.0 m，黏土層取0.3 ～0.8 m。

媽灣港下部的拋石材料取自港口南部炮臺山爆破治理邊坡的巖石。巖石巖性主要為堅硬的中粒加里東期混合花崗巖，抗壓強(qiáng)度大于70 MPa，靜彈性模量為15000 MPa。因此填筑的拋石地基彈性模量為20～40 MPa ，容重25～27 kg/m3，黏聚力大于25 kPa，泊松比為0.13～0.3，摩擦角大于30°，介于35°～ 45°之間[6]。有限元分析的材料參數(shù)列于表2。

表2 材料系參數(shù)表

3.2 有限元模型

碎石注漿樁復(fù)合地基建模過程中考慮了平面模型與實(shí)體模型，經(jīng)過比較樁徑0.5 m、六排樁、考慮樁土接觸情況下平面模型與實(shí)體模型的計算結(jié)果，二者相差不大，故在分析時以平面模型為主。平面模型采用單元plane42，接觸單元target169與contact171，采用線—線接觸，邊界條件約束側(cè)向水平位移和底面的水平、豎向位移。模型尺寸上部土層厚10 m，下部拋填地層厚20 m，x軸方向?qū)?5 m以弱化邊界條件的影響。承壓板厚0.3 m，寬度因樁數(shù)和樁徑等取不同的值而有所變化。

圖1～圖5為上部加載200 kPa時地基土體以及碎石注漿樁復(fù)合地基的沉降云圖。圖1為地基土體沉降云圖，最大沉降0.294 m。

圖1 地基土體沉降云圖

圖2碎石注漿樁復(fù)合地基沉降云圖，樁徑0.9 m、十排樁、不考慮樁土接觸，最大沉降0.071 m。

圖2 復(fù)合地基沉降云圖

圖3與圖2的區(qū)別在于設(shè)置樁土接觸，最大沉降0.117 m。

圖3 復(fù)合地基沉降云圖

圖4 復(fù)合地基沉降云圖

圖4與圖2的樁徑不同，樁徑0.5 m，最大沉降0.075 m。圖5為復(fù)合地基立體模型圖及沉降云圖，樁徑0.5 m、六排樁、考慮樁土接觸。

圖1與圖2比較顯示碎石注漿樁能顯著減小地基沉降，起到加固地基的作用；圖2與圖3的比較表明，建模中考慮碎石注漿樁與土體之間接觸作用時，土體沉降較小，反之沉降較大。比較圖3與圖4，樁徑分別為0.9 m與0.5 m，樁徑較大的情況下沉降較小，加固效果較好。另外將平面模型與立體模型的沉降計算結(jié)果比較，差距不大。故下面的計算均以設(shè)置接觸樁徑0.5 m時的平面計算模型獲得。

圖5 復(fù)合地基立體模型圖及沉降云圖

3.3 地基承載力分析

本文采用有限元模擬靜載試驗(yàn)以得到p-s曲線。具體是在有限元計算完成后，取基底(承壓板)中心點(diǎn)的p-s曲線進(jìn)行分析，類似于對現(xiàn)場荷載試驗(yàn)得到的p-s曲線的分析。與現(xiàn)場試驗(yàn)不同，有限元模擬試驗(yàn)可以無限度加載[7]，不必事先估計復(fù)合地基的極限承載力以控制加載范圍與加載步驟，能夠更好的研究碎石注漿樁的受力機(jī)理，樁土應(yīng)力比的變化過程、樁端阻力以及樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮情況，樁體以及復(fù)合地基的破壞失穩(wěn)過程。以下為通過有限元模擬靜載試驗(yàn)得到的天然地基及碎石注漿樁復(fù)合地基承載力的計算結(jié)果。

3.3.1天然地基承載力

圖6為用有限元軟件模擬天然地基承載力靜載試驗(yàn)獲得的p-s曲線。

圖6顯示，土體的p-s曲線平緩沒有明顯的拐點(diǎn)，說明地基沉降比較穩(wěn)定，根據(jù)規(guī)范取沉降為s/b=0.02(B為承壓板的寬度)時的荷載作為地基容許承載力。由于承壓板寬度b=14 m，沉降s=b·0.02=0.28 m，對應(yīng)的荷載為187.8 kPa。即地基容許承載力為187.8 kPa，比設(shè)計取值160 kPa略大。

圖6 土體的p-s曲線

3.3.2樁數(shù)影響分析

圖7為建模過程中取不同樁數(shù)情況下，模擬碎石注漿樁復(fù)合地基承壓板實(shí)驗(yàn)獲取的p-s曲線。圖表顯示，模擬靜載實(shí)驗(yàn)的p-s曲線多為緩變型，沒有明顯的拐點(diǎn)。碎石注漿樁的樁頂沉降隨逐級加載而增大，且相同荷載條件下，樁數(shù)越大，沉降越大。

由于圖7的p-s曲線均沒有明顯的拐點(diǎn)。規(guī)范規(guī)定，當(dāng)壓力—沉降曲線是平緩的光滑曲線時，可按相對變形值確定。對水泥粉煤灰碎石樁或夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基，當(dāng)以卵石、圓礫、密實(shí)粗中砂為主的地基，可取s/b或s/d等于0.008所對應(yīng)的壓力；當(dāng)以黏性土、粉土為主的地基，可取s/b或s/d等于0.01所對應(yīng)的壓力[8]。碎石注漿樁的相對變形值，可參考水泥粉煤灰碎石樁或夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基取值s/b=0.008。

圖7 樁數(shù)的影響

表3列出了同一地基在樁數(shù)不同情況下計算的承載力特征值。

樁數(shù)不同的情況下，采用控制沉降變形的方法確定復(fù)合地基的承載力，結(jié)果顯示單樁時承載力147.5 kPa，小于地基土的承載力；而在七排樁時承載力292.5 kPa過大。

表3 碎石注漿樁復(fù)合地基承載力特征值

由于樁數(shù)較多時要考慮群樁效應(yīng)的影響，群樁的承載力不等于單樁承載力之和，群樁的沉降也明顯超過單樁。故在模擬承壓板實(shí)驗(yàn)時樁數(shù)以及承壓板的尺寸均對結(jié)果有較大的影響，建議樁數(shù)不超過5排為宜。另外可以考慮在樁數(shù)較多，而承壓板尺寸較大時對容許沉降量予以折減，以期得到復(fù)合地基承載力的實(shí)際值。樁數(shù)及承壓板面積取值可參看文獻(xiàn)[9]。

比較加固前后的地基承載力與沉降情況，加固后的復(fù)合地基沉降得到了很好的控制，地基承載力提高10%～30%不等。

3.3.3樁徑影響分析

圖8為在樁徑分別取0.5 m和0.9 m的情況下，有限元模擬靜載試驗(yàn)計算的兩組p-s曲線。

圖8 樁徑的影響

圖8顯示樁徑0.9 m的沉降小于樁徑0.5 m的沉降，說明在復(fù)合地基設(shè)計時，適當(dāng)?shù)募哟髽稄接欣诟纳频鼗庸绦Ч?/p>

3.3.4接觸影響分析

圖9 接觸設(shè)置的影響

圖9為考慮樁土接觸與不考慮樁土接觸得到的p-s曲線，以分析接觸設(shè)置的影響。

由于圖中樁土間無接觸的情況下沉降明顯小于設(shè)置接觸的情況，說明在設(shè)計或者沉降計算時應(yīng)適當(dāng)考慮樁土兩種不同材料之間的沉降差。

4 結(jié) 語

(1) 有限元模擬靜載試驗(yàn)得到的p-s曲線，在一定程度上能夠反映實(shí)際情況。證明采用有限元模擬靜載試驗(yàn)測定地基承載力的方案可行。

(2) 比較加固前后的沉降與地基承載力情況，加固后的復(fù)合地基沉降得到了很好的控制，地基承載力能提高10%～30%。

(3) 在模擬承壓板實(shí)驗(yàn)時樁數(shù)以及承壓板的尺寸均對結(jié)果有較大的影響，建議樁數(shù)不超過5排為宜。在樁數(shù)較多，承壓板尺寸較大時可對容許沉降量予以折減，以期得到復(fù)合地基承載力的實(shí)際值。適當(dāng)?shù)募哟髽稄接欣诟纳频鼗庸绦Ч?/p>

(4) 由于模擬試驗(yàn)復(fù)合地基材料、地質(zhì)條件、模擬的邊界條件等與實(shí)際試驗(yàn)情況存在差別，尤其是模擬試驗(yàn)將土體作為理想的彈塑性材料，沒有考慮空隙水壓力等因素，所以模擬試驗(yàn)測定的碎石注漿樁復(fù)合地基承載力與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果有差異，但能夠反映實(shí)際情況。

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