灘涂促淤對(duì)圍墾區(qū)內(nèi)超長樁影響的三維模型分析

衛(wèi)乾 ，陳吉森

(1.杭州市勘測設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310012; 2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024)

1 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國沿海地區(qū)灘涂圍墾工程不斷興起，墾區(qū)內(nèi)橋梁樁基礎(chǔ)位于深厚的軟弱土層中，促淤、堆填造地及橋梁附近的大型建筑物荷載等導(dǎo)致的樁周土體固結(jié)、沉降等將直接導(dǎo)致橋梁基礎(chǔ)的沉降和變位，上部結(jié)構(gòu)的受力狀況也將發(fā)生相應(yīng)的變化，若處理不當(dāng)將會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)整體安全［1］。因此，有必要對(duì)此類位于軟土地基上，并在使用過程中地質(zhì)環(huán)境發(fā)生變化的橋梁基礎(chǔ)的整體安全性進(jìn)行研究和論證，為設(shè)計(jì)提供科學(xué)可靠的依據(jù)［2］。

由于現(xiàn)場試驗(yàn)費(fèi)用高、耗時(shí)久，解析算法在考慮實(shí)際工程中復(fù)雜的工況和地層條件時(shí)又受到限制，而有限元法不僅能解決上述問題，還可以考慮土體非線性本構(gòu)關(guān)系及復(fù)雜的接觸條件和邊界條件，因此有限元法相對(duì)于上述方法更有利［3］。本文采用有限元軟件ABAQUS 對(duì)促淤環(huán)境作用下樁周土固結(jié)沉降和樁側(cè)摩阻力變化規(guī)律進(jìn)行建模并做了分析。

2 有限元計(jì)算模型

2.1 工程背景

以尚處在設(shè)計(jì)規(guī)劃階段的浙江沿海高速公路某跨海大橋?yàn)槔?，工程區(qū)為海岸灘涂，屬圍墾區(qū);表層為軟塑的亞粘土，厚度 1.5 m ～3.0 m。上部為軟土，厚度可達(dá)5 m ～33 m，主要為淤泥和淤泥質(zhì)粘土，性質(zhì)較差，中部主要為厚層的亞粘土和粘土，硬塑與軟塑交替出現(xiàn)，下部為硬塑的粘性土和礫石、卵石層?；A(chǔ)形式均為2×2 大直徑鉆孔灌注樁承臺(tái)基礎(chǔ)。

2.2 有限元模型建立

模型樁基視為線彈性體，樁徑為 2 m，樁心距n=6.8 m，跨徑m=30 m，樁長為88.6 m，樁頂無約束且出露地表 20 m。單樁樁頂設(shè)計(jì)荷載值Q=4 700 kN。樁基與淤泥質(zhì)粘土、粘土和亞粘土、圓礫和粉砂的摩擦系數(shù)分別設(shè)為0.1、0.3、0.5，計(jì)算參數(shù)見表1所示。土層和樁基均采用六面體八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元離散，土層計(jì)算范圍取水平表面長寬各200 m，深 100 m 進(jìn)行計(jì)算，在樁頂施加最大設(shè)計(jì)荷載4 700 kN 的壓力。網(wǎng)格模型的4 個(gè)土層側(cè)面邊界采用水平約束，底面邊界采用固定約束。根據(jù)工程區(qū)附近區(qū)域?yàn)┩棵孀兓O(jiān)測數(shù)據(jù)，計(jì)算模型促淤荷載假定為5年3.35 m，促淤土體密度為 1 720 kg/m3，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 有限元計(jì)算模型圖

2.2 有限元計(jì)算的基本假定

模型計(jì)算假設(shè)符合以下條件［4］:①孔隙水的流動(dòng)符合達(dá)西定律，即水、土為流固耦合體;②計(jì)算過程中采用比奧固結(jié)理論，水體不可壓縮;③土體的滲透系數(shù)隨土體孔隙比線性變化，考慮了土體滲透系數(shù)在不同方向的差異;④樁周土體完全飽和;⑤樁體及圓礫石層為線彈性本構(gòu)關(guān)系;土體本構(gòu)模型采用Mohr－Coulomb彈塑性模型;⑥樁土接觸面采用主從接觸面之間的“硬接觸”，不考慮樁土接觸面的滲流作用。

表1 樁、土參數(shù)

3 模型計(jì)算結(jié)果分析

3.1 沉降位移場分析

圖2為樁周土沉降分布情況，從圖上可以看出在促淤條件下，190 d 以前地表沉降量很小，在190 d 以后沉降量的增長變得明顯。土層沉降分布情況如下:5年后淤積厚度為 3.35 m 時(shí)，最終沉降量最大處為地表，為 21.6 cm，粘土層次之，其頂面最終沉降量為7.71 cm。而圓礫層受到的影響為最小，其頂面最終沉降量為0.76 cm。

圖2 基礎(chǔ)土層分層沉降－時(shí)間關(guān)系

樁周土固結(jié)沉降對(duì)基樁產(chǎn)生下拉荷載使得基樁發(fā)生沉降，促淤初期樁頂無明顯的位移，190 d 位移開始明顯增長，1 825 d 后樁頂最大位移為3.519 mm。

3.2 基礎(chǔ)孔隙水壓力情況分析

圖3反映的是不同深度孔壓隨著時(shí)間的變化曲線。從圖上可以看出孔壓隨著深度的增加而逐漸增大。因?yàn)橥杆嬖O(shè)在土體的頂面，土層距離透水面越近，該土層孔隙水滲透的速度越快，土層的孔壓增加值也越小。最大孔壓發(fā)生在②粘土層，1 825 d 后最終孔壓為31.34 kPa。在附加應(yīng)力的作用下，有效應(yīng)力和孔隙水壓力同時(shí)增加，兩者之和等于附加應(yīng)力值。

圖3 基礎(chǔ)不同深度超靜孔壓－時(shí)間關(guān)系

3.3 樁身側(cè)摩阻力情況分析

圖4為不同時(shí)間樁側(cè)摩阻力隨深度變化曲線。從圖中可以看出因樁周土體固結(jié)沉降在樁的上部產(chǎn)生下拉荷載(即負(fù)摩阻力)，并且隨固結(jié)過程增大，負(fù)摩阻力范圍和數(shù)值也隨之增大。同時(shí)樁身中性點(diǎn)位置也不斷向下移動(dòng)，如圖5所示。在1 825 d 以后，中性點(diǎn)位置在深度59 m 左右。樁側(cè)負(fù)摩阻力和正摩阻力最大值分別出現(xiàn)在 40.6 m 和 64.9 m 埋深處，達(dá)到了8.6 kPa 和6.8 kPa。荷載引起的最大樁側(cè)負(fù)摩阻力為1 400 kN 左右，最大樁側(cè)正摩阻力為 1 100 kN左右，表明中性點(diǎn)以下的土體提供的正摩阻力并不足以抵消中性點(diǎn)以上的負(fù)摩阻力，因此還需由樁端持力層提供一部分反力支持。降低了樁基的承載力。

圖4 樁身側(cè)摩阻力分布－時(shí)間關(guān)系

圖5 樁身中性點(diǎn)位置－時(shí)間關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)樁基穿過深厚軟弱淤泥層時(shí)，灘涂促淤圍墾工程將對(duì)樁基礎(chǔ)產(chǎn)生影響。促淤條件下單位樁側(cè)摩阻力變化值不大，但是大直徑超長樁與地基土接觸面積很大，計(jì)算工況中最大負(fù)摩阻力達(dá)到了1 400 kN 左右，雖然可由下部樁側(cè)正摩阻力和樁端反力抵消，但是降低了樁基的承載力，在實(shí)際工程中需考慮這方面的影響。

(2)由于促淤引起樁土之間的相對(duì)位移，導(dǎo)致出現(xiàn)中性點(diǎn)，中性點(diǎn)的位置隨著促淤時(shí)間的增長而逐漸下移，變化范圍在30 m ～60 m 之間，范圍較大。

(3)模型只模擬了促淤工況下對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)的影響，而實(shí)際上，圍墾工程后續(xù)的圍區(qū)造地堆填、基礎(chǔ)處理及周邊大型建筑物建設(shè)都將產(chǎn)生更大的附加荷載，勢必對(duì)橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生更大的影響。因而灘涂圍墾對(duì)樁土作用的影響不容忽視，另外模型并未包含上部橋梁結(jié)構(gòu)，因此只能作出受拉或受壓的狀態(tài)判斷，無法給出實(shí)際數(shù)值，值得進(jìn)一步研究。

［1］吳繼敏，魏繼紅，孫少銳．沿海圍墾區(qū)建筑荷載下鄰近超長樁三維模型［J］．工程地質(zhì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009(1) ．

［2］魏繼紅．大直徑灌注樁荷載傳遞機(jī)理及數(shù)值模擬研究［D］．河海大學(xué)，2008．

［3］聶如松，冷伍明．軟土地區(qū)橋臺(tái)樁基負(fù)摩阻力試驗(yàn)研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2005(6) : 642 ～645．

［4］陳福全，楊敏．地面堆載作用下鄰近樁基性狀的數(shù)值分析［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27(11) : 1286 ～1290．

［5］黃澤珍．軟土地基上大面積堆載下橋梁樁基負(fù)摩阻力分析［J］．公路交通技術(shù)，2004(3) :55 ～57．