潮汐環(huán)境堆填速率對樁土作用性狀影響研究

陳昌杰 陳吉森

（水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012）

沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展迅速，海岸圍墾工程內(nèi)大型橋梁樁基工程日漸增多，而海岸附近的軟土地基深厚，多為淤泥或淤泥質(zhì)土，土體一般呈飽和或過飽和狀態(tài)。因此，海岸附近的地基處理工作十分必要，作為一種經(jīng)濟合理的地基處理方法，堆填預(yù)壓法已經(jīng)被廣泛采用。

堆填預(yù)壓過程中，不同的堆填速率引起的樁周土體的固結(jié)沉降及樁側(cè)摩阻力的變化不同。當樁身某一點以上樁周土體相對于樁身產(chǎn)生向下的位移時，即產(chǎn)生樁側(cè)負摩阻力，該點即稱為中性點。隨著負摩阻力的產(chǎn)生，將產(chǎn)生不利于工程穩(wěn)定的樁身下拉荷載，日本和墨西哥等地都有過類似的工程破壞實例。

海岸圍墾工程附近水位受潮汐環(huán)境影響通常有一定幅度的變化，引起樁基礎(chǔ)內(nèi)地下水位產(chǎn)生波動，從而對樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。同時，土體在固結(jié)過程中，隨著土體固結(jié)度的不斷增大，土體孔隙比逐漸減小，土體的滲透系數(shù)也隨之減小，從而使得土體固結(jié)速度減小。目前國內(nèi)針對海岸圍墾工程內(nèi)樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性的研究中［1］，大多忽略了潮汐環(huán)境的影響及滲透系數(shù)的動態(tài)變化，造成計算結(jié)果與工程實際產(chǎn)生了一定的偏差。因此，考慮潮汐環(huán)境影響及滲透系數(shù)動態(tài)變化，研究不同堆填速率下樁周土體固結(jié)過程及樁側(cè)摩阻力變化過程對指導(dǎo)海岸圍墾工程內(nèi)的大型橋梁樁基工程實踐具有重要意義。

基于比奧固結(jié)理論［2］，結(jié)合某沿海圍墾工程，建立了三維彈塑性有限元模型，采用三種堆填速率對潮汐環(huán)境下的堆填過程進行了模擬，研究堆填速率及潮汐環(huán)境對樁土作用性狀的影響，以選取經(jīng)濟合理的堆填速率。

1 有限元模型的建立

1.1 計算模型

某沿海高速公路通過區(qū)段為海岸灘涂，位于海邊海積平原，屬圍墾區(qū)，設(shè)計采用高架橋形式通過，基礎(chǔ)形式為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。上部為軟土，厚度約為30m，主要為淤泥和淤泥質(zhì)黏土，性質(zhì)較差，中部主要為厚層的亞黏土和黏土，硬塑與軟塑交替出現(xiàn)，下部為硬塑的黏性土和礫石、卵石層。由于橋梁基礎(chǔ)位于深厚的軟弱土層中，堆填導(dǎo)致的土體固結(jié)、沉降、變形、負摩阻力等問題將直接影響到樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。

采用有限元計算軟件ABAQUS［3］，根據(jù)施工設(shè)計階段所提供的橋梁樁基礎(chǔ)地質(zhì)資料，結(jié)合施工設(shè)計中樁基礎(chǔ)的相關(guān)尺寸建立了相應(yīng)的計算模型。如圖1所示：

圖1 有限元計算模型

在計算過程中，為了減小邊界條件對計算結(jié)果的影響，取堆填土表面中心點為坐標原點，X向及Y向土體邊界分別取X=±100m、Y=±100m，Z向土體邊界為0至100m；樁長為88.6m，其中樁身入土長度為73.1m，樁徑為2m。X=±100m處邊界設(shè)定x向位移約束，Y=±100m處邊界設(shè)定y向位移約束，Z向土體100m處邊界，設(shè)為位移全約束。平潮時地下水位位于Z=4.5m處，單向固結(jié)，Z=0平面、Z=4.5m平面為透水邊界。如圖2所示：

圖2 樁基礎(chǔ)Z=0剖面圖及土體分層情況

樁及圓礫采用線彈性本構(gòu)模型，堆填土、淤泥質(zhì)黏土、亞黏土采用彈塑性本構(gòu)模型，采用摩爾-庫侖塑性破壞準則；樁土接觸面單元設(shè)置為無厚度的Goodman單元［4］，接觸面法線方向上為硬接觸，并應(yīng)用拉格朗日插值函數(shù)在各接觸面節(jié)點上進行數(shù)值計算。

堆填面積模擬為200×200m2，沿樁軸線軸對稱堆填，樁頂荷載在堆填開始時施加2350kN，為考慮堆填完成后，樁基礎(chǔ)上部路基荷載及交通荷載的影響，樁頂荷載在堆填完成后100天再次施加2350kN，以達到樁頂設(shè)計最大荷載4700kN。三種速率下的堆填加載過程如圖3所示。

圖3 堆填加載過程

研究過程中，為考慮了海岸附近潮汐環(huán)境的影響，對潮水位變化進行了模擬，一天內(nèi)為兩個周期；如圖4所示：

1.2 計算參數(shù)：

根據(jù)施工設(shè)計階段所提供地質(zhì)資料，選定計算參數(shù)如表 1、表 2［5-6］：

2 計算結(jié)果與分析

2.1 堆填土表面中心點沉降及土體固結(jié)度

①堆填過程中，地表沉降量不斷增大，第一種堆填速率下，地表沉降量最大，第三種堆填速率下，地表沉降量最小；堆填完成時，地表中心點沉降量依次為：9.29cm、4.85cm、3.42cm；三種堆填速率下土體固結(jié)度依次為：0.15、0.13、0.06；如圖5所示：

表1 土與樁的計算參數(shù)

表2 滲透系數(shù)與孔隙比關(guān)系

圖4 潮汐水位與時間關(guān)系

圖5 堆填過程中地表中心點沉降量與時間關(guān)系

②堆填完成后，地表沉降量繼續(xù)增大。第一種堆填速率下，地表沉降量最大，第三種堆填速率下，地表沉降量最?。欢烟钔瓿?000天后，樁周土體固結(jié)度已超過0.90，固結(jié)基本完成；如圖6、圖7所示：

圖6 堆填完成后地表中心點沉降量與時間關(guān)系

圖7 堆填完成后土體固結(jié)度與時間關(guān)系

③堆填完成后2000天，樁周土體固結(jié)基本完成，堆填速率對樁周土體地表沉降的影響減弱，地表沉降量受到潮汐環(huán)境的影響而產(chǎn)生波動，三種堆填速率下地表中心點沉降量變幅依次為5.2cm、3.0cm、2.6cm；最大沉降量依次為：65.39cm、63.59cm、62.44cm；如圖8所示：

圖8 堆填完成2000天后地表中心點沉降量與時間關(guān)系

2.2 樁側(cè)摩阻力及樁身下拉荷載

①堆填開始3天后出現(xiàn)樁側(cè)負摩阻力，此后，中性點位置下移，樁側(cè)負摩阻力增大，樁身下拉荷載增加。堆填過程中，堆填速率對樁側(cè)摩阻力分布影響不大。相對而言，第一種堆填速率下，中性點位置最淺，樁側(cè)負摩阻力最小，樁身下拉荷載最??；第三種堆填速率下，中性點位置最深，樁側(cè)負摩阻力最大，樁身下拉荷載最大；三種堆填速率下中性點深度依次為27.88m、28.07m、28.31m；三種堆填速率下下拉荷載最大值依次為：574.3kN、580.7kN、587.2kN；如圖9所示：

圖9 堆填完成時樁側(cè)摩阻力與深度關(guān)系

②堆填完成后，樁側(cè)負摩阻力不斷增大，中性點位置繼續(xù)下移。第一種堆填速率下，中性點位置最深，樁側(cè)負摩阻力最大，樁身下拉荷載最大；第三種堆填速率，中性點位置最淺，樁側(cè)負摩阻力最小，樁身下拉荷載最??；堆填完成后2000天，三種堆填速率下中性點深度依次為68.02m、68.02m、68.03m；三種堆填速率下下拉荷載最大值依次為：7417kN、6956kN、6293kN；如圖10、圖11、圖12所示：

圖10 堆填完成后第一中性點深度與時間關(guān)系

圖11 堆填完成2000天樁側(cè)摩阻力隨深度變化曲線

圖12 堆填完成2000天下拉荷載隨深度變化曲線

③堆填完成2000天后，隨著土體固結(jié)的基本完成，堆填速率對樁側(cè)摩阻力變化的影響減弱。受潮汐環(huán)境影響，伴隨著地下水位的升降，部分時段樁側(cè)摩阻力將出現(xiàn)雙中性點的情況。樁側(cè)摩阻力第一中性點位置穩(wěn)定在地表以下約69m處，第二中性點位置約為地表以下27m，下拉荷載有所減小，樁基礎(chǔ)的安全穩(wěn)定性有所提高。如圖13、圖14所示：

圖13 堆填完成8000天樁側(cè)摩阻力隨深度變化曲線

圖14 堆填完成8000天下拉荷載隨深度變化曲線

4 結(jié)論及展望

潮汐環(huán)境下堆填速率對樁周土體固結(jié)過程及樁側(cè)摩阻力分布有一定影響：

①堆填過程中，采用第一種堆填速率，土體固結(jié)度最大，堆填完成后，堆填速率對土體固結(jié)度影響不大。

②堆填過程中，堆填速率對樁側(cè)摩阻力分布影響不大，堆填完成后，采用第三種堆填速率，樁身下拉荷載最小。

③堆填完成2000天后，土體固結(jié)基本完成，堆填速率的影響減弱，樁身下拉荷載不再增加，潮汐環(huán)境下，樁側(cè)摩阻力存在雙中性點，一定程度上提高了樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性。

考慮到工程施工及運營過程中的樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，選取第三種堆填速率比較有利。而工程施工及運營過程中的土體固結(jié)、地表沉降、樁身下拉荷載變化及中性點位置下移等屬于十分漫長的過程，應(yīng)在工程施工及運營過程中注意監(jiān)測。

沿海圍墾工程施工過程中不同程度上會受到潮汐環(huán)境的制約，因此，潮汐環(huán)境下對沿海圍墾工程施工工序及施工流程的選取比較重要。堆填加載過程中，根據(jù)潮汐水位的變化來選取合理的堆填開始、結(jié)束的時間及停工期的時間段將會從一定程度上增加樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。因此，針對潮汐環(huán)境下的不同施工工序及施工流程的進一步研究對指導(dǎo)工程實踐具有重要意義。

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