深厚軟土上新建大堤對(duì)高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響分析

劉術(shù)儉，唐慧燕，顧寬海，張逸帆

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

引 言

高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)是由承臺(tái)、樁基組合而成，且承臺(tái)底面高于地面的一種結(jié)構(gòu)型式。在深厚軟土地基工程中，往往因地基土工程性質(zhì)差，堆載使土體發(fā)生較大的側(cè)向位移，從而對(duì)鄰近構(gòu)筑物的樁基產(chǎn)生較大影響，主要包括兩方面：一方面在樁上發(fā)生負(fù)摩擦阻力，這增加了樁的豎向荷載并導(dǎo)致不均勻的沉降；另一方面，造成樁基產(chǎn)生較大的位移和彎矩，使上部結(jié)構(gòu)功能失效甚至塌陷[1-3]。

對(duì)于這類問(wèn)題，大多采用數(shù)值計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，并己取得了不少研究成果，謝家畢[4]等人運(yùn)用有限元法計(jì)算了樁基在大面積堆載情況下的地基沉降及樁身的變形情況，得出在軟土地區(qū)堆載會(huì)致使地基下沉及樁身變形，引起建筑物傾斜的結(jié)論；陳星星[5]運(yùn)用Geostudio軟件進(jìn)行分析，認(rèn)為大面積堆載作用下致使樁身變形，作用在臨近樁基上的水平荷載增大，對(duì)臨近樁基安全有著重要影響；王劍文[2]認(rèn)為樁側(cè)軟基沉降的大小對(duì)樁基位移有直接影響，樁身彎矩與堆載大小、樁長(zhǎng)等因素關(guān)系較大。但是目前學(xué)者的研究主要集中在既有地基上水平荷載及上部堆載對(duì)樁基變形的影響，有關(guān)新建大堤前構(gòu)筑物在土體不同固結(jié)度工況下的變形和內(nèi)力變化情況以及不同本構(gòu)模型、彈性模量、樁基斜度等對(duì)結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力的影響研究還較少。因此，其進(jìn)一步的深入研究，對(duì)確保結(jié)構(gòu)的使用安全具有十分重要的意義。

本文以澳門某堆填區(qū)項(xiàng)目為依托，基于深厚軟土層，以新建大堤根部高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)為對(duì)象，運(yùn)用三維有限元軟件PLAXIS 3D分析新建大堤及后方堆載對(duì)高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力的影響，并在此基礎(chǔ)上，研究不同土體本構(gòu)模型、彈性模量及樁基斜度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，其結(jié)果可為今后類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況與場(chǎng)地條件

澳門某堆填區(qū)鄰近澳門國(guó)際機(jī)場(chǎng)，每年接收超過(guò)250萬(wàn)m3海泥，海泥屬于可利用資源，可考慮為未來(lái)周邊工程進(jìn)行陸域回填。海泥拋填坑寬約120 m，長(zhǎng)約280 m，一長(zhǎng)邊緊鄰后方廢料堆載區(qū)，其它三面是新建圍堤，圍堤總長(zhǎng)640 m。為配合海泥的再利用，圍堤外擬建裝船機(jī)墩臺(tái)3座，采用高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)，承臺(tái)下設(shè)置6根鋼管樁，堤側(cè)樁基斜度為5：1，海測(cè)樁基斜度為4：1。坑內(nèi)海泥堆高約6.1 m，使用期由帶式輸送裝船機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行裝卸、運(yùn)出至駁船。

工程設(shè)計(jì)高水位為1.22 m，設(shè)計(jì)低水位為-1.08 m（以當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵鏋榛鶞?zhǔn)，下同），施工水位為0.07 m。擬建場(chǎng)地土層自上而下主要分布為Ⅰ2雜色素填土、Ⅱ1灰色淤泥、Ⅲ1-1灰黃～灰白色粉質(zhì)黏土、Ⅲ2灰白～灰黃色中粗砂，根據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告，土體物理力學(xué)參數(shù)取值及其他主要材料參數(shù)取值如表1所示。

圖1 海泥拋填坑平面

圖2 海泥坑及后方堆載典型斷面

表1 地基土體及其他材料物理力學(xué)參數(shù)

2 計(jì)算模型的建立

2.1 模型邊界條件

為考慮海泥坑拋填及后方大面積堆載對(duì)新建大堤根部高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響，計(jì)算模型范圍取600 m×80 m，底高程取-50 m。四周邊界水平向?yàn)槲灰葡拗颠吔?，豎向?yàn)樽杂梢苿?dòng)邊界，底部為全約束邊界。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

土體采用正常固結(jié)的HS模型，該模型可以考慮剪切硬化和壓縮硬化，并采用摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則。當(dāng)采用HS模型時(shí)，需要土體的割線模量E50、切線模量Eoed和卸載模量Eur以及土體的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。但在實(shí)際工程中，地質(zhì)勘查報(bào)告往往只提供壓縮模量Es、快剪指標(biāo)以及固結(jié)快剪指標(biāo)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法[6]，按照土體的種類，通過(guò)壓縮模量Es換算得到土體剛度參數(shù)。

當(dāng)軟土和淤泥壓縮模量Es=2～4 MP時(shí)，Es：Eoed：E50：Eur=1：1：1.5：8；

當(dāng)粘土和粉質(zhì)粘土壓縮模量Es=4～8 MP時(shí)，Es：Eoed：E50：Eur=1：1：1：3；

當(dāng)砂土壓縮模量Es＞8 MP時(shí)，Es：Eoed：E50：Eur=1：1：1：3。

土體固結(jié)快剪指標(biāo)值通常小于土體的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)值，采用固結(jié)快剪指標(biāo)值代替有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)值計(jì)算結(jié)果偏于保守，認(rèn)為是合適的。為使模型更容易計(jì)算，中粗砂、拋石材料的有效粘聚力為1 kPa[7]，具體參數(shù)取值詳見(jiàn)表1。

承臺(tái)采用板單元進(jìn)行模擬，樁基采用嵌入式梁?jiǎn)卧M，具體參數(shù)可見(jiàn)表2、3。

表2 板單元參數(shù)

表3 梁?jiǎn)卧獏?shù)

2.3 工況模擬

根據(jù)土體固結(jié)度不同，將計(jì)算模型分為三種工況，每種工況均將施工過(guò)程劃分為若干荷載步進(jìn)行模擬，三維模型示意如圖3。具體工況如下：

1）大堤完全未固結(jié)時(shí)打樁，計(jì)算流程為：

生成初始應(yīng)力→碎石樁加固地基→建立高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)→分三層激活新建大堤→淤泥拋填→后方廢料回填。

2）大堤固結(jié)度為80%時(shí)打樁，計(jì)算流程為：

生成初始應(yīng)力→碎石樁加固地基→激活兩層新建大堤→建立高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)→激活新建大堤第三層→淤泥拋填→后方廢料回填。

3）大堤完全固結(jié)時(shí)打樁，計(jì)算流程為：

生成初始應(yīng)力→碎石樁加固地基→分三層激活新建大堤→建立高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)→淤泥拋填→后方廢料回填。

圖3 三維模型示意

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 模型驗(yàn)證

在本工程后方有一條已建的北大堤，其斷面型式、后方使用要求、地質(zhì)條件等與本工程相似。北大堤堤身長(zhǎng)期變形監(jiān)測(cè)成果顯示，大堤前方堤腳處的水平位移為0.3 m。運(yùn)用本模型模擬北大堤及后方堆載情況，計(jì)算結(jié)果為0.28 m，與實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近，證明本模型是合理的。

3.2 樁基結(jié)果分析

本次研究的高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)下設(shè)6根鋼管樁，針對(duì)主體結(jié)構(gòu)不變而土體固結(jié)度發(fā)生變化條件下，擬提取堤側(cè)中間部位樁進(jìn)行針對(duì)性研究，不同工況下樁基變形和內(nèi)力的分布結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 不同工況下樁基水平位移

圖5 不同工況下樁基彎矩分布

可見(jiàn)，單樁最大彎矩和位移發(fā)生在灰色淤泥層中，且隨著土體固結(jié)度的提高，樁基最大水平位移及變形程度逐漸減小，最大彎矩及變化程度也逐漸減小。

在土體完全未固結(jié)狀態(tài)下打樁，樁頂位移即承臺(tái)位移超過(guò)30 mm，不滿足工程使用要求，且樁基變形及樁身彎矩過(guò)大，樁身結(jié)構(gòu)易破壞。土體固結(jié)一段時(shí)間后打樁，承臺(tái)水平位移急劇減小，結(jié)構(gòu)趨于安全，當(dāng)土體固結(jié)度達(dá)80%時(shí)打樁，承臺(tái)變形位移能滿足工程使用要求，樁基結(jié)構(gòu)較為安全可靠。

4 影響因素分析

軟弱地基沉降的大小對(duì)樁基變形有直接影響，樁身彎矩與堆載大小、位置、樁長(zhǎng)、彈性模量、凈空高度、軟土層厚度和樁頂荷載等因素都密切相關(guān)。本節(jié)重點(diǎn)研究固結(jié)度達(dá)80%時(shí)，堤側(cè)中間部位樁的變形和內(nèi)力變化，分析本構(gòu)模型、彈性模量及樁基斜度對(duì)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響。由于承臺(tái)與樁基固接，認(rèn)為樁頂位移即承臺(tái)位移。

4.1 本構(gòu)模型的影響

土體本構(gòu)模型選取摩爾庫(kù)倫（MC）模型，主要材料物理力學(xué)參數(shù)參照上述HS模型，其他條件不變，兩種本構(gòu)模型的結(jié)果對(duì)比如表4所示。由表可知，相比于HS模型，MC模型中土體及樁基的位移變形大幅減小。這是由于MC模型不能很好地處理土體卸載特性引起的，很大程度上不能模擬現(xiàn)實(shí)土體的變形情況。同時(shí)，MC模型中樁基變形和內(nèi)力的結(jié)果也明顯偏小，結(jié)構(gòu)偏于危險(xiǎn)。因此，設(shè)計(jì)選用HS模型更為合理。

表4 不同本構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果

4.2 彈性模量的影響

在主體結(jié)構(gòu)及土體其他參數(shù)不變的條件下，改變土體彈性模量計(jì)算樁基變形及內(nèi)力，結(jié)果如圖6、7所示。由圖可知，樁基最大水平位移隨著土體彈性模量的增大而減小，相對(duì)而言，樁頂位移變化不大；樁基最大彎矩隨著土體彈性模量的增大而減小。彈性模量對(duì)樁基的水平位移及彎矩影響較大，而對(duì)承臺(tái)水平位移影響相對(duì)較小。

圖6 不同彈模下樁基水平位移

圖7 不同彈模下樁基彎矩分布

4.3 樁基斜度的影響

在土體參數(shù)及其他條件不變的情況下，僅改變主體結(jié)構(gòu)的樁基斜度，計(jì)算樁基的變形及內(nèi)力結(jié)果如圖8、9所示。由圖可知，在深厚軟土地基上，樁基斜率對(duì)承臺(tái)水平位移影響較大。當(dāng)采用直樁時(shí)，樁頂位移過(guò)大，易導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，不能滿足結(jié)構(gòu)使用要求。因此，為保證上部結(jié)構(gòu)的安全可靠，在樁身剛度足夠大的情況下，須多方案分析驗(yàn)算，方可最終確定經(jīng)濟(jì)、合理的設(shè)計(jì)斜度。

圖8 不同斜度下樁基水平位移

圖9 不同斜度下樁基彎矩分布

5 結(jié) 語(yǔ)

1）深層軟土地基上新建大堤，土體完全未固結(jié)或固結(jié)度較低時(shí)，在堤根部打樁施工結(jié)構(gòu)難以滿足結(jié)構(gòu)安全和使用要求，若要滿足其相關(guān)要求，需待大堤建好后過(guò)一段時(shí)間再進(jìn)行施工打樁，以確保結(jié)構(gòu)安全可靠。

2）相比于MC模型，HS模型能更大程度上模擬現(xiàn)實(shí)土體的變形情況，結(jié)果更為安全可靠；土體彈性模量對(duì)樁基的最大水平位移及彎矩影響較大，對(duì)承臺(tái)水平位移影響相對(duì)較小。

3）在深厚軟土地基上新建大堤，其根部打設(shè)高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)，樁基斜度對(duì)承臺(tái)水平位移影響較大，直樁難以滿足結(jié)構(gòu)使用要求。為保證上部結(jié)構(gòu)的安全可靠，在樁身剛度足夠大的情況下，宜采用斜樁。