長板-短樁法處理吹填土地基的沉降參數(shù)敏感性分析*

董必昌 張鵬飛* 田智睿 張明軒

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (中國市政工程中南設(shè)計研究院總院有限公司2) 武漢 430010)

0 引 言

為解決土地資源相對稀缺的問題，圍海造陸就成為人們的選擇之一.而吹填法因其經(jīng)濟性，成為在該領(lǐng)域廣泛運用的一種地基加固手段.目前，國內(nèi)外學(xué)者針對吹填土地基的加固及變形機理展開了一系列的研究，得出了一些有價值的成果.K.Been等[1]利用沉積柱試驗分析了粉質(zhì)黏土自重沉積固結(jié)特性.牛岑岑等[2]采用對天津區(qū)域吹填土進行室內(nèi)模擬試驗得出吹填土沉降的時效特征，指出孔隙水壓力和沉降量隨時間變化而基本同時趨于穩(wěn)定時，土體達到固結(jié)狀態(tài).余鵬程[3]通過有限元仿真的方法研究驗證了吹填土的固結(jié)蠕變特性，將蠕變變形劃分為瞬時變形、急劇變形、緩慢變形三個階段，得出吹填土蠕變特性受到干密度和法向應(yīng)力的影響.景衛(wèi)華等[4]通過有限元法分析了吹填土地基固結(jié)沉降隨時間的變化關(guān)系.劉松玉等[5]針對常規(guī)粉噴樁存在的問題，提出排水粉噴樁 2D 工法，該方法充分有效結(jié)合塑料排水板與粉噴樁的優(yōu)點.葉寶觀等[6-7]將該技術(shù)進行了進一步研究，提出長板-短樁工法，將新型地基分為復(fù)合層、固結(jié)層和未加固層，總結(jié)出了其加固機理，并提出了有效有限元計算模型.

以上研究都是側(cè)重于真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法處理吹填土深厚軟基的方面，對于表層吹填土經(jīng)過真空堆載預(yù)壓處理后，再使用塑料排水板-雙向攪拌粉噴樁聯(lián)合處理吹填土深厚軟基沉降特性的研究較少,對于該工況下吹填土地基沉降特性的參數(shù)敏感性研究也鮮見相關(guān)文獻報告.因此，本文以吹填土長板-短樁復(fù)合地基為例，運用有限元數(shù)值模擬的方式，通過控制樁長、樁間距、樁身彈性模量這幾個對地基影響較大的因素，研究其對吹填土沉降特性的影響，并得出了相關(guān)結(jié)論.

1 工程概況和計算模型

1.1 工程概況

選用溫州市域鐵路靈昆維修基站吹填土加固工程為案例，進行仿真模擬.該基站工程采用塑料排水板和塑料排水板聯(lián)合雙向攪拌粉噴樁兩種加固方式進行地基處理.其中有咋軌道行車段采用塑料排水板聯(lián)合雙向攪拌粉噴樁加固吹填土軟弱地基.靈昆維修基站加固平面見圖1.

圖1 靈昆維修基站加固平面示意圖

在有咋軌道段加固區(qū)間，塑料排水板-雙向攪拌粉噴樁復(fù)合地基其平面布置采用正方形，二者成兩行交錯布置，其中雙向攪拌粉噴樁長16 m，樁間距1 m；塑料排水板長30 m，板間距1 m，塑料排水板-雙向攪拌粉噴樁復(fù)合型地基見圖2.

圖2 塑料排水板-雙向攪拌粉噴樁組合型復(fù)合地基示意圖

1.2 幾何模型選取

對于長板-短樁聯(lián)合處理吹填土地基的固結(jié)沉降模擬，由于受試驗條件限制，故將其轉(zhuǎn)化成平面模型進行計算.本文采用對樁身強度和滲透系數(shù)進行折減的方法解決攪拌粉噴樁的平面轉(zhuǎn)化問題[8].基于謝康和教授[9]雙層地基一維固結(jié)理論將長板-短樁復(fù)合地基平面等效，考慮到所取斷面為對稱的，因此取地基橫斷面的一半進行模擬分析.由特征斷面LKGDK1+510取得模型數(shù)據(jù)，其中加固區(qū)域?qū)?0.25 m，影響區(qū)域?qū)?0 m，總寬度為50.25 m；土體模型的計算深度取70 m.塑料排水板和雙向攪拌粉噴樁成兩行交錯布置，其中雙向攪拌粉噴樁長16 m，樁間距1 m；塑料排水板長30 m，板間距1 m，土層分層和整體模型見圖3、圖4.

1.3 有限元模型建立

采用ABAQUS有限元仿真軟件來建立吹填土長板-短樁聯(lián)合堆載預(yù)壓模型[10-11].模型中按照

圖3 斷面LKGDK1+510地層分布簡圖

圖4 計算模型圖

實際工程對土性差異不大的土體進行合并，將土體分為4層，每層土體底部水平，每層土體厚度取平均值，不同土層之間豎向位移完全耦合.假定復(fù)合地基內(nèi)只發(fā)生一維豎向壓縮變形和豎向滲流，模擬過程中地下水位不隨時間發(fā)生變化.

土層原始參數(shù)、塑料排水板參數(shù)及雙向攪拌粉噴樁參數(shù)指標見表1～表3.

表1 土層原始參數(shù)

表2 塑料排水板參數(shù)

表3 雙向攪拌粉噴樁參數(shù)

對于復(fù)合地基中雙向攪拌粉噴樁樁體假定為線彈性材料，土體與上部堆載假定為理想彈塑性材料.對于屈服準則采用Mohr-Coulomb屈服準則，其他條件與Terzaghi一維固結(jié)理論相同.

對于邊界條件的選擇.

1) 移的邊界條件：左右邊界簡支滑動；垂直方向位移自由；下邊界固定位移約束；上邊界為自由邊界.

2) 滲流的邊界條件：左右邊界為不透水邊界；下邊界為不透水邊界；上邊界地面均設(shè)置水頭壓力p=0邊界.

網(wǎng)格單元采用ABAQUS內(nèi)置單元CPE8P，其適用于進行流固耦合的四節(jié)點平面應(yīng)變四邊形單元，可用于固結(jié)沉降分析.本模型共具有15 078個節(jié)點，15 438個單元，15 438個變量.在模型左方0～30 m深度處，因其屬于復(fù)合層和加固層，所以將網(wǎng)格劃分得較細，用以提高計算結(jié)果的精度；模型的右方和下臥層屬于影響區(qū)，其網(wǎng)格劃分密度可以適當(dāng)降低，對模擬結(jié)果影響較小，以便提高模型的計算速度.

在進行地基沉降分析前需對模型進行初始步地應(yīng)力平衡，使模擬土體達到和現(xiàn)狀幾何土體一樣的天然平衡狀態(tài)，圖5為土體在初始地應(yīng)力平衡后的各節(jié)點初始位移圖，其中最大值沉降為3.989×10-5m，對后面土體變形分析影響甚微，可以忽略不計，能夠較為準確的反映實際情況.

圖5 初始地應(yīng)力平衡位移云圖

2 沉降計算結(jié)果分析

地基沉降值是分析土體固結(jié)程度、地基承載力、加固效果的重要判別依據(jù)，尤其是斷面中心位置的地基沉降值更是作為土體變形的重要指標，能夠直觀反映出加固區(qū)域地基的加固效果.高速鐵路對地基工后沉降要求更加嚴格[12].圖6為吹填土地基經(jīng)過長板-短樁法處理后的斷面中心地基總沉降曲線.現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示地基最大沉降值為317 mm，最大沉降值位置處于道路中心處；有限元模擬數(shù)值計算結(jié)果表明地基最大沉降值為336 mm，最大沉降值位置同樣位于道路中心處.現(xiàn)場監(jiān)測和模擬仿真的沉降值誤差小于10%，且兩者的數(shù)值變化曲線總體趨勢一致.說明該有限元仿真模型設(shè)計合理，參數(shù)取值得當(dāng)，計算結(jié)果準確度高.

圖6 斷面中心地基沉降對比圖

3 參數(shù)敏感性分析

3.1 樁長影響分析

為研究吹填土長板-短樁復(fù)合地基在不同樁長下的沉降和側(cè)向位移變化，保證其他參數(shù)不變的條件下，分別取樁長為10,13和16 m，建立有限元模型，計算結(jié)果見表4.不同樁長情況沉降發(fā)展規(guī)律如圖7，圖8為堆載期末樁長10 m和樁長13 m的沉降云圖.

表4 不同樁長情況對長板-短樁復(fù)合地基沉降的影響

圖7 不同樁長沉降變化規(guī)律對比圖

圖8 復(fù)合地基沉降云圖

與樁長為16 m的吹填土復(fù)合地基沉降規(guī)律相比，三個工況的沉降基本規(guī)律是一致的，最大沉降發(fā)生在道路斷面中心處，總的沉降量和最大側(cè)向位移隨著樁長的縮短有一定幅度的提升.由此可見，在其他情況相同時，樁長的增加能在一定程度上減少地基總沉降；從沉降規(guī)律表還能看出，增加3 m樁長減少的沉降分別為79 mm和46 mm，隨著樁長的增加，沉降減少比例下降，當(dāng)樁長達到一定值后，此時減少的沉降梯度已十分微小；同時樁長增長對土體的側(cè)向位移限制效果也有一定的增加，但隨著樁長接近一定值時，效果也在不斷降低.由此可針對不同加固方式提出有效樁長的概念，加固設(shè)計時應(yīng)在有效樁長范圍內(nèi)，綜合考慮加固效果和經(jīng)濟價值，確定最優(yōu)樁長.

3.2 樁間距影響分析

為了研究不同樁間距對吹填土長板-短樁復(fù)合地基的沉降規(guī)律影響，在保證模型土體參數(shù)不變的條件下，對樁體參數(shù)進行折減，表5為根據(jù)參數(shù)折減后不同間距與樁長情況下等效后樁體的彈性模量和樁體滲透系數(shù), 然后按照不同樁間距(1，2，3 m)、不同樁長(10，13，16 m)分別建立有限元模型進行分析.模型中單一參數(shù)變化時，其他條件保持不變.

表5 不同處理方式等效樁體參數(shù)

不同處理方式計算的吹填土復(fù)合地基最大沉降和側(cè)向位移結(jié)果見表6，沉降發(fā)展規(guī)律見圖9.從表中可較為直觀的看出，隨著樁間距的增大，懸浮短樁在復(fù)合地基中對最大沉降和最大側(cè)向位移的抑制效果也隨之降低，以樁長13 m為例，樁間距1.5 m的沉降為樁間距1 m的1.23倍，樁間距2 m的沉降為樁間距1.5 m的沉降的1.44倍，隨著樁間距的增大，復(fù)合地基面積置換率成比例減小，地基沉降量也成階梯式增加.從表中還能看出，隨著樁間距增大，對土體的側(cè)向限制效果也降低，側(cè)向位移也隨之增大，土體側(cè)向位移增長后又加大了地基的豎向沉降.

表6 不同工況對長板-短樁復(fù)合地基沉降的影響

圖9 不同樁間距沉降變化規(guī)律對比圖(樁長10,16 m)

以樁長10 m的模型結(jié)果對不同樁距的沉降規(guī)律做詳細的分析，圖10為樁長10 m樁間距變化的沉降云圖.

圖10 復(fù)合地基沉降云圖

當(dāng)樁間距為1 m時，對于吹填土地基，復(fù)合層基本為整體式沉降，復(fù)合層壓縮沉降量較低，主要沉降來自于復(fù)合層下方的排水固結(jié)層，由圖10也能看出樁底區(qū)域沉降等值線密集，表明該層土體壓縮量高；當(dāng)樁間距為1.5 m和2 m時，即復(fù)合層樁體布置較為分散，該層復(fù)合模量變低，樁土壓縮量變高，復(fù)合層沉降量占總沉降量的比例提高，達到50%左右，這是由于下臥層為吹填土，并不能作為持力層，當(dāng)每根樁達到其單樁極限承載力時，此時復(fù)合層的沉降量不僅僅來自于土體和樁體的協(xié)調(diào)壓縮變形，還來自于樁體對下臥層的“刺入”效應(yīng)，此時的刺入量不能忽略，若進行沉降理論計算宜用樁身壓縮量法.

3.3 樁身彈性模量影響分析

為了研究不同樁體彈性模量取值對吹填土長板-短樁復(fù)合地基沉降的影響，在保證其他參數(shù)不變的條件下，分別取樁體彈性模量為50,150,250 MPa，對樁長16 m、樁間距1 m不同彈性模量的粉噴樁進行彈性模量參數(shù)折減.折減后樁體參數(shù)和計算結(jié)果見表7，不同樁長沉降發(fā)展規(guī)律見圖11，樁體不同彈性模量情況的沉降云圖見圖12.

表7 不同樁彈性模量對長板-短樁復(fù)合地基沉降的影響

圖11 不同樁彈性模量沉降發(fā)展規(guī)律對比

圖12 復(fù)合地基沉降云圖

由表7可知，隨著樁體彈性模量的增大，吹填土長板-短樁復(fù)合地基的最大沉降和側(cè)向位移明顯減小.其中樁體彈性模量由50 MPa增長至150 MPa再到250 MPa時，最大沉降差分別為70 mm和17 mm.由于樁體彈性模量增大后，復(fù)合地基的最大沉降明顯減小，使得復(fù)合地基的最大側(cè)向位移也減小.

綜合研究樁體彈性模量對吹填土長板-短樁復(fù)合地基沉降的影響，可以看出，樁體彈性模量的增大對復(fù)合地基的最大沉降有較為明顯的抑制作用，但這個效果會隨著樁體彈性模量的增大而不斷減弱，一味的通過增強樁體彈性模量來減小不可行，這就意味著在實際工程設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮工程經(jīng)濟效益與加固效果等多方面因素對樁體彈性模量進行取值.

4 結(jié) 論

1) 樁長的增加能有效地減少地基的總沉降，但樁長達到一定值后，減少的沉降梯度將十分微小，樁長增長對土體的側(cè)向位移限制效果也有一定的增加，但隨著樁長接近一定值時，效果也不斷降低.由此可針對不同加固方式提出有效樁長的概念，加固設(shè)計時應(yīng)在有效樁長范圍內(nèi)，綜合考慮加固效果和經(jīng)濟價值，確定最優(yōu)樁長.

2) 隨著樁間距的增大，長板-短樁復(fù)合地基面積置換率成比例減小，懸浮短樁在復(fù)合地基中抑制最大沉降和最大側(cè)向位移的效果也隨之降低，地基沉降量會成階梯式增加，由于土體的側(cè)向限制效果降低，側(cè)向位移也跟著增長，土體側(cè)向位移增長后又加大了地基的豎向沉降.

3) 對于深厚吹填土地基，當(dāng)復(fù)合層樁體布置較密時，復(fù)合層基本為整體式沉降，復(fù)合層壓縮沉降量較低，主要沉降來自于復(fù)合層下方的排水固結(jié)層，當(dāng)復(fù)合層樁體布置較為分散，復(fù)合地基面積置換率變低，樁土壓縮量變高，復(fù)合層沉降量占總沉降量的比例提高，由于下臥層為吹填土，并不能作為持力層，當(dāng)每根樁達到其單樁極限承載力時，此時復(fù)合層的沉降量不僅僅來自于土體和樁體的協(xié)調(diào)壓縮變形，還來自于樁體對下臥層的“刺入”效應(yīng)，此時的刺入量不能忽略，若進行沉降理論計算宜用樁身壓縮量法.

4) 樁體彈性模量的增大對長板-短樁復(fù)合地基的沉降有較為明顯的抑制作用，但這個效果會隨著樁體彈性模量的增大而不斷減弱，一味的通過增強樁體彈性模量來減小不可行，在實際工程設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮工程經(jīng)濟效益與加固效果等多方面因素對樁體彈性模量進行取值.