灌注樁參數(shù)變化對(duì)邊載荷影響研究

（國家投資項(xiàng)目評(píng)審中心 北京 100037 中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 230601）

擋土墻后高填土引發(fā)的邊載荷可能導(dǎo)致沉降或不均勻沉降等問題，直接影響水工建筑物安全運(yùn)行[1-3]。在工程設(shè)計(jì)施工中采取相應(yīng)措施減小邊荷載的影響顯得十分必要。擋土墻下設(shè)置灌注樁能有效減弱邊載荷影響，此結(jié)構(gòu)以樁體作為擋土墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，一般稱作樁基礎(chǔ)擋土墻，解決了傳統(tǒng)擋土墻必須依靠增大基礎(chǔ)尺寸來提供抗傾覆反力、抗滑移反力和地基承載力不足的問題[4,5]。本文結(jié)合耿樓樞紐工程，采用模型數(shù)值模擬方法對(duì)岸墻后趾下灌注樁樁長、樁間距、樁徑、樁排數(shù)等參數(shù)變化對(duì)邊載荷影響進(jìn)行研究。

1 工程概況

耿樓樞紐由節(jié)制閘和船閘組成，節(jié)制閘布置在船閘南側(cè)。節(jié)制閘為II 等大（2）型工程，20年一遇設(shè)計(jì)流量3910m3/s，50年一遇校核流量4770m3/s。閘室總寬110.06m，共12 孔，單孔凈寬7.5m，順?biāo)鞣较蜷L24m。閘室兩側(cè)分別布置橋頭堡，橋頭堡內(nèi)布置電氣設(shè)備及水閘集中控制系統(tǒng)。工作閘門采用平面鋼閘門，啟閉機(jī)選用卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。

2 模型概況

結(jié)合耿樓樞紐節(jié)制閘工程實(shí)際，本研究在利用MIDAS GTS NX 模型模擬計(jì)算時(shí)，選用的本構(gòu)模型有線彈性模型（閘室、岸墻、翼墻、墊層和灌注樁）、莫爾-庫倫模型（粉質(zhì)壤土、砂壤土、粉質(zhì)粘土和細(xì)砂）和修正莫爾-庫倫模型（回填水泥土）。由于混凝土與土體彈性模量差別較大，為模擬不同材質(zhì)在同等應(yīng)力作用下的變形，本研究采用無厚度接觸面單元（Goodman 單元）。

2.1 模型簡化說明

為提高模型計(jì)算效率，并盡可能保證結(jié)果準(zhǔn)確，本研究對(duì)節(jié)制閘岸墻、翼墻有限元計(jì)算模型采取以下簡化假設(shè)：

（1）分析節(jié)制閘岸墻后趾下灌注樁對(duì)高填土邊載荷影響時(shí)，將閘室和岸墻作為研究對(duì)象。

（2）建模過程中，未考慮地下水及其滲流影響，不考慮土體的排水與固結(jié)，不考慮時(shí)空效應(yīng)；施工階段設(shè)置到完建期，未考慮運(yùn)行期水壓力的影響。

（3）為了簡化計(jì)算，模型中各種材料均是均質(zhì)各向同性；灌注樁采用梁單元模擬。

（4）三維整體基本模型中的土層假定為成層土，忽略各土層的起伏變化。

（5）考慮到節(jié)制閘左、右岸對(duì)稱性，因此僅對(duì)節(jié)制閘左岸進(jìn)行三維整體建模。

2.2 模型構(gòu)建

模型總長400m，約為建筑物長度的4 倍；模型總寬300m，約為建筑物寬度的3 倍；深度方向取60m?；炷凉嘧兑?.5m 進(jìn)行尺寸控制并劃分網(wǎng)格；閘室，岸墻，上、下游翼墻及回填水泥土以3m進(jìn)行尺寸控制并劃分網(wǎng)格；地基土層以5m 進(jìn)行尺寸控制并劃分網(wǎng)格（最下層土體按10m 控制尺寸并劃分網(wǎng)格）。模型整體及岸墻、翼墻和灌注樁的網(wǎng)格劃分分別如圖1和圖2所示。

圖1 整體網(wǎng)格劃分圖

圖2 岸墻、翼墻和灌注樁網(wǎng)格劃分圖

2.3 載荷條件

模型荷載條件：（1）自重荷載。模型參考坐標(biāo)系定位整體直角坐標(biāo)系，Gz軸重力分量定義為-1，Gx和Gy軸方向重力分量定義為0；（2）外部荷載。閘室及岸墻上部施加道路荷載，設(shè)置均布荷載為12kN/m2。

3 結(jié)果分析

3.1 樁長對(duì)邊載荷減弱效果的影響

在分析樁長對(duì)岸墻穩(wěn)定性的影響時(shí)，建立了以樁長為唯一變量的5 個(gè)模型，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。通過5 個(gè)模型模擬結(jié)果的比較，分析樁長對(duì)岸墻豎向位移和水平位移的影響。

表1 樁長因素分析組灌注樁參數(shù)表

不同樁長對(duì)岸墻豎向位移和水平位移的影響如表2所示。在灌注樁樁徑、樁間距、樁排數(shù)等參數(shù)相同條件下，樁長增加，最大沉降量、前后趾沉降差及墻頂水平位移逐漸減小，但減小幅度逐漸減少。因此在滿足工程規(guī)范、施工質(zhì)量條件下，適當(dāng)增加灌注樁樁長有利于減弱邊載荷的影響。

表2 不同樁長對(duì)岸墻豎向位移和水平位移的影響表

3.2 樁間距對(duì)邊載荷減弱效果的影響

在分析樁間距對(duì)岸墻穩(wěn)定性的影響時(shí)，建立了以樁間距為唯一變量的4 個(gè)模型，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。通過4 個(gè)模型模擬結(jié)果的比較，分析樁間距對(duì)岸墻豎向位移和水平位移的影響。

表3 樁間距因素分析組灌注樁參數(shù)表

不同樁間距對(duì)岸墻豎向位移和水平位移的影響如表4所示。在灌注樁樁長、樁徑、樁排數(shù)等參數(shù)相同條件下，樁間距增加，最大沉降量、前后趾沉降差及墻頂水平位移逐漸減小。在灌注樁其他參數(shù)不變的情況下，樁間距越大，灌注樁抑制邊載影響的效果越好。這是由于當(dāng)灌注樁的間距過小時(shí)，群樁效應(yīng)加劇。耿樓樞紐節(jié)制閘坐落在軟土地基上，灌注樁的承載性狀表現(xiàn)為摩擦型樁，適當(dāng)增大樁間距減小群樁效應(yīng)，有利于減小邊載荷影響。

表4 不同樁間距對(duì)岸墻豎向位移和水平位移的影響表

3.3 樁徑對(duì)邊載荷減弱效果的影響

在分析樁徑對(duì)岸墻穩(wěn)定性的影響時(shí)，建立了以樁徑為唯一變量的5 個(gè)模型，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表5所示。通過5 個(gè)模型模擬結(jié)果的比較，分析樁徑對(duì)岸墻豎向位移和水平位移的影響。

表5 樁徑因素分析組灌注樁參數(shù)表

不同樁徑對(duì)岸墻豎向位移和水平位移的影響如表6所示。在灌注樁的樁長、樁間距、樁排數(shù)等參數(shù)相同情況下，樁徑增大，最大沉降量、前后趾沉降差及墻頂水平位移逐漸減小，但減少幅度較小?？梢姌稄酱笮?duì)岸墻的沉降、不均勻沉降和水平位移影響效果并不明顯。因此，在工程實(shí)踐中應(yīng)選用合適樁徑以節(jié)約工程造價(jià)。

表6 不同樁徑對(duì)岸墻豎向位移和水平位移的影響表

3.4 樁排數(shù)對(duì)邊載荷減弱效果的影響

在分析樁排數(shù)對(duì)岸墻穩(wěn)定性的影響時(shí)，建立了以樁排數(shù)為唯一變量的4 個(gè)模型，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表7所示。通過4 個(gè)模型模擬結(jié)果的比較，分析樁排數(shù)對(duì)岸墻豎向位移和水平位移的影響。

表7 樁排數(shù)因素分析組灌注樁參數(shù)表

不同樁排數(shù)對(duì)岸墻豎向位移和水平位移的影響如表8所示。在灌注樁的樁長、樁徑、樁間距等參數(shù)相同情況下，增加樁排數(shù)，最大沉降量、前后趾沉降差及墻頂水平位移逐漸減少，且變化幅度較大。樁排數(shù)由1 排增大到2 排時(shí)變化最顯著，隨著樁排數(shù)繼續(xù)增加，邊載荷影響隨之減小，但減小幅度逐漸變小。因此，在工程實(shí)踐中建議布置為單排樁或雙排樁以減小高填土的邊載荷影響。

表8 不同樁排數(shù)對(duì)岸墻豎向位移和水平位移的影響表

4 結(jié)語

本文結(jié)合耿樓樞紐工程，借助模型數(shù)值模擬方法對(duì)岸墻后趾下灌注樁樁長、樁間距、樁徑、樁排數(shù)等參數(shù)變化對(duì)邊載荷影響進(jìn)行研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）其他參數(shù)條件不變情況下，增加灌注樁樁長和樁排數(shù)有利于減小岸墻后高填土引發(fā)的邊載荷影響。

（2）其他參數(shù)不變的情況下，樁間距越大，灌注樁抑制邊載影響的效果越好。適當(dāng)增大樁間距減小群樁效應(yīng)，有利于減小岸墻后高填土引發(fā)的邊載荷影響。

（3）其他參數(shù)不變的情況下，增大樁徑對(duì)減小岸墻后高填土引發(fā)的邊載荷影響不明顯。因此，在工程實(shí)踐中應(yīng)選用合適樁徑以節(jié)約工程造價(jià)。