加筋高填方區(qū)碼頭樁基應(yīng)力影響因素分析*

左良棟，周世良，泉 金

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)，重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016)

隨著長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略的深入實(shí)施，流域各省市的水運(yùn)經(jīng)濟(jì)得到快速發(fā)展，港口、航道等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐加快[1]。在山區(qū)河流上建設(shè)碼頭，陸域空間狹小是個(gè)突出問題[2]。為破解這個(gè)難題，大都通過回填造陸的方式來獲得一定的堆場面積，并在高填方區(qū)沉降控制方面采取加筋土的方式進(jìn)行處理。在頂部堆載等因素的影響下，堆場填方土體會(huì)發(fā)生沉降變形，對前沿的樁基產(chǎn)生橫向的推力和豎向的負(fù)摩擦力[3]。因此，此類樁基具有被動(dòng)樁的典型特征，其受力更為復(fù)雜。

對于被動(dòng)樁的研究起步于抗滑樁領(lǐng)域。國內(nèi)外學(xué)者從不同角度做了大量工作：1)圍繞滑坡體的穩(wěn)定性及影響因素進(jìn)行探討，包括不同土質(zhì)[4-6]、內(nèi)部結(jié)構(gòu)[7]、水因素影響[8]、土體蠕變[9]等多重因素，此類工作為探究抗滑樁的受力機(jī)理奠定了基礎(chǔ)；2)以抗滑樁為研究對象，探討樁基的尺寸[10]、樁間距[11]、布置方式[12]、截面形狀[13]等因素對樁基工作性能和加固效果的影響，并進(jìn)行設(shè)計(jì)方法的研究；3)圍繞樁土相互作用展開研究，主要從相互作用機(jī)理、計(jì)算方法、實(shí)驗(yàn)分析等不同角度開展相關(guān)工作[14-17]。在碼頭樁基與岸坡相互作用方面，國內(nèi)較早的報(bào)道是魏汝龍等[18]開展的試驗(yàn)和計(jì)算研究。由于近年來高填方區(qū)多數(shù)采取加筋土技術(shù)[19]，進(jìn)一步增加了問題的復(fù)雜性和研究的難度，導(dǎo)致許多新的研究課題的出現(xiàn)。

本文擬通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，開展加筋填方區(qū)樁后土拱效應(yīng)和樁基應(yīng)力的規(guī)律研究。運(yùn)用有限元計(jì)算方法，對加筋方式、填方區(qū)坡度和填方區(qū)土體物理力學(xué)參數(shù)等因素對樁后土拱效應(yīng)和樁基應(yīng)力的影響進(jìn)行計(jì)算，將模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算分析對比，得到樁基應(yīng)力的分布規(guī)律，并提出加筋高填方區(qū)樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)的建議。

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)

根據(jù)內(nèi)河加筋高填方區(qū)碼頭樁基受力特點(diǎn)，即由于后方陸域堆載等豎向荷載的作用，邊坡土體發(fā)生水平向位移，同時(shí)由于樁間土拱效應(yīng)主要表現(xiàn)為水平方向，對模型邊坡頂部施加豎向堆載，以模擬碼頭樁基的實(shí)際工作狀態(tài)。

1.1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ统氐钠矫娉叽鐬?.0 m×3.0 m×1.5 m(長×寬×深)，池壁采用厚度為240 mm的黏土磚砂漿砌筑而成，池底采用120 mm素混凝土找平(圖1)。

本試驗(yàn)?zāi)橹睆?25 mm、長1.9 m的鋼筋混凝土圓形截面樁，為測試水平荷載作用下填方區(qū)段樁身曲率變化，應(yīng)變片沿樁長方向?qū)ΨQ布置2排，應(yīng)變片間距為150 mm，應(yīng)變片的數(shù)量為11對，其中填方區(qū)段7對，嵌巖段3對，分界處1對(圖2)。

圖2 制作中的模型樁

三峽庫區(qū)碼頭建設(shè)區(qū)域的填料主要是就地取材，內(nèi)部多包含有黏性土、砂性土和塊石。為模擬工程實(shí)際情況，試驗(yàn)選擇3種不同性質(zhì)的填料作為加筋陡坡的原材料(表1)，開展樁土相互作用試驗(yàn)研究。

表1 邊坡填料配比及物理力學(xué)參數(shù)

模型筋帶的參數(shù)設(shè)置為：寬度d=3.0 mm；極限抗拉強(qiáng)度Tu=5.0 kN/m。根據(jù)以上參數(shù)，選擇以100 g牛皮紙和1 mm棉線為原料，粘制雙向模型土工格柵。以寬度為3.0 mm的100 g牛皮紙為模型筋帶表層，其上均勻布置1條1 mm棉線作為筋帶纖維，2層牛皮紙表層之間用液體膠水粘接，放置陰涼處晾干后使用(圖3)。

圖3 模型筋帶制作

根據(jù)填料的不同配比，預(yù)先在試驗(yàn)場地外進(jìn)行填料的拌合，而后按照分層填筑壓實(shí)的方式進(jìn)行填筑。每層填筑的厚度為200 mm，填料壓實(shí)后鋪設(shè)1層筋帶，逐層填筑至設(shè)計(jì)高度，坡體外部的筋帶按照設(shè)計(jì)的坡度進(jìn)行刷坡后反包壓實(shí)(圖4)。

圖4 模型加筋邊坡填筑過程

采用裝滿砂土石塊的編織袋在坡體上方進(jìn)行堆載，每層20袋，堆置4層，轉(zhuǎn)化為作用于坡體上部的均布荷載為10.7 kPa。為模擬堆載的時(shí)間效應(yīng)，4層堆載間隔24 h分級完成，全部堆放完成后靜置168 h后開始數(shù)據(jù)采集(圖5)。

圖5 堆載及數(shù)據(jù)采集過程

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

樁后土壓力的采集使用直徑為108 mm的振弦式土壓力計(jì)，共布設(shè)2排、14個(gè)測點(diǎn)，分別采集加筋密度為4層和8層的樁后土壓力(圖6)。

圖6 不同加筋密度的樁后土壓力

對比2種工況下樁后土壓力曲線可見，2組數(shù)據(jù)曲線的變化趨勢基本一致：水平向和豎向土壓力均呈現(xiàn)近樁增大、遠(yuǎn)樁減小的趨勢。在相同位置，8層加筋土體內(nèi)土壓力較大，這是由于加筋效應(yīng)提高了土體強(qiáng)度、限制了土體的變形所致。由于樁基的存在限制了土體向前位移，從而以樁基為拱腳，形成樁后土拱，導(dǎo)致樁后土壓力大于樁間土壓力。隨著加筋數(shù)量的增加，樁后土壓力減小，這是由于加筋體提高了土體強(qiáng)度，減少了土體的沉降變形。

彎矩是樁基設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)方案，4根樁基的樁后土壓力呈對稱分布，因此選擇其中的2根樁身彎矩(1號和2號)，繪制彎矩曲線(圖7)。

圖7 樁身彎矩分布曲線

由圖7可見，樁身彎矩曲線呈現(xiàn)“U”形，在巖土分界面處達(dá)到峰值，且1號樁身彎矩最大值較大，原因是1號樁基位于排樁外側(cè)，邊緣土體的限制小，變形較大導(dǎo)致樁身受力也較大。對比分析2種加筋條件下的樁身彎矩可知，8層加筋工況下樁身彎矩明顯減小，說明加筋工藝對減小樁身受力具有顯著效果。

2 樁與加筋土相互作用數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的建立及驗(yàn)證

數(shù)值模型中采用的填土及格柵屬性參數(shù)在實(shí)際工程典型值范圍中選取(表2)。填土選擇Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，土工格柵采用桿單元進(jìn)行模擬，設(shè)置桿單元不受壓來模擬土工格柵在土中受力的真實(shí)狀態(tài)，土工格柵與土體的接觸是將格柵嵌入土體中。將樁土接觸設(shè)置為面與面接觸，其中樁設(shè)為主面，土體設(shè)為從面，切向?qū)傩圆捎昧P函數(shù)模擬，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3，并添加法向?qū)傩?，不允許接觸面分離。

表2 材料物理參數(shù)取值

根據(jù)表2參數(shù)建立三維數(shù)值計(jì)算模型，分別計(jì)算4層和8層加筋工況下樁后土壓力，并將計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)模型試驗(yàn)對比繪制曲線(圖8)。從圖8可知，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值大小和變化趨勢上均保持較好的一致性，因此可以將數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

圖8 土壓力對比曲線

2.2 加筋填方區(qū)土拱空間分布特征

選擇8層加筋的工況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，在y=1.025 m水平面，樁后3.75 cm(x=2.1 m)、13.75 cm(x=2.0 m)、23.75 cm(x=1.9 m)以及33.75 cm(x=1.8 m)，將4樁之間水平向和縱向的土壓力值分布繪制成曲線(圖9)。

圖9 土拱效應(yīng)分布

從圖9可知，水平向土拱效應(yīng)在靠近樁基處極為明顯，樁后和樁間土壓力差值近7 kPa，在樁后3.75～13.75 cm區(qū)間內(nèi)，土壓力隨著遠(yuǎn)離樁基而減小，最大值相差近4 kPa。豎向上、下部土拱效應(yīng)更為明顯，下部的拱腳與拱間的壓力差可達(dá)2.5 kPa，這是由于下部土體更加密實(shí)，更容易形成穩(wěn)定土拱。

3 加筋填方區(qū)土拱效應(yīng)影響因素

3.1 加筋方式對土拱的影響

將加筋層數(shù)和筋帶間距分別作為影響因子進(jìn)行計(jì)算，首先分別選取4、8、12層和無筋4種工況，提取y=1.025 m水平面，樁后23.75 cm處，4樁之間的水平土壓力值進(jìn)行比較。土壓力曲線見圖10。從圖10可知，隨著加筋層數(shù)增加，樁后土拱效應(yīng)逐漸增大，在4～8層筋帶之間土壓力增大較為明顯，可達(dá)200 kPa；而8～12層之間的變化較小。綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益，8層加筋為較為合理的方式。

圖10 加筋層數(shù)對土拱影響曲線

選取8層加筋工況，將筋帶間距作為變量，分別計(jì)算5、10、15、20 cm的樁后23.75 cm、4樁之間的土壓力曲線(圖11)。從圖11可見，隨著筋帶間距的增大，土拱效應(yīng)顯著增強(qiáng)，特別是由10 cm減小到5 cm，最大土壓力提升幅度近2%，綜合考慮縱向土壓力分布規(guī)律，在加筋填方區(qū)上部應(yīng)采取減小筋帶間距的方式進(jìn)行布置。

圖11 筋帶間距對土拱影響曲線

3.2 邊坡角度對土拱效應(yīng)影響

選擇加筋層數(shù)為8、筋帶間距5 cm的工況，將坡腳變量設(shè)置為30°、45°、60° 3個(gè)取值。提取y=1.025 m水平面，樁后23.75 cm(x=1.9 m)處、4樁之間分布的土壓力值，繪制土壓力變化曲線(圖12)。從圖12可知，坡腳角度為45°和60°時(shí)的土壓力值相差不大，而30°時(shí)土壓力值有明顯增加，是由于坡度增大后，填方區(qū)土體減小了向前擠出的趨勢，從而降低了水平向的土壓力。3種角度下的土拱曲線趨勢基本一致。

圖12 坡腳角度對土拱影響曲線

3.3 填方區(qū)土體參數(shù)對土拱的影響

填方區(qū)土體力學(xué)參數(shù)主要考慮黏聚力和內(nèi)摩擦角兩項(xiàng)，選擇加筋層數(shù)為8層，間距為5 cm。黏聚力分別為3、6、9、12 kPa；內(nèi)摩擦角分別為22°、32°、42°。取在y=1.025 m水平面、樁后23.75 cm(x=1.9 m)處、4樁之間的土壓力并繪制土壓力曲線(圖13)。由圖13可見，隨著土體黏聚力和內(nèi)摩擦角的增加，土壓力都呈現(xiàn)減小趨勢，且減小的幅度由大變小。所不同的是，黏聚力增大后土壓力減小至一個(gè)相對穩(wěn)定的值，且土拱效應(yīng)有所減?。欢鴥?nèi)摩擦角增大導(dǎo)致土壓力減小，但土拱效應(yīng)并未減弱。

圖13 土體力學(xué)參數(shù)對土拱影響曲線

4 加筋填方區(qū)土拱效應(yīng)和樁基響應(yīng)

土拱效應(yīng)的形成和發(fā)展與樁基響應(yīng)有著密切聯(lián)系。按照加筋層數(shù)為8層、間距5 cm、坡腳45°、黏聚力3 kPa、內(nèi)摩擦角32°的參數(shù)構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型。坡頂堆載分析步設(shè)定為20幀，每幀間隔加載時(shí)長為12 h。選定縱向截面y=1.025 m水平面為研究對象，計(jì)算結(jié)果見圖14。

圖14 土拱效應(yīng)與樁基響應(yīng)

通過觀察20幀的計(jì)算結(jié)果可見，在第1～9幀間，主要是樁間小土拱的初步形成期；在第10～15幀間小土拱逐步發(fā)展和穩(wěn)定期；在第16～18幀間以樁基為拱腳的樁后大土拱逐步形成和穩(wěn)定，是大小土拱共同作用期；在第19～20幀間樁間小土拱發(fā)生破壞，形成樁后大土拱的穩(wěn)定期。

從樁基的剪力和彎矩曲線可見，隨著樁后土拱發(fā)展導(dǎo)致的土壓力增加，樁身內(nèi)力也不斷增大，樁基響應(yīng)是伴隨樁后土拱效應(yīng)發(fā)展而增大的一個(gè)過程。

5 結(jié)論

1)加筋工藝在高填方區(qū)的應(yīng)用可以改善填方土體的不均勻沉降等問題，加筋效應(yīng)可以減小因土體變形對樁基的作用力，對降低樁基水平向受力的效果顯著。

2)加筋填方區(qū)土體內(nèi)在樁后可以形成水平向和豎向土拱效應(yīng)：對水平向土拱而言，越靠近樁基越明顯；對豎向土拱效應(yīng)而言，填方區(qū)下部較上部更為明顯。

3)加筋層數(shù)為8層、筋帶間距5 cm、坡腳45°、黏聚力3 kPa、內(nèi)摩擦角32°為最優(yōu)方案。在進(jìn)行加筋土填方區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該選擇摩擦角和黏聚力都較大的土體，要盡量達(dá)到二者最優(yōu)解，參數(shù)須結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境、通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定。

4)綜合考慮計(jì)算結(jié)果與碼頭高填方區(qū)實(shí)際，宜將填方坡角定為30°。加筋的層數(shù)和間距應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際開展現(xiàn)場試驗(yàn)確定，求得綜合考慮工程造價(jià)和加筋效果的最優(yōu)解。