不同地基處理樁對(duì)鄰近樁基承載特性及沉降的影響

劉曉巖

(中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司,北京 通州 101100)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,許多城市陸續(xù)開(kāi)始修建地鐵,長(zhǎng)三角一帶的地質(zhì)條件較差且地基較軟弱,為提高地鐵車(chē)輛段的地基承載力,在修建車(chē)輛段主要樁基前需要進(jìn)行大量的地基加固處理,包括PHC管樁、高壓旋噴樁和水泥攪拌樁[1]。因?yàn)橐话愕罔F車(chē)輛段的樁基穿越的土層多、工程量大且工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán),所以研究地基處理樁對(duì)鄰近樁基(多為鉆孔灌注樁)的承載特性、沉降變形以及對(duì)周?chē)馏w的影響具有重要意義。到目前為止,已有許多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究:付濤等[2]利用ABAQUS有限元軟件分析了高壓旋噴樁加固大直徑超長(zhǎng)鉆孔灌注樁的影響,結(jié)果表明加固后樁基的豎向承載力和樁側(cè)阻力均有所增大,樁身軸力從樁頂至樁底呈逐漸減小趨勢(shì);朱利明等[3]利用ABAQUS分析了高壓旋噴樁對(duì)高鐵橋梁樁基的內(nèi)力和位移的影響;黃俊謙等[4]利用Midas GTS對(duì)高壓旋噴樁旋噴長(zhǎng)度和數(shù)量對(duì)鄰近橋梁樁基的影響進(jìn)行了有限元分析,結(jié)果表明在堆載下增加旋噴樁的長(zhǎng)度,橋梁樁基的水平位移呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì),最大彎矩呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì);陳維靜等[5]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)選擇合適的水泥攪拌樁加固寬度可以有效降低對(duì)鄰近樁基的影響,降低基坑開(kāi)挖的風(fēng)險(xiǎn);王鵬[6]利用ABAQUS研究發(fā)現(xiàn)地鐵車(chē)輛段軟土地基中深層攪拌樁的排數(shù)越多,沉降量和位移量越小,且減少量有降低的趨勢(shì);湯梅芳等[7]通過(guò)實(shí)際工程實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力管樁加固軟土地基效果較好;章磊等[8]通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了在已有建筑物周邊進(jìn)行PHC管樁施工時(shí)擠土的影響范圍;楊思謀等[9]通過(guò)數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)預(yù)制樁沉樁時(shí)應(yīng)盡量保證既有結(jié)構(gòu)在10倍塑性區(qū)半徑以外的位置;劉金波等[10]分析了預(yù)制樁樁間距對(duì)樁基礎(chǔ)沉降變形的影響,發(fā)現(xiàn)擠土樁樁間距不應(yīng)小于4倍的樁徑,增大樁間距可以有效減小擠土效應(yīng);陳超群等[11]通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)管樁靜壓對(duì)鄰近樁豎向位移的影響要大于水平位移,在設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制樁間距。

筆者以杭州某地鐵車(chē)輛段地基工程為依托,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查報(bào)告和設(shè)計(jì)資料,采用PLAXIS 3D有限元軟件建立不同地基處理樁型及被加固鉆孔灌注樁的單樁有限元模型,通過(guò)理論計(jì)算與有限元計(jì)算的對(duì)比分析,驗(yàn)證數(shù)值仿真計(jì)算的正確性,隨后通過(guò)改變加固樁型的排列方式和樁間距,分析PHC管樁和高壓旋噴樁對(duì)鄰近鉆孔灌注單樁和群樁基礎(chǔ)的加固效果,研究結(jié)果對(duì)同類(lèi)地基工程的處理具有參考價(jià)值。

1 工程概況與理論計(jì)算

以杭州某地鐵車(chē)輛段為工程背景,由于該工程施工場(chǎng)地地基較軟弱,樁基穿越土層多、工程量大且工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán),為提高地基承載力,需要進(jìn)行大量地基加固處理,主要地基加固處理樁型包括PHC管樁和高壓旋噴樁。根據(jù)工程地質(zhì)條件,該場(chǎng)地土層從上到下分別為素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土、粉細(xì)砂和含礫中粗砂,下覆土層為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化及中等風(fēng)化砂礫巖。

該工程選用的鉆孔灌注樁樁長(zhǎng)L=48 m,樁徑D=1 m,樁間距S=3 m,樁端進(jìn)入中等風(fēng)化砂礫巖持力層深度H=1 m,對(duì)應(yīng)土層側(cè)阻力特征值參數(shù)Qsik為10～165 kPa,對(duì)應(yīng)持力層端阻力特征值參數(shù)Qpk=6 000 kPa,依托工程設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算得鉆孔灌注樁的單樁極限承載力Quk=12 190.73 kN,承載力特征值Ra=6 095.4 kN。選用的PHC管樁樁長(zhǎng)L=30 m,樁徑d=0.4 m,樁間距S=1.6 m,樁端進(jìn)入粉細(xì)砂持力層深度H=1 m,對(duì)應(yīng)土層側(cè)阻力特征值參數(shù)Qsik為10～55 kPa,對(duì)應(yīng)持力層端阻力特征值參數(shù)Qpk=3 600 kPa,計(jì)算得PHC管樁的單樁極限承載力Quk=1 797.8 kN,承載力特征值Ra=898.9 kN。選用的高壓旋噴樁樁長(zhǎng)L=24 m,樁徑d=0.5 m,樁間距S=1.5 m,復(fù)合地基面積置換率m=10.1%,計(jì)算得高壓旋噴樁的單樁極限承載力Quk=490.8 kN,復(fù)合地基承載力fspk=164 kPa。

2 有限元建模及結(jié)果分析

首先,采用PLAXIS 3D有限元軟件建立鉆孔灌注樁和地基處理樁的單樁模型,通過(guò)力—樁頂沉降曲線(P—s曲線)分別獲得上述樁型的極限承載力,并與理論計(jì)算值作對(duì)比,驗(yàn)證有限元模型的正確性;然后,建立考慮地基處理樁加固的灌注樁單樁模型和群樁模型,以分析不同地基處理樁的加固效果。在有限元模型中,土體采用實(shí)體單元離散,本構(gòu)模型采用小應(yīng)變土體硬化模型(HS-Small模型),鉆孔灌注樁、PHC管樁以及高壓旋噴樁均采用Embedded樁單元模擬,該單元類(lèi)型自帶樁土界面功能,可設(shè)置極限側(cè)阻力和極限端阻力,適用于樁土相互作用模擬,承臺(tái)采用板單元模擬,材料考慮為線彈性。模型四側(cè)面水平約束設(shè)為水平方向固定、豎直方向自由,模型底面的三向自由度均固定。

其中HS-Small本構(gòu)模型參數(shù)參考文獻(xiàn)[12]:γ0.7=2-4,νur=0.2,pref=100 kPa,Rf=0.9,其他參數(shù)如表1所示。

表1 土層HS-Small模型參數(shù)Table 1 Parameters of HS-Small model of soil layers

根據(jù)地鐵車(chē)輛段設(shè)計(jì)資料,樁與承臺(tái)的模型參數(shù)如表2所示。

表2 樁與承臺(tái)參數(shù)Table 2 Parameters of piles and cap

2.1 單樁承載力有限元分析

筆者建立鉆孔灌注樁和地基處理樁(PHC管樁和高壓旋噴樁)的單樁模型,通過(guò)力—樁頂沉降曲線(P—s曲線)獲得上述樁型的極限承載力,并與理論計(jì)算值作對(duì)比,驗(yàn)證有限元模型的正確性。3種樁型工況較為相似,在樁長(zhǎng)和樁徑上有所不同,3種樁型有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

土體豎向位移斷面圖如圖2所示,鉆孔灌注樁沉降壓縮量與樁頂荷載關(guān)系曲線如圖3所示,鉆孔灌注樁在極限承載力作用下周?chē)馏w最大豎向位移s=22.08 mm。由圖3可知:鉆孔灌注樁(D=1 m)隨著樁頂荷載的增加,樁頂沉降量呈非線性增長(zhǎng),當(dāng)樁頂荷載不斷增加并達(dá)到一定值時(shí),土體發(fā)生坍塌,單樁有限元模型發(fā)生破壞,該破壞值的前一階段加載值即為其單樁極限承載力,由有限元分析得到其單樁極限承載力Quk=12 600 kN。此外,在樁頂荷載較小的情況下,樁端沉降量很小,樁身壓縮量較大,當(dāng)荷載增大到極限承載力的60%左右后,樁端沉降量增加比較快,樁身壓縮量總體呈線性增加,表明樁頂沉降量開(kāi)始主要由樁身的壓縮變形組成,而當(dāng)樁頂荷載達(dá)到一定值后,樁頂沉降量由樁身壓縮量和樁端沉降量?jī)刹糠纸M成。

圖2 鉆孔灌注樁周?chē)馏w位移Fig.2 The settlement of soils around the bored cast-in-place pile

圖3 鉆孔灌注樁沉降壓縮量與樁頂荷載關(guān)系曲線Fig.3 The settlement and compression of the bored cast-in-place pile versus the pile top load

PHC管樁(d=0.4 m)和高壓旋噴樁(d=0.5 m)荷載與沉降量關(guān)系如表3所示。由表3可知:在極限承載力作用下周?chē)馏w最大豎向位移分別為11.090,20.020 mm。土體豎向位移斷面圖如圖4,5所示。不同地基處理樁型沉降與樁頂荷載關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可知:兩種樁型的P—s曲線變化規(guī)律與鉆孔灌注樁類(lèi)似,同樣根據(jù)有限元分析確定PHC管樁單樁極限承載力Quk=1 800 kN,高壓旋噴樁單樁極限承載力Quk=450 kN。

表3 兩種樁型荷載與沉降關(guān)系Table 3 Relationship between the load and settlement of two types of piles

圖4 PHC管樁周?chē)馏w位移Fig.4 The settlement of soils around the pre-stressed high-strength concrete pipe pile

圖5 高壓旋噴樁周?chē)馏w位移Fig.5 The settlement of soils around the high-pressure jet grouting pile

圖6 不同地基處理樁型沉降與樁頂荷載關(guān)系曲線Fig.6 The settlement of different ground treatment pile types versus the pile top load

3種樁型的極限承載力對(duì)比如表4所示,單樁極限承載力理論計(jì)算值與有限元計(jì)算值的誤差較小,驗(yàn)證了有限元模型的正確性。

表4 3種承載力對(duì)比Table 4 Comparison of ultimate bearing capacity of three types of piles

2.2 地基處理與鄰近樁基有限元分析

2.2.1 單樁基礎(chǔ)

為分析地基處理樁對(duì)鄰近灌注單樁承載力和沉降變形的影響,首先給出了灌注單樁在未加固狀態(tài)下樁端阻力與樁頂荷載的關(guān)系曲線,結(jié)果如圖7所示;然后建立了地基處理樁加固鄰近灌注單樁有限元模型,不同工況下PHC管樁與高壓旋噴樁的樁長(zhǎng)和樁間距有所不同,結(jié)果如圖8所示。由圖7可知:在樁頂荷載較小的情況下,樁端阻力比較小,當(dāng)荷載達(dá)到極限承載力的60%左右后,樁端阻力明顯增大,這與圖3樁端沉降量的規(guī)律一致,因此單樁的荷載傳遞方式是先通過(guò)樁身的側(cè)阻力來(lái)承擔(dān)樁頂荷載,然后樁端阻力發(fā)揮作用且發(fā)揮作用的速度較快。

圖7 鉆孔灌注樁樁端阻力與樁頂荷載關(guān)系曲線Fig.7 The pile end resistance of the bored cast-in-place pile versus the pile top load

圖8 地基處理樁加固鄰近單樁模型(工況3)Fig.8 The model of ground treatment piles used for strengthening the adjacent single pile (case 3)

PHC管樁和高壓旋噴樁地基處理下幾種典型工況的分析結(jié)果如表5所示。表5中:為鉆孔灌注樁,直徑為D;為PHC管樁或高壓旋噴樁,直徑為d。對(duì)比表5中不同工況可知:在灌注單樁附近對(duì)稱(chēng)布置8根PHC管樁(工況3),承載力可提升13.1%,若進(jìn)一步增大加固范圍(工況4，5),承載力增幅有限,因此采用PHC管樁加固灌注單樁,其加固措施使用在距灌注單樁中心約2.30D的范圍內(nèi)效果最佳。在灌注單樁附近對(duì)稱(chēng)布置8根高壓旋噴樁(工況3),即加固措施使用在距灌注單樁中心約2.10D的范圍內(nèi)加固效果最優(yōu)(承載力提升達(dá)12.4%)。

表5 地基處理樁型排列方式對(duì)鄰近灌注單樁基礎(chǔ)影響表Table 5 Influence of arrangement of ground treatment piles on adjacent bored cast-in-place pile

為研究地基處理樁間距對(duì)鄰近灌注樁的加固效果,筆者還通過(guò)有限元模型分析了不同地基處理樁間距下灌注單樁承載力的變化規(guī)律,結(jié)果如圖9所示。由圖9可知:當(dāng)PHC管樁樁間距約為4.5d時(shí),灌注單樁極限承載力提高13.3%,若進(jìn)一步減小樁間距,其極限承載力反而有所下降,若增大樁間距,則其呈非線性下降趨勢(shì),且在大于8.75d后,加固效果不再明顯,因此可以看出PHC管樁最優(yōu)加固樁間距為4.5d。高壓旋噴樁最優(yōu)加固樁間距為3.2d,相應(yīng)的灌注單樁極限承載力提高12.7%。

圖9 灌注單樁極限承載力與地基處理樁型樁間距關(guān)系曲線Fig.9 The ultimate bearing capacity of bored cast-in-place pile versus the spacing of ground treatment piles

對(duì)鉆孔灌注單樁周?chē)M(jìn)行不同地基處理,在相同樁頂荷載P=12 600 kN作用下的計(jì)算結(jié)果如圖10,11所示。由圖10可知:當(dāng)加固樁數(shù)小于8 根時(shí),PHC管樁和高壓旋噴樁均引起灌注單樁樁側(cè)阻力的顯著上升,相反對(duì)應(yīng)的樁端阻力下降,總的承載力顯著提升(表5),因此不同地基處理樁型主要是提高了鄰近灌注單樁的樁側(cè)阻力。當(dāng)加固樁數(shù)大于8根時(shí),對(duì)灌注單樁的樁端及樁側(cè)阻力影響較小,因此進(jìn)一步增加地基加固樁的根數(shù)(或范圍),加固效果不再明顯。由圖11可知:灌注單樁在相同樁頂荷載下,隨著周?chē)庸虡陡鶖?shù)的增加,樁端沉降量、樁頂沉降量和樁身壓縮量總體均呈下降趨勢(shì),當(dāng)加固樁根數(shù)大于8根時(shí),影響很小,這與表5的單樁極限承載力的變化規(guī)律一致。樁端阻力和樁側(cè)阻力的發(fā)揮均源于樁土變形,灌注單樁的樁端沉降量變化較小,地基處理樁的加固原理主要在于影響鄰近灌注單樁的樁身壓縮量,從而改變樁身側(cè)阻分布。觀察圖11還可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)灌注單樁周?chē)贾?根PHC管樁或高壓旋噴樁時(shí),對(duì)比未加固工況,土體最大豎向位移分別減小了11.7%和11.3%,當(dāng)周?chē)贾?4根PHC管樁或高壓旋噴樁時(shí),土體最大豎向位移分別減小了18.0%和15.1%,加固效果顯著,且高壓旋噴樁的加固效果相對(duì)PHC管樁稍差。

圖10 相同荷載下鉆孔灌注樁樁端和樁側(cè)阻力與地基處理樁根數(shù)關(guān)系曲線Fig.10 The pile end resistance, and side friction versus the number of ground treatment piles under the same load

圖11 相同荷載下灌注樁沉降變形與地基處理樁根數(shù)關(guān)系曲線Fig.11 The settlementdeformation of bored cast-in-place pile versus the number of ground treatment piles under the same load

2.2.2 四樁基礎(chǔ)

為分析地基處理樁對(duì)群樁基礎(chǔ)承載力和沉降變形的影響,筆者建立了地基處理樁加固四樁承臺(tái)基礎(chǔ)的有限元模型,結(jié)果如圖12所示。由圖12可知:不同工況下PHC管樁與高壓旋噴樁的樁長(zhǎng)和樁間距有所不同。其中四樁承臺(tái)長(zhǎng)l=5 m,寬b=5 m,高h(yuǎn)=2.6 m。PHC管樁和高壓旋噴樁加固下幾種典型工況的承載力計(jì)算結(jié)果如表6所示。表6中：為鉆孔灌注樁;為PHC管樁或高壓旋噴樁;□為承臺(tái)。由表6可知:隨著四樁基礎(chǔ)每條邊上加固樁數(shù)的增加,四樁基礎(chǔ)極限承載力總體呈上升趨勢(shì),在每條邊對(duì)稱(chēng)布置3根PHC管樁或4根高壓旋噴樁時(shí),四樁基礎(chǔ)極限承載力達(dá)到一個(gè)較大值,相比未加固工況分別提高9.1%和5.8%,若進(jìn)一步增加樁數(shù),影響很小。

圖12 地基處理樁加固鄰近群樁基礎(chǔ)模型(工況5)Fig.12 The model of ground treatment piles used for strengthening the adjacent group pile foundation (case 5)

表6 地基處理樁型排列方式對(duì)鄰近四樁基礎(chǔ)影響表Table 6 Influence of arrangement of groundtreatmentpiles on adjacent four pile foundation

基于表6中工況3的加固樁型排列方式如圖13所示。通過(guò)對(duì)比分析PHC管樁和高壓旋噴樁與四樁基礎(chǔ)側(cè)邊樁間距的數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果可知:使用PHC管樁時(shí),側(cè)邊樁間距為4d,四樁基礎(chǔ)極限承載力提高最多,相應(yīng)提高4.5%,若進(jìn)一步減小間距,其極限承載力反而有所下降,若增大間距,則其呈非線性下降趨勢(shì),且在大于11.25d后,加固效果可忽略不計(jì);使用高壓旋噴樁時(shí),隨著側(cè)邊樁間距增大,四樁基礎(chǔ)極限承載力呈單調(diào)的非線性減小趨勢(shì),且在大于6d后,加固效果不再明顯。

圖13 四樁基礎(chǔ)極限承載力與側(cè)邊樁間距關(guān)系曲線Fig.13 The ultimate bearing capacity of four pile foundation versus the spacing of side piles

取接近于四樁基礎(chǔ)極限承載力的豎向荷載P=58 000 kN進(jìn)行相同荷載下四樁基礎(chǔ)的沉降變形分析,結(jié)果如圖14所示。由圖14可知:加固樁數(shù)越多,四樁基礎(chǔ)承臺(tái)頂和基樁的沉降壓縮量相應(yīng)越小,對(duì)四樁基礎(chǔ)周?chē)馏w的加固效果越好,土體豎向位移及地表沉降越小,當(dāng)周?chē)贾?根PHC管樁或高壓旋噴樁時(shí),土體最大豎向位移分別減小了8.2%和4.2%,當(dāng)周?chē)贾?2根PHC管樁或高壓旋噴樁時(shí),土體最大豎向位移分別減小了14.3%和8.4%,在加固樁數(shù)大于12根后,四樁基礎(chǔ)及周?chē)馏w的沉降變形量將趨于穩(wěn)定,對(duì)比兩者差異可知,高壓旋噴樁的加固效果相對(duì)PHC管樁要差。

圖14 相同荷載下四樁基礎(chǔ)沉降變形與地基處理樁數(shù)關(guān)系曲線Fig.14 The settlement deformation of four pile foundation versus the number of ground treatment piles under the same load

3 結(jié) 論

以杭州某地鐵車(chē)輛段為案例,采用PLAXIS 3D有限元軟件分析了不同地基處理加固樁型的排列方式、樁間距等對(duì)鄰近鉆孔灌注單樁及典型四樁承臺(tái)基礎(chǔ)的承載特性和沉降變形規(guī)律的影響,得到以下結(jié)論:1) 鉆孔灌注樁、PHC管樁和高壓旋噴樁的單樁極限承載力理論計(jì)算值和有限元分析值較為接近,驗(yàn)證了有限元分析的正確性;2) 在相同豎向荷載下,隨著鉆孔灌注單樁周?chē)庸虡稊?shù)的增加,單樁基礎(chǔ)沉降、壓縮量均呈下降趨勢(shì)且趨于穩(wěn)定,其中主要影響樁身壓縮量,樁端沉降量變化較小,不同的地基處理樁主要提高了灌注樁的樁側(cè)阻力,對(duì)端阻力影響較小;3) 在鉆孔灌注單樁周?chē)鷮?duì)稱(chēng)布置地基處理樁時(shí)效果最好,當(dāng)PHC管樁加固范圍約為2.3倍的鉆孔灌注單樁直徑時(shí)最優(yōu),樁間距建議取4.5倍的PHC管樁直徑,當(dāng)高壓旋噴樁加固范圍約為2.1倍的鉆孔灌注單樁直徑時(shí)最優(yōu),樁間距建議取3.2倍的高壓旋噴樁直徑;4) 在四樁基礎(chǔ)周?chē)鷮?duì)稱(chēng)布置地基處理樁時(shí)效果最好,每邊布置3根PHC管樁為最優(yōu),側(cè)邊樁間距建議取4倍的PHC管樁直徑,每邊布置4根高壓旋噴樁為最優(yōu),且側(cè)邊樁間距增大,對(duì)應(yīng)極限承載力呈非線性減小趨勢(shì)。