水庫施工靜壓樁擠土效應(yīng)數(shù)值模擬分析

時靜

（濟南市水利工程服務(wù)中心，山東 濟南 250099）

水工建筑物的設(shè)計中，常遇到建筑物地基地質(zhì)條件不好、豎向承載力和抗滑穩(wěn)定不滿足要求的情況。采用樁基礎(chǔ)處理地基是解決這些問題的有效措施之一[1-5]。靜壓樁（靜壓式鋼筋混凝土預(yù)制樁）是樁基施工的一種方法，通過靜力壓樁利用自重和機架上的配重提供反力將預(yù)制樁壓入土中，具有對樁無破壞、施工無噪音、無振動、無沖擊力、無污染等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于水利工程中。然而在實際中，采用靜壓樁法將樁貫入地基（尤其是飽和黏土地基）期間會對周圍地基土的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致樁承載力會隨時間出現(xiàn)降低現(xiàn)象，因此研究靜壓樁法對土體應(yīng)力的影響規(guī)律具有重要意義。

當前，學者主要采用現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬來研究這一問題[6-10]，由于現(xiàn)場試驗費用高昂，因此數(shù)值模擬方法成為熱點研究工具。通過文獻分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)模擬通常忽略了真實安裝階段，多數(shù)案例分析只是將樁或樁組直接放置在土中的預(yù)鉆孔中，該方法的明顯缺點是無法獲得樁安裝引起的土體應(yīng)力變化規(guī)律。針對這一問題，采用數(shù)值分析和試驗結(jié)合的方法，驗證了所建立的模型可以很好預(yù)測樁基沉樁過程以及安裝結(jié)束后對土體應(yīng)力的影響，探討了不同超固結(jié)比下沉樁過程對土體孔隙水壓力和應(yīng)力的影響，結(jié)果可為水利樁基工程提供參考。

1 工程概況

本研究的水庫工程地處黃泛沖積平原，地勢自西北向東南傾斜，平均地面坡度為0.01%，南部屬剝蝕構(gòu)造的低山殘丘，有兩大地形，即低山殘丘和黃泛平原。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫀|亞季風大陸性氣候，夏熱冬冷、寒暑交替、四季分明，春旱多風，夏熱多雨，秋旱少雨，冬寒晴燥。降雨多集中在七八兩月，最大年降雨量1 118 mm，發(fā)生在1964年；最小年降雨量299.98 mm，發(fā)生在2002年。地基主要為第四系上更新統(tǒng)沖積層（alQ3）黏土，室內(nèi)試驗測得干密度為1.38～1.81 g／cm3，孔隙比為0.486～0.971，壓縮系數(shù)為0.17～0.47，局部具中等壓縮性，飽和固結(jié)快剪強度值為15.2°～25.1°，自由膨脹率為42%～66%，具弱～中等膨脹性；抗剪強度值為18.1～48.1 kPa，標準貫入試驗錘擊數(shù)為10～13擊。

2 數(shù)值模型與計算參數(shù)

本次建立靜壓樁數(shù)值模型為二維軸對稱模型，建模時采用四節(jié)點軸對稱單元和孔隙單元，樁端采用錐形，錐角為60°。微型錐體貫入地基的網(wǎng)格示意，如圖1所示。

圖1 靜壓樁數(shù)值模型

在Abaqus中，樁基與地基接觸算法采用主從接觸屬性，并生成接觸力以防止節(jié)點穿透主曲面。打樁過程中樁土相互作用采用接觸運動學建模。兩個曲面之間的接觸條件由法線和切線方向上的運動學方程約束控制。當樁與土壤之間存在間隙時，接觸處的法向應(yīng)力為零；當樁與土壤接觸時，接觸處生成切應(yīng)力為正應(yīng)力。樁土界面處的摩擦滑動利用庫侖摩擦接觸定律描述，界面處的最大剪應(yīng)力與法向應(yīng)力成正比。當剪應(yīng)力小于最大值時，不會發(fā)生相對位移（滑動）；而當剪應(yīng)力達到最大值時，樁基沿剪應(yīng)力方向發(fā)生滑動。

為驗證靜壓樁模型的正確性和數(shù)值計算參數(shù)的準確性，在正常固結(jié)黏土試樣上進行了微型壓電錐貫入試驗，同時對數(shù)值模型進行相同貫入試驗，對比二者結(jié)果，進行參數(shù)反演。試驗分兩個階段進行：第一步先對現(xiàn)場地基土樣進行固結(jié)試驗，使其能夠達到原狀土的固結(jié)應(yīng)力；之后以207 kPa的平均有效應(yīng)力開始進行貫入試驗。數(shù)值模型中樁基安裝結(jié)束時壓電錐周圍的孔隙水壓力分布，如圖2所示。

圖2 樁基安裝結(jié)束時壓電錐周圍的孔隙水壓力分布

壓電錐尖端和錐側(cè)處的超靜孔隙水壓力分別為525 kPa和660 kPa，而試驗中的壓電錐貫入儀尖端和錐側(cè)的孔隙水壓力實測值分別為550 kPa和625 kPa，二者結(jié)果十分接近，因此認為本次所建立模型合理。此外，還對比分析了數(shù)值模擬與試驗中樁尖與樁側(cè)最大超靜孔隙水壓力隨時間的變化關(guān)系，如圖3所示。隨時間增長，樁尖與樁側(cè)超靜孔隙水壓力模擬數(shù)值在試驗值附近波動，但均在10%的誤差范圍內(nèi)，且二者隨時間均呈減小趨勢，因此認為本次建立的數(shù)值模型合理，反演后的數(shù)值參數(shù)詳見表1。

圖3 樁基最大超靜孔隙水壓力隨時間的變化關(guān)系

表1 數(shù)值計算參數(shù)

3 不同超固結(jié)比下黏土應(yīng)力變化

為研究不同超固結(jié)比（OCR）下樁基安裝期間和安裝之后對土壤應(yīng)力狀態(tài)的影響，采用1、3、5和10 4種不同的OCR來進行數(shù)值分析。模型的計算參數(shù)和尺寸與之前保持一致。不同超固結(jié)比下，樁基超靜孔隙水壓力隨地基深度的變化規(guī)律如圖4所示；樁基安裝期間，地基土超靜孔隙水壓力隨時間變化規(guī)律如圖5所示。

圖4 樁基超靜孔隙水壓力隨地基深度的變化規(guī)律

圖5 地基土最大超靜孔隙水壓力隨時間的變化規(guī)律

樁基安裝結(jié)束后，在樁尖附近超靜孔隙水壓力急劇增加，而在樁尖以下顯著降低，甚至小于初始超靜孔隙水壓力。因此，在地基中任意一點，當樁尖端經(jīng)過該點時，土體超靜孔隙水壓力會顯著增加，并在樁尖通過后迅速降低。此外，隨著OCR的增大，樁基安裝所導(dǎo)致的孔隙水壓力增量反而更小，這是因為超固結(jié)土在外加荷載小于其先期固結(jié)壓力時土層的壓縮很微小，外加荷載一旦超過先期固結(jié)壓力，土的變形將顯著增大。此外，由于受前期固結(jié)壓力的影響，超固結(jié)軟土的孔隙性較小，含水量一般低于軟土的含水量且透水性較差。因此，當受樁擠壓時，超固結(jié)比越大的土的超靜孔隙水壓力越小。

不同超固結(jié)比下，樁基安樁結(jié)束后地基土有效側(cè)壓力系數(shù)隨地基深度的變化趨勢如圖6所示，同時比較了90%超靜孔隙水壓力耗散所需時間。在OCR較大的地基土中安裝樁基，會導(dǎo)致有效側(cè)壓力系數(shù)增加。然而，由于超靜孔隙水壓力在徑向上的消散速度可能更快，因此與垂直有效應(yīng)力相比，徑向有效應(yīng)力之間的差異更為顯著。此外，在飽和黏土中打入的預(yù)制樁會引起地基土孔隙水壓力增大，之后隨著樁基安裝穩(wěn)定，超靜孔隙水壓力會逐漸消散，地基土再次加固，此時會引起樁基沉降，對水工建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大威脅。同時，隨著黏性土壤的OCR增加，打樁后的固結(jié)過程中有效徑向應(yīng)力和垂直應(yīng)力的增加更為顯著，即在OCR較高的土壤出現(xiàn)所謂的土壤沉降現(xiàn)象后可能導(dǎo)致更高的軸阻力。

圖6 地基土有效側(cè)壓力系數(shù)隨地基深度的變化趨勢

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值分析和試驗結(jié)合的方法，驗證了所建立的模型可以很好預(yù)測樁基沉樁過程以及安裝結(jié)束后對土體應(yīng)力的影響，為其他水利工程在分析類似問題時提供了較好參考。根據(jù)數(shù)值結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，沉樁過程中樁尖附近超靜孔隙水壓力會急劇增加，而在樁尖以下顯著降低，甚至小于初始超靜孔隙水壓力，這一現(xiàn)象會引起樁基發(fā)生二次沉降，對水工建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大威脅。通過后期研究得出，隨著黏土的超固結(jié)比增大，打樁過程中樁尖與樁尖周圍的超靜孔隙水壓力差異會減小，建議采用先固結(jié)后沉樁的施工順序，能夠提高樁基承載力。