航道重力式擋土墻地基樁承載力分析

◎ 曹洋 曹元軍

1.江蘇中泰建發(fā)集團(tuán)有限公司；2.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院

1.引言

航道重力式擋土墻的地基沉降超標(biāo)，易造成擋土墻開(kāi)裂、移位或者錯(cuò)位，甚至形成輕微或者中等程度塌陷的施工質(zhì)量缺陷。因而在航道整治或者新建工程中，需做好重力式擋土墻基礎(chǔ)的處理和過(guò)程觀測(cè)，將沉降速率控制在每晝夜＜5mm、位移速率控制在每晝夜＜3m m。在航道施工質(zhì)量控制中，其巖土工程問(wèn)題常采用各類計(jì)算模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，而土體參數(shù)輸入直接影響計(jì)算模型的預(yù)測(cè)效果[1]?？s徑缺陷是影響基樁承載性能的主要缺陷形式，當(dāng)缺陷樁數(shù)量巨大，處理不當(dāng)會(huì)給工程帶來(lái)極大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失[2]。通過(guò)有限單元分析法，研究打樁過(guò)程中樁對(duì)土體動(dòng)態(tài)的橫向擠壓和豎向剪切作用，模擬樁錘擊打入飽和黏土地基的全過(guò)程，得到地基在打樁過(guò)程中的反應(yīng)規(guī)律[3]。然而在實(shí)際工程中，由于人力、時(shí)間、經(jīng)濟(jì)等成本的限制，只能得到有限的土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)，難以獲得比較全面土體參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征[4]。本研究從蘇北黏土區(qū)通揚(yáng)線興化陳堡段駁岸建設(shè)工程中，對(duì)重力式擋土墻基礎(chǔ)打樁沉降位移進(jìn)行模擬計(jì)算與分析，為后期樁基礎(chǔ)承臺(tái)的施工提供技術(shù)參數(shù)支撐。

2.工程概況

樁基礎(chǔ)處理對(duì)于地上建筑物來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，本研究工程選擇蘇北黏土區(qū)通揚(yáng)線興化陳堡段駁岸建設(shè)工程為對(duì)象，該駁岸護(hù)坡采用重力式擋土墻結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)處理采用預(yù)制PHC樁的處理方式，基樁采用梅花形陣列布置，樁頂處設(shè)碎石墊層，如圖1所示，為PHC樁基礎(chǔ)施工現(xiàn)場(chǎng)。

圖1 PHC樁基礎(chǔ)施工

3.計(jì)算模型

本文為了簡(jiǎn)化模型的計(jì)算量，考慮PHC樁單獨(dú)打樁對(duì)地基礎(chǔ)的影響，并且假設(shè)重力式擋土墻產(chǎn)生的載荷為均勻分布。地基取為5×5m，樁基直徑為0.6m，如圖2所示，基礎(chǔ)土體的邊界約束為四周，中間為P H C 樁建立局部坐標(biāo)系，根據(jù)該工程實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)置彈性模量為1.0 3×10 5k Pa，泊松比系數(shù)取為0.498，屈服應(yīng)力（Yield ing stress）取為16.25kPa。

圖2 地基樁約束邊界模型

本文計(jì)算本構(gòu)模型依據(jù)下列算式建構(gòu)：

（1）計(jì)算中的本構(gòu)模型對(duì)應(yīng)的不排水強(qiáng)度依據(jù)表達(dá)式為：

式中，Cu為不排水強(qiáng)度（kPa），qf為破壞時(shí)的偏應(yīng)力（kPa），θ為應(yīng)力的方向角（rad）。

（2）計(jì)算土模型。將樁周土體簡(jiǎn)化為理想彈塑性模型，當(dāng)土位移小于最大彈性位移Q 時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變呈線性關(guān)系；當(dāng)土位移達(dá)到Q值，應(yīng)力不再隨應(yīng)變?cè)黾佣黾?，土進(jìn)入塑性狀態(tài)，即[5]：

式中，RS為樁在深度處土體的剪切屈服阻力（kN），RU為樁在深度處土體的極限靜阻力（kN），Q為土體最大彈性位移（mm），u(Z)為Z深處土位移（mm），F(xiàn)S為軸向力（kN）。

3.1 建立幾何模型與網(wǎng)格劃分

為了能夠比較逼真反映模型模擬實(shí)際打樁施工，對(duì)于該模型的本構(gòu)關(guān)系，參考了相關(guān)文獻(xiàn)做法，不能采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)尺寸劃分模型[6]。在本文本構(gòu)模型建構(gòu)過(guò)程中，考慮到PHC 樁位于濱水邊坡施工實(shí)際情景，與邊坡土方擠壓的耦合作用，也參考了相關(guān)文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)做法[7]，同時(shí)也考慮到建模的成功率，及其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)檢測(cè)值的接近性，減少非奇異誤差，如圖3所示。

圖3 反映本構(gòu)關(guān)系的模型網(wǎng)格

運(yùn)用A B AQU S 有限元軟件模擬計(jì)算，航道重力式擋土墻基礎(chǔ)取為網(wǎng)格類型C PE 4 的尺寸0.2 m、P H C 樁為網(wǎng)格類型C P E 4 的尺寸0.04m。

3.2 基礎(chǔ)樁塑性變形

地基在受到打樁力反復(fù)作用下，土體經(jīng)歷了由未屈服到屈服的變形過(guò)程，由圖4（a）所示，當(dāng)屈服應(yīng)力AC Yield為零時(shí)，土體材料未屈服，但是當(dāng)AC Yield為1k Pa時(shí)，土體材料已經(jīng)屈服變形。該圖表明，從塑性區(qū)的分布特征來(lái)看，由于PHC樁的周圍土體受到擠壓作用力，在樁周圍的土體有繞過(guò)PHC樁變形而產(chǎn)生等值線云圖，并且在基礎(chǔ)柱周圍出現(xiàn)剪切變形區(qū)域，最大屈服應(yīng)力達(dá)到1.8 6 6k Pa；當(dāng)屈服應(yīng)力為1.275k P a 時(shí)，呈現(xiàn)較為典型的衛(wèi)星狀分布。由圖4（b）所示，PHC樁在錘擊和土體擠壓聯(lián)合作用下，也會(huì)產(chǎn)生一定量的塑性變形，但與圖4（a）相比較，PHC樁的塑性變形量要小很多（最大值相差達(dá)0.741kPa），且同時(shí)間內(nèi)段PHC樁的變化幅度也小，最大塑性應(yīng)力達(dá)到1.125k Pa，分布在PHC 樁兩側(cè)、呈現(xiàn)對(duì)稱特征。結(jié)合圖4（a）和（b）看出，在受到打樁力作用下，PHC樁的塑性變形要比基礎(chǔ)土體塑性變形要小，符合航道重力式擋土墻樁基礎(chǔ)實(shí)際施工試驗(yàn)實(shí)測(cè)效果，可為后續(xù)樁基礎(chǔ)模型求解其他參數(shù)的合理性進(jìn)行相互驗(yàn)證，這也為施工組織塑性變形防護(hù)設(shè)計(jì)提供理論數(shù)據(jù)支持。

圖4 模型塑性變形區(qū)

3.3 基礎(chǔ)樁剪應(yīng)力分布

在打樁過(guò)程中及打樁完成后，基礎(chǔ)土體和樁均產(chǎn)生剪應(yīng)力，如圖5（a）所示，C SH E A R 1為切向應(yīng)力，在樁四周土體產(chǎn)生剪應(yīng)力，伴隨土體經(jīng)歷由未屈服到屈服的變形過(guò)程，且在樁周圍的土體有繞過(guò)PHC樁剪切變形土體。與此同時(shí)，樁的剪應(yīng)力分布如圖5（b）所示，在該圖中，隨著打樁持續(xù)施工，基礎(chǔ)土體與樁之間將產(chǎn)生相對(duì)位移，包括垂直位移和水平位移，在位移增加的情況下，各向摩擦阻力也在相應(yīng)增加。此外，在圖5（b）中，由于圓柱樁的軸幾何對(duì)稱性，還存在土體與樁之間水平無(wú)相對(duì)位移現(xiàn)象，其剪應(yīng)力為0，但在樁的右側(cè)最大剪應(yīng)力達(dá)到10k Pa，在樁的前側(cè)最小剪應(yīng)力達(dá)到-10kPa，表明在打樁過(guò)程中要注意觀察和監(jiān)測(cè)樁剪應(yīng)力分布不均造成的不良影響，如裂紋、斷裂等缺陷產(chǎn)生等。對(duì)比上述3.2節(jié)基礎(chǔ)樁塑性變形，樁剪應(yīng)力分布與塑性變形分布，具有內(nèi)在的相似性和關(guān)聯(lián)性。

圖5 模型剪應(yīng)力分布

3.4 基礎(chǔ)樁Mises應(yīng)力分布

在樁基礎(chǔ)施工中，基礎(chǔ)M ises應(yīng)力分布如圖6（a）所示，M i s e s應(yīng)力分布于樁四周，由于受到樁位移的變化和擠壓力作用，且存在繞過(guò)樁向右側(cè)土體移動(dòng)變化趨勢(shì)，表明土體在一定區(qū)域范圍內(nèi)將承受Mises應(yīng)力分布影響，Mises應(yīng)力最大值73.98kPa，分布于樁的右側(cè)。樁的Mises應(yīng)力變化如圖6（b）所示，在樁的前側(cè)和后側(cè)Mises 應(yīng)力達(dá)到最大值為24.98kPa，但是與圖6（a）比較，樁的Mises最大應(yīng)力分布與土體Mises最大應(yīng)力分布區(qū)域并不重合，與樁的塑性變形云圖分布如圖4（b）有相似分布，所以在樁基礎(chǔ)施工中，應(yīng)注意觀測(cè)樁基礎(chǔ)前側(cè)和后側(cè)變形數(shù)據(jù)值，從而確保樁基礎(chǔ)的隱蔽施工質(zhì)量，不留下后續(xù)重力式擋土墻承臺(tái)施工質(zhì)量缺陷的隱患。

圖6 模型Mises應(yīng)力分布

3.5 樁的位移變化與接觸壓力

樁基礎(chǔ)的位移變化會(huì)產(chǎn)生接觸應(yīng)力的不同分布，如圖7（a）所示，在該圖中樁的Magnitude水平位移在樁的右側(cè)呈現(xiàn)最大區(qū)域，而在樁左側(cè)的水平位移的變化則相對(duì)較小，樁的前側(cè)和后側(cè)的水平位移則變化較小。而水平位移的變化勢(shì)必導(dǎo)致接觸應(yīng)力的改變，如圖7（b）所示，CPRESS接觸應(yīng)力隨著樁位移的改變，接觸應(yīng)力呈現(xiàn)右側(cè)區(qū)域最大，左側(cè)區(qū)域最小，與圖7（a）對(duì)照，左側(cè)位移的變化要比右側(cè)小，同樣樁左側(cè)位移的接觸應(yīng)力要比樁右側(cè)小。由此看出，樁的位移變化與接觸壓力、樁Mises應(yīng)力、樁剪應(yīng)力、樁塑性變形等特征量，具有內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性和相互制約性。

圖7 樁位移與接觸應(yīng)力

3.6 計(jì)算樁水平極限承載力

航道邊坡在水平位移一定的條件下，其基樁離坡腳愈近，水平承載力將會(huì)愈大。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，用有限元方法和p-y曲線對(duì)水平承載樁進(jìn)行了樁－土共同作用的非線性分析研究，可以得出一個(gè)新的樁－土相互作用的單元計(jì)算模型[8-9]。在交通運(yùn)輸部水運(yùn)工程樁基礎(chǔ)的檢測(cè)項(xiàng)目中，對(duì)于樁水平極限承載力的施工規(guī)范，則表述為混凝土樁表面不應(yīng)有裂縫樁、拼接樁的接頭接點(diǎn)處理應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求[10]。由此可見(jiàn)，樁水平位移與極限承載力是樁基工程的重要設(shè)計(jì)與施工參數(shù)[11-13]。在基礎(chǔ)土體中，由于樁的作用而產(chǎn)生水平位移，便會(huì)相應(yīng)在樁節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生水平方向的約束力R F1和R F 2，在本研究中為了簡(jiǎn)化模型約束力計(jì)算，只取RF1為研究對(duì)象計(jì)算水平約束力，則樁的水平承載力可以由截面所有節(jié)點(diǎn)RF1的矢量和得出總的極限承載力。如圖8所示，在該圖中變化曲線隨著打樁施工開(kāi)始到打樁結(jié)束，極限承載力由0到98k N的變化，在超過(guò)80s時(shí)，水平承載力的變化極小，表明在水平承載力處于極限狀態(tài)且能保持穩(wěn)定。

圖8 樁的水平承載力變化

4.結(jié)論

淺表層為非飽和土，深層為飽和黏土在蘇北地區(qū)分布較為廣泛。在航道治理中的邊坡?lián)跬翂痘A(chǔ)，需要涉及設(shè)計(jì)、施工與監(jiān)理工作流程，通過(guò)本研究樁基礎(chǔ)模型得到以下結(jié)論：

（1）樁基礎(chǔ)的沉降量與樁的位移變化而產(chǎn)生的本構(gòu)接觸應(yīng)力、Mises應(yīng)力、塑性變形關(guān)聯(lián)，在常規(guī)航道擋土墻樁基礎(chǔ)參數(shù)下，得到了隨著施工時(shí)長(zhǎng)與樁水平極限承載力的變化曲線，且在施工超過(guò)80s時(shí)，水平承載力的變化極小，在樁基礎(chǔ)施工組織設(shè)計(jì)中需要制定相應(yīng)施工質(zhì)量管控措施。

（2）由于擋土墻的樁分布設(shè)置陣列成梅花型，與土體構(gòu)成本構(gòu)關(guān)系中接觸應(yīng)力、Mises應(yīng)力、塑性變形也會(huì)相應(yīng)變化，樁基礎(chǔ)的水平承載力也會(huì)進(jìn)一步提高，則樁基礎(chǔ)的沉降量整體一致性要加以控制，滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）為了有效防止PHC樁在施工中的開(kāi)裂缺陷，應(yīng)在施工組織設(shè)計(jì)中制定樁在深度處土體的剪切屈服阻力保持穩(wěn)定的措施，這也是控制樁基礎(chǔ)的沉降量高效工法。