軟土地基條件下樁基框架結(jié)構(gòu)堤防施工階段分析

張 曄，胡曉明

（1.浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全監(jiān)督管理中心，浙江 杭州 310012；2.浙江廣川工程咨詢(xún)有限公司，浙江 杭州 310020）

浙江省甌江、椒江等強(qiáng)潮河口段堤防建設(shè)普遍面臨堤前灘地窄，岸坡較陡，沖刷嚴(yán)重，地基土軟弱且土層深厚等不利條件。自2000年以來(lái)，以溫州市甌江兩岸為代表，樁基礎(chǔ)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)堤防得以逐步實(shí)踐運(yùn)用[1]，特別是透空平臺(tái)式框架結(jié)構(gòu)堤對(duì)比傳統(tǒng)土石堤具有斷面小、沉降小，且基本不影響行洪、航運(yùn)等優(yōu)點(diǎn)，有利于減少拆遷，方便岸線(xiàn)開(kāi)發(fā)和利用。目前現(xiàn)行的GB 50286 — 2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 51015 — 2014《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》等規(guī)范對(duì)樁基框架結(jié)構(gòu)堤防的受力和變形計(jì)算未做明確的規(guī)定和說(shuō)明，設(shè)計(jì)往往忽略樁、上部結(jié)構(gòu)及土體的相互作用和影響，工程實(shí)踐中出現(xiàn)了一些如結(jié)構(gòu)變形大、裂縫等現(xiàn)象。因此，有必要開(kāi)展軟土地基條件下樁基框架結(jié)構(gòu)堤防的受力、變形研究。本文以溫州市某樁基框架結(jié)堤防工程為例，結(jié)合已有的研究成果[2-5]，運(yùn)用Midas NX有限元軟件建模，模擬施工階段流程，整體分析堤防的受力和變形特點(diǎn)，并提出相應(yīng)設(shè)計(jì)建議。

1 工程概況

某樁基框架結(jié)構(gòu)堤防建于軟土地基灘涂面上，建基面高程-6.00 ～ -3.00 m（1985國(guó)家高程基準(zhǔn)），涂面以下分別為：粉砂夾淤泥、淤泥、淤泥質(zhì)黏土、含砂淤泥質(zhì)黏土和卵石層，軟土層厚度40 ～ 50 m。堤防工程等級(jí)為II級(jí)，防潮標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇。其斷面設(shè)計(jì)方案如下：堤防建設(shè)結(jié)合市政道路和綠化，堤斷面結(jié)構(gòu)從外江側(cè)至內(nèi)陸側(cè)分3部分，分別為：樁基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)堤身主體、高樁平臺(tái)市政道路和樁基礎(chǔ)L型擋墻及后側(cè)回填土?？蚣芙Y(jié)構(gòu)堤身分為景觀平臺(tái)和綠化平臺(tái)，基礎(chǔ)均采用φ800 mmC35混凝土鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)50 m，縱向樁間距8 m，其中景觀平臺(tái)區(qū)域樁頂高程1.50 m與C35承臺(tái)梁連接，承臺(tái)梁上部為框架柱至6.90 m高程平臺(tái)，寬7.50 m的平臺(tái)作為堤頂?shù)缆芳媸忻裥蓍e觀景平臺(tái)。景觀平臺(tái)內(nèi)側(cè)為20.00 m寬的綠化帶，樁頂高程4.00 m與C35橫向承臺(tái)梁連接，承臺(tái)梁上部鋪設(shè)0.6 m厚C35預(yù)制空心板，上覆0.6 m厚綠化種植土，頂高程6.40 m。綠化平臺(tái)內(nèi)側(cè)為28.00 m寬雙向4車(chē)道市政道路，基礎(chǔ)采用φ1000 mmC35混凝土鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)50 m，縱向樁間距20 m，樁頂高程4.00 m接C40蓋梁，上部為1.00 m高C50預(yù)制空心板及路面鋪裝，路面高程6.40 m。市政道路內(nèi)側(cè)接L型擋墻，基礎(chǔ)采用φ800 mmC35混凝土鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)45 m，縱向樁間距5 m，樁頂高程1.10 m接L型擋墻底板，L型擋墻內(nèi)側(cè)為防滲閉氣土方及二期吹填砂，頂高程4.50 m。由于建基面高程較低，L型擋墻建于一期吹填砂上，一期吹填砂頂高程1.50 m，外側(cè)為0.80 m高U型板樁，樁長(zhǎng)32.00 m，板樁外側(cè)為吹填砂及拋石護(hù)面鎮(zhèn)壓平臺(tái)，寬15 m，頂高程-1.50 m，外側(cè)為1∶4拋石護(hù)坡至堤腳。斷面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 樁基框架結(jié)構(gòu)堤防典型斷面圖 單位：cm

2 材料參數(shù)及工況模擬

考慮結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性，模型沿堤軸線(xiàn)方向?qū)挾热?5 m，橫斷面方向長(zhǎng)度取220 m，地基土共分5層，總厚度55 m。綠化平臺(tái)種植土、路面鋪裝層、欄桿等按荷載輸入，模型見(jiàn)圖2。

模型中灌注樁采用1D梁?jiǎn)卧?，預(yù)制板樁采用2D板單元，其余土體及上部結(jié)構(gòu)采用3D實(shí)體單元，土體材料采用摩爾-庫(kù)倫土體本構(gòu)模型，其余材料假定為線(xiàn)彈性體。模型參數(shù)參考工程地質(zhì)勘察報(bào)告見(jiàn)表1。地基土層采用地面支撐約束，其他結(jié)構(gòu)和土體采用對(duì)稱(chēng)約束，灌注樁建立豎向繞度約束。為模擬樁土相互作用，建立接觸單元。模型按實(shí)際施工流程劃分為6個(gè)階段（見(jiàn)表2）。

圖2 模型簡(jiǎn)圖

表1 模型主要材料參數(shù)表

表2 施工加載階段劃分表

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 堤防變形情況

各施工階段堤防變形見(jiàn)表3，其中水平變形負(fù)值代表向內(nèi)陸側(cè)變形，豎向變形負(fù)值代表沉降。堤身主體實(shí)施后（施工階段3）堤防變形見(jiàn)圖3、4。從圖3、4和表3可知，堤防的水平變形主要發(fā)生于施工階段1（一期吹填砂實(shí)施）和施工階段3（閉氣土方和二期吹填砂填筑），框架堤身區(qū)域地基土主要表現(xiàn)為向外江側(cè)擠壓，二期吹填砂區(qū)域地基土主要表現(xiàn)為向內(nèi)陸側(cè)擠壓。施工階段5（后期地面填筑）由于距離堤身主體較遠(yuǎn)，對(duì)堤身地基土主要產(chǎn)生向外江側(cè)的擠壓作用，因此后期地面填筑后反而使土體向內(nèi)陸側(cè)擠壓變形值有所下降。施工階段2即灌注樁、上部結(jié)構(gòu)的實(shí)施，帶動(dòng)地基土豎向沉降2.0 cm，水平向變形0.1 cm，施工階段4即景觀綠化覆土、人行、車(chē)輛荷載的施加，帶動(dòng)地基土豎向沉降和水平向變形0.1 cm，說(shuō)明灌注樁打入卵石層的情況下，樁基、上部結(jié)構(gòu)的實(shí)施以及上部荷載的施加對(duì)堤防變形基本沒(méi)有影響。各施工階段水平向最大變形均發(fā)生在板樁處，且板樁左右土體水平變形分布差異較大，說(shuō)明板樁隔離和阻止土體水平變形的效果較為明顯。

圖3 施工階段3堤防水平變形云圖

表3 各施工階段堤防變形表 m

圖4 施工階段3堤防豎向變形云圖

3.2 板樁的受力與變形

設(shè)計(jì)U型板樁樁長(zhǎng)32.00 m，厚0.80 m，打入淤泥質(zhì)黏土層。板樁樁頂及相鄰內(nèi)外側(cè)土體單元的豎向位移見(jiàn)表4。由表4可知，板樁的沉降主要發(fā)生在施工階段1，達(dá)到0.331 m，為總沉降的95.39%。距離板樁30 m的閉氣土方填筑和距離板樁60 m的后期地面填土，對(duì)板樁沉降基本無(wú)影響。由于板樁隔離了內(nèi)外側(cè)土體，板樁兩側(cè)土體沉降差異較大，而板樁頂部與內(nèi)陸側(cè)相鄰?fù)馏w單元沉降差達(dá)0.453 m，表現(xiàn)為板樁與周?chē)馏w明顯的“拉開(kāi)”效應(yīng)，與工程實(shí)際情況相符合。從堤防豎向變形云圖上也可發(fā)現(xiàn)，在填土堆載作用下，表層土體的沉降大于板樁，表現(xiàn)出土體對(duì)板樁的“下拉”作用，而在板樁底部區(qū)域，由于深層土體的沉降較小，表現(xiàn)出板樁對(duì)周?chē)馏w的“下拉”作用，形成“樁土鍥型尖端”區(qū)域。

表4 板樁頂部及相鄰?fù)馏w豎向位移表 m

各施工階段板樁水平位移見(jiàn)圖5。從圖5可知，板樁的水平位移主要發(fā)生在施工階段1，達(dá)到0.392 m，為總水平位移的64.8%，在閉氣土方及二期吹填砂實(shí)施后，板樁最大水平位移達(dá)0.532 m，為總水平位移的88.3%。閉氣土方及后方填土加載對(duì)板樁水平變形的影響遠(yuǎn)大于對(duì)板樁的豎向變形影響，說(shuō)明在軟基條件下填土加荷對(duì)周?chē)鷺?gòu)件的橫向擠壓作用相對(duì)顯著。板樁沿深度方向的水平位移呈現(xiàn)出中間大、兩端小的特點(diǎn)，發(fā)生了“彎曲”，最大水平位移基本位于樁深9 ～ 15 m區(qū)域。

施工階段1（一期吹填砂實(shí)施后），板樁最大主應(yīng)力11.59 N/mm2，位于板樁中部，最大剪應(yīng)力5.70 N/mm2，位于板樁中部。施工階段5（完工后），板樁最大主應(yīng)力15.51 N/mm2，最大剪應(yīng)力7.57 N/mm2，分布位置同施工階段1。說(shuō)明施工階段1是板樁受力的最主要階段。通過(guò)板樁主應(yīng)力求得板樁最大彎矩為1640 kN · m，彎矩偏大，建議類(lèi)似工程中適當(dāng)加大板樁厚度及加強(qiáng)配筋，提高板樁剛度。

圖5 各施工階段板樁水平位移圖

圖6 板樁最大主應(yīng)力云圖 單位：N/mm2

3.3 灌注樁內(nèi)力與變形

為便于分析比較，在橋梁、綠化平臺(tái)和景觀平臺(tái)的中間跨各取1根樁，在L型擋墻的中間跨前后排各取1根樁，共5根樁做對(duì)比分析。

樁基剪力見(jiàn)表5。由表5可知，施工階段3（閉氣土方及二期吹填砂實(shí)施）是樁基受剪的最主要階段，特別是L型擋墻內(nèi)排樁，樁基剪力達(dá)到124.00 kN，而L型擋墻外排樁剪力為89.00 kN，差距明顯，說(shuō)明在共同承擔(dān)閉氣土壓力的基礎(chǔ)上，內(nèi)排樁額外承擔(dān)了地基土變形所產(chǎn)生的側(cè)向擠壓力。L型擋墻、橋梁、綠化平臺(tái)和景觀平臺(tái)緊貼布置，但各部分為獨(dú)立的受力體系，水平力并沒(méi)有相互傳遞、共同分擔(dān)，值得設(shè)計(jì)人員注意。

表5 各施工階段灌注樁剪力表 kN

灌注樁在打入卵石層后，沉降值較小，最大沉降4.3 cm。各種加載工況下，樁基豎向變形不大。樁基水平位移見(jiàn)表6。由表6可知，堤防灌注樁及上部結(jié)構(gòu)施工完畢后，基本無(wú)水平位移。堤后閉氣土方及二期吹填砂實(shí)施（施工階段3）后，受地基土整體側(cè)向變形的帶動(dòng)作用，各部分灌注樁均產(chǎn)生一定的水平位移，靠近閉氣土方的L型擋墻，樁基水平位移最大，達(dá)0.230 m，發(fā)生于樁深15 m處。

表6 各施工階段灌注樁最大水平位移表 m

3.4 上部結(jié)構(gòu)

后期回填土實(shí)施后，L型擋墻等效應(yīng)力最大值2.53 N/mm2，位于擋墻直立墻外江側(cè)，最小值0.12 N/mm2，位于擋墻底板內(nèi)側(cè)。景觀平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力最大值1.77 N/mm2，位于框架結(jié)構(gòu)外江側(cè)柱身，最小值0.02 N /mm2，位于縱向承臺(tái)梁?？傮w來(lái)看各階段加載后，上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小。L型擋墻與橋梁蓋梁及空心板側(cè)面的接觸區(qū)域、框架結(jié)構(gòu)承臺(tái)梁與框架柱連接處存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，后續(xù)設(shè)計(jì)中可考慮適當(dāng)?shù)臉?gòu)造加強(qiáng)措施。

圖7 L型擋墻等效應(yīng)力云圖 單位：N/mm2

4 結(jié)論和建議

（1）深厚軟土地基條件下，背水坡填筑是樁基框架結(jié)構(gòu)堤防水平變形的最主要因素，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制加載速率，加強(qiáng)觀測(cè)。

（2）板樁對(duì)隔離附加應(yīng)力傳遞，抵抗地基土水平變形有顯著的效果。填土后板樁的變形、受力均較大，設(shè)計(jì)可適當(dāng)加大板樁厚度及配筋，提高板樁剛度和整體性。

（3）填土作用下地基土的側(cè)向擠壓作用主要由鄰近的L型擋墻內(nèi)陸側(cè)樁基承擔(dān)，類(lèi)似工程在設(shè)計(jì)中可優(yōu)化樁基布置。

（4）上部結(jié)構(gòu)梁柱連接處、擋墻與蓋梁接觸面存在局部應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)中可采用構(gòu)造加強(qiáng)措施。