深厚軟土上新建大堤對高樁承臺結(jié)構(gòu)的影響分析

劉術(shù)儉，唐慧燕，顧寬海，張逸帆

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032）

引 言

高樁承臺結(jié)構(gòu)是由承臺、樁基組合而成，且承臺底面高于地面的一種結(jié)構(gòu)型式。在深厚軟土地基工程中，往往因地基土工程性質(zhì)差，堆載使土體發(fā)生較大的側(cè)向位移，從而對鄰近構(gòu)筑物的樁基產(chǎn)生較大影響，主要包括兩方面：一方面在樁上發(fā)生負(fù)摩擦阻力，這增加了樁的豎向荷載并導(dǎo)致不均勻的沉降；另一方面，造成樁基產(chǎn)生較大的位移和彎矩，使上部結(jié)構(gòu)功能失效甚至塌陷[1-3]。

對于這類問題，大多采用數(shù)值計算方法來進(jìn)行評估計算，并己取得了不少研究成果，謝家畢[4]等人運用有限元法計算了樁基在大面積堆載情況下的地基沉降及樁身的變形情況，得出在軟土地區(qū)堆載會致使地基下沉及樁身變形，引起建筑物傾斜的結(jié)論；陳星星[5]運用Geostudio軟件進(jìn)行分析，認(rèn)為大面積堆載作用下致使樁身變形，作用在臨近樁基上的水平荷載增大，對臨近樁基安全有著重要影響；王劍文[2]認(rèn)為樁側(cè)軟基沉降的大小對樁基位移有直接影響，樁身彎矩與堆載大小、樁長等因素關(guān)系較大。但是目前學(xué)者的研究主要集中在既有地基上水平荷載及上部堆載對樁基變形的影響，有關(guān)新建大堤前構(gòu)筑物在土體不同固結(jié)度工況下的變形和內(nèi)力變化情況以及不同本構(gòu)模型、彈性模量、樁基斜度等對結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力的影響研究還較少。因此，其進(jìn)一步的深入研究，對確保結(jié)構(gòu)的使用安全具有十分重要的意義。

本文以澳門某堆填區(qū)項目為依托，基于深厚軟土層，以新建大堤根部高樁承臺結(jié)構(gòu)為對象，運用三維有限元軟件PLAXIS 3D分析新建大堤及后方堆載對高樁承臺結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力的影響，并在此基礎(chǔ)上，研究不同土體本構(gòu)模型、彈性模量及樁基斜度對結(jié)構(gòu)的影響，其結(jié)果可為今后類似工程設(shè)計提供參考。

1 工程概況與場地條件

澳門某堆填區(qū)鄰近澳門國際機(jī)場，每年接收超過250萬m3海泥，海泥屬于可利用資源，可考慮為未來周邊工程進(jìn)行陸域回填。海泥拋填坑寬約120 m，長約280 m，一長邊緊鄰后方廢料堆載區(qū)，其它三面是新建圍堤，圍堤總長640 m。為配合海泥的再利用，圍堤外擬建裝船機(jī)墩臺3座，采用高樁承臺結(jié)構(gòu)，承臺下設(shè)置6根鋼管樁，堤側(cè)樁基斜度為5：1，海測樁基斜度為4：1。坑內(nèi)海泥堆高約6.1 m，使用期由帶式輸送裝船機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行裝卸、運出至駁船。

工程設(shè)計高水位為1.22 m，設(shè)計低水位為-1.08 m（以當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵鏋榛鶞?zhǔn)，下同），施工水位為0.07 m。擬建場地土層自上而下主要分布為Ⅰ2雜色素填土、Ⅱ1灰色淤泥、Ⅲ1-1灰黃～灰白色粉質(zhì)黏土、Ⅲ2灰白～灰黃色中粗砂，根據(jù)工程地質(zhì)報告，土體物理力學(xué)參數(shù)取值及其他主要材料參數(shù)取值如表1所示。

圖1 海泥拋填坑平面

圖2 海泥坑及后方堆載典型斷面

表1 地基土體及其他材料物理力學(xué)參數(shù)

2 計算模型的建立

2.1 模型邊界條件

為考慮海泥坑拋填及后方大面積堆載對新建大堤根部高樁承臺結(jié)構(gòu)的影響，計算模型范圍取600 m×80 m，底高程取-50 m。四周邊界水平向為位移限值邊界，豎向為自由移動邊界，底部為全約束邊界。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

土體采用正常固結(jié)的HS模型，該模型可以考慮剪切硬化和壓縮硬化，并采用摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則。當(dāng)采用HS模型時，需要土體的割線模量E50、切線模量Eoed和卸載模量Eur以及土體的有效應(yīng)力強度指標(biāo)。但在實際工程中，地質(zhì)勘查報告往往只提供壓縮模量Es、快剪指標(biāo)以及固結(jié)快剪指標(biāo)。根據(jù)經(jīng)驗方法[6]，按照土體的種類，通過壓縮模量Es換算得到土體剛度參數(shù)。

當(dāng)軟土和淤泥壓縮模量Es=2～4 MP時，Es：Eoed：E50：Eur=1：1：1.5：8；

當(dāng)粘土和粉質(zhì)粘土壓縮模量Es=4～8 MP時，Es：Eoed：E50：Eur=1：1：1：3；

當(dāng)砂土壓縮模量Es＞8 MP時，Es：Eoed：E50：Eur=1：1：1：3。

土體固結(jié)快剪指標(biāo)值通常小于土體的有效應(yīng)力強度指標(biāo)值，采用固結(jié)快剪指標(biāo)值代替有效應(yīng)力強度指標(biāo)值計算結(jié)果偏于保守，認(rèn)為是合適的。為使模型更容易計算，中粗砂、拋石材料的有效粘聚力為1 kPa[7]，具體參數(shù)取值詳見表1。

承臺采用板單元進(jìn)行模擬，樁基采用嵌入式梁單元模擬，具體參數(shù)可見表2、3。

表2 板單元參數(shù)

表3 梁單元參數(shù)

2.3 工況模擬

根據(jù)土體固結(jié)度不同，將計算模型分為三種工況，每種工況均將施工過程劃分為若干荷載步進(jìn)行模擬，三維模型示意如圖3。具體工況如下：

1）大堤完全未固結(jié)時打樁，計算流程為：

生成初始應(yīng)力→碎石樁加固地基→建立高樁承臺結(jié)構(gòu)→分三層激活新建大堤→淤泥拋填→后方廢料回填。

2）大堤固結(jié)度為80%時打樁，計算流程為：

生成初始應(yīng)力→碎石樁加固地基→激活兩層新建大堤→建立高樁承臺結(jié)構(gòu)→激活新建大堤第三層→淤泥拋填→后方廢料回填。

3）大堤完全固結(jié)時打樁，計算流程為：

生成初始應(yīng)力→碎石樁加固地基→分三層激活新建大堤→建立高樁承臺結(jié)構(gòu)→淤泥拋填→后方廢料回填。

圖3 三維模型示意

3 計算結(jié)果

3.1 模型驗證

在本工程后方有一條已建的北大堤，其斷面型式、后方使用要求、地質(zhì)條件等與本工程相似。北大堤堤身長期變形監(jiān)測成果顯示，大堤前方堤腳處的水平位移為0.3 m。運用本模型模擬北大堤及后方堆載情況，計算結(jié)果為0.28 m，與實測結(jié)果較為接近，證明本模型是合理的。

3.2 樁基結(jié)果分析

本次研究的高樁承臺結(jié)構(gòu)下設(shè)6根鋼管樁，針對主體結(jié)構(gòu)不變而土體固結(jié)度發(fā)生變化條件下，擬提取堤側(cè)中間部位樁進(jìn)行針對性研究，不同工況下樁基變形和內(nèi)力的分布結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 不同工況下樁基水平位移

圖5 不同工況下樁基彎矩分布

可見，單樁最大彎矩和位移發(fā)生在灰色淤泥層中，且隨著土體固結(jié)度的提高，樁基最大水平位移及變形程度逐漸減小，最大彎矩及變化程度也逐漸減小。

在土體完全未固結(jié)狀態(tài)下打樁，樁頂位移即承臺位移超過30 mm，不滿足工程使用要求，且樁基變形及樁身彎矩過大，樁身結(jié)構(gòu)易破壞。土體固結(jié)一段時間后打樁，承臺水平位移急劇減小，結(jié)構(gòu)趨于安全，當(dāng)土體固結(jié)度達(dá)80%時打樁，承臺變形位移能滿足工程使用要求，樁基結(jié)構(gòu)較為安全可靠。

4 影響因素分析

軟弱地基沉降的大小對樁基變形有直接影響，樁身彎矩與堆載大小、位置、樁長、彈性模量、凈空高度、軟土層厚度和樁頂荷載等因素都密切相關(guān)。本節(jié)重點研究固結(jié)度達(dá)80%時，堤側(cè)中間部位樁的變形和內(nèi)力變化，分析本構(gòu)模型、彈性模量及樁基斜度對結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響。由于承臺與樁基固接，認(rèn)為樁頂位移即承臺位移。

4.1 本構(gòu)模型的影響

土體本構(gòu)模型選取摩爾庫倫（MC）模型，主要材料物理力學(xué)參數(shù)參照上述HS模型，其他條件不變，兩種本構(gòu)模型的結(jié)果對比如表4所示。由表可知，相比于HS模型，MC模型中土體及樁基的位移變形大幅減小。這是由于MC模型不能很好地處理土體卸載特性引起的，很大程度上不能模擬現(xiàn)實土體的變形情況。同時，MC模型中樁基變形和內(nèi)力的結(jié)果也明顯偏小，結(jié)構(gòu)偏于危險。因此，設(shè)計選用HS模型更為合理。

表4 不同本構(gòu)模型計算結(jié)果

4.2 彈性模量的影響

在主體結(jié)構(gòu)及土體其他參數(shù)不變的條件下，改變土體彈性模量計算樁基變形及內(nèi)力，結(jié)果如圖6、7所示。由圖可知，樁基最大水平位移隨著土體彈性模量的增大而減小，相對而言，樁頂位移變化不大；樁基最大彎矩隨著土體彈性模量的增大而減小。彈性模量對樁基的水平位移及彎矩影響較大，而對承臺水平位移影響相對較小。

圖6 不同彈模下樁基水平位移

圖7 不同彈模下樁基彎矩分布

4.3 樁基斜度的影響

在土體參數(shù)及其他條件不變的情況下，僅改變主體結(jié)構(gòu)的樁基斜度，計算樁基的變形及內(nèi)力結(jié)果如圖8、9所示。由圖可知，在深厚軟土地基上，樁基斜率對承臺水平位移影響較大。當(dāng)采用直樁時，樁頂位移過大，易導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，不能滿足結(jié)構(gòu)使用要求。因此，為保證上部結(jié)構(gòu)的安全可靠，在樁身剛度足夠大的情況下，須多方案分析驗算，方可最終確定經(jīng)濟(jì)、合理的設(shè)計斜度。

圖8 不同斜度下樁基水平位移

圖9 不同斜度下樁基彎矩分布

5 結(jié) 語

1）深層軟土地基上新建大堤，土體完全未固結(jié)或固結(jié)度較低時，在堤根部打樁施工結(jié)構(gòu)難以滿足結(jié)構(gòu)安全和使用要求，若要滿足其相關(guān)要求，需待大堤建好后過一段時間再進(jìn)行施工打樁，以確保結(jié)構(gòu)安全可靠。

2）相比于MC模型，HS模型能更大程度上模擬現(xiàn)實土體的變形情況，結(jié)果更為安全可靠；土體彈性模量對樁基的最大水平位移及彎矩影響較大，對承臺水平位移影響相對較小。

3）在深厚軟土地基上新建大堤，其根部打設(shè)高樁承臺結(jié)構(gòu)，樁基斜度對承臺水平位移影響較大，直樁難以滿足結(jié)構(gòu)使用要求。為保證上部結(jié)構(gòu)的安全可靠，在樁身剛度足夠大的情況下，宜采用斜樁。