長板-短樁法處理吹填土地基的沉降特性研究*

董必昌 田智睿 張鵬飛 張明軒

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (中國市政工程中南設計研究總院有限公司2) 武漢 430010)

0 引 言

我國沿海地區特有的地形構造和地質特征，近海地區蘊含著大量的海底泥沙，因此頻繁的使用吹填造陸等工程手段實現向海洋攝取土地資源就成了沿海地區的一種常見現象.綜合考慮經濟與時間成本的問題，對于大面積的圍海造陸工程而言，吹填型填海造陸已成為了應用最為廣泛且效果較好的方法之一.

目前，學者針對采用吹填工藝形成的地基已經做了許多調查研究，劉瑩等[1]從不同地區吹填土的礦物組成、物理化學成分、結構強度、加固特性等方面進行了對比研究.朱熹文[2]分析了淤泥質飽和土滲透系數，總結了涵蓋高含水率情況的淤泥質飽和土滲透系數的經驗公式.Chen等[3]采用有限元法對吹填土固結、彈塑性、蠕變等特性的相互效應進行了分析.從這些研究成果可以看出，大部分研究重點側重于吹填土自身的物理力學特性或吹填土真空聯合堆載預壓加固特性的研究，而針對吹填土表層地基經真空預壓后再用粉噴樁復合地基聯合塑料排水板進行堆載預壓的加固沉降特性研究較少.然而，近年來在實際工程中，由于經濟效益和時間效益較好，此種針對吹填土地基的樁-板加固方法已得到了廣泛應用[4].針對這種理論研究遠遠落后于工程實踐的現狀，非常有必要針對樁-板加固的吹填土復合地基沉降特性進行研究.

本文依托溫州市域鐵路S1號線靈昆維修基站地基加固工程，通過現場試驗、理論分析，以及數值仿真等手段，研究典型的沿海圍海造陸新區表層吹填土經真空預壓加固后，采用攪拌粉噴樁復合地基和塑料排水板聯合攪拌粉噴樁復合地基兩種處理方式在堆載預壓下的沉降特性以及影響因素.

1 工程概況

擬建場區位于灘涂淺海區，是通過吹填造陸形成的新型工業區，該地區廣泛分布第四系沖海堆積層，軟土地層普遍發育，強度低，厚度大，工程地質條件差，地基土主要為淤泥、淤泥質黏土、黏土和粉土等.其中長板-短樁加固區域寬20.5 m，影響區域寬80 m，總寬度為100.5 m，填料高度1 m，填土高度3.5 m，分二級填筑，填土加載曲線見圖1.地基處理斷面樁與板平面布置采用正方形，二者成兩行交錯布置，其中雙向攪拌粉噴樁長16 m，樁間距1 m；塑料排水板截面尺寸為100 mm×4 mm，板長30 m，板間距1 m，通水量qw為1.26×103m3/年.

圖1 荷載步加載曲線

2 長板-短樁數值模擬

聯合處理加固斷面為市域鐵路維修基站內有咋軌道段，堆載土體呈條形荷載，填土在軌道軸向上延伸很遠，可簡化為平面應變模型進行二維有限元計算.在進行二維平面有限元計算時，需對模型進行合理的等效和簡化[5-7].

2.1 材料模型

地基土和堆載填土假定為理想彈塑性材料，均采用Mohr-Coulomb模型，該模型的計算參數由室內試驗得到；攪拌粉噴樁假定為線彈性材料.因室內試驗結果表明表層新近吹填淤泥真空預壓處理后的參數與2-1層淤泥特性相似，故將該層歸為2-1淤泥層計算.具體土層參數見表1，表中參數均取自地質勘察報告.

表1 土層原始參數

2.2 塑料排水板簡化

擬建場區處于軟土層深厚的吹填新區，打入的攪拌粉噴樁懸浮于深厚軟土層之中，若欲將其加固方式等效為平面固結沉降問題進行計算，因吹填淤泥滲透性極差，則粉噴樁底面地層處于不透水狀態，可視為單面排水.從宏觀意義上看，在土中打入塑料排水板的處理效果在于提高了土體的豎向滲透系數，模擬時可采用等效的豎向滲透系數kve替代原土層豎向滲透系數kv和水平滲透系數kh[8].因此本文基于雙層地基固結理論，將塑料排水板固結區域土層滲透系數等效轉化，完成將三維問題轉換為二維平面問題.采用鄧永鋒等[9]提出的關于PVD加固地基等效豎向滲透系數的轉化公式.

(1)

(2)

式中：l為土層豎向有效排水長度，單向排水時有效排水長度取塑料排水板長度，透水邊界雙向排水時有效排水長度取塑料排水板長度一半；De為塑料排水板的影響直徑，De=2R；n=R/rw為井徑比；qw為塑料排水板年均通水量，m3/年.

2.3 攪拌粉噴樁簡化

對于正方形布置的攪拌粉噴樁，在土體中樁是呈空間分布的，若直接將其參數運用到二維數值模擬中，則會在平面模型中沿斷面方向形成一條條強度很高、滲透性很小的墻體.這樣模擬出來的結果會與實際情況有很大差異，所以在模擬過程中需要對樁體參數進行折減.本文采用對樁身強度和滲透系數進行折減的方法解決攪拌粉噴樁的平面轉化問題[10].

1) 樁身強度的折減 按照樁間距對樁身強度進行折減，假定換算后等效樁體在豎向上受壓均勻，樁、樁間土和等效樁具有相同的豎向壓縮應變εz，由應力-應變關系得：

在自由供水階段，機械化的施工手段和測量儀器廣泛用于水利建設和水資源管理，大大提高了水資源的開發能力和水文的監測精度，為精確調控水資源提供了技術支撐。然而，在中國許多農村，水流的測量還主要通過目測或估算進行，已經不能適應人水關系發展對機械化生產力的要求。

σpz=Epεz

(3)

σsz=Esεz

(4)

(5)

由力的平衡條件σpz，σsz，σcz有，

(6)

式中：d為樁間距；D為樁徑.

聯立式(3)～式(6)可得：

(7)

樁身強度折減見圖2.

圖2 樁身強度折減圖示

2) 樁體滲透系數的折減 取等效樁頂面以下z深度處一微元體進行分析，在一維滲流固結中微元體水量變化為

(8)

對等效樁微元土體

(9)

式中：ksz為土體豎向滲透系數.

由于樁體的滲透系數為土體的0.1%～0.01%，樁體的透水量可以忽略，此時等效qc=qs，hc=hs，由此等效樁體滲透系數為

(10)

2.4 計算模型

對于平面應變問題，考慮到所取斷面為對稱的，因此取地基橫斷面的一半進行模擬分析.建立圖3的有限元模型圖.加固區寬10.25 m，影響區域寬40 m，總寬度為50.25 m；地基土總體劃分為4層，總深度取70 m；堆載填土及路面填料劃分為3層，高度為4.5 m，加載計劃與圖1荷載步加載曲線對應.地表以下0～16 m范圍內布置了水泥攪拌粉噴樁，樁體采用等效樁彈性模量和等效樁滲透系數，等效樁體參數見表2；0～30 m是塑料排水板處理范圍，該范圍內土層豎向滲透系數采用等效土體滲透系數，等效土體參數見表3.

圖3 計算模型及網格劃分

表2 雙向攪拌粉噴樁參數

表3 土層等效滲透系數

有限元計算類型采用ABAQUS內自帶的流固耦合計算單元，固結理論為Terzaghi一維固結理論，計算時長為300 d.

為了更加清楚認識攪拌粉噴樁和塑料排水板在長板-短樁聯合處理地基中的作用，本文還進行了不同工況的假定對比計算：工況Ⅱ，僅設置16 m長攪拌粉噴樁；并將上述不同工況計算結果同工況Ⅰ進行比較.

3 數值模擬結果分析

3.1 長板-短樁計算結果分析

沉降是土體變形的重要指標之一，是加固區域土體固結程度、加固效果和地基承載力的重要判別依據[11].經過長板-短樁處理后的吹填土地基總沉降曲線見圖4.由圖4可知，現場實測曲線與模擬曲線變化趨勢基本一致，數值分析模擬出斷面沉降最大值位于道路中心處，為336 mm，現場實測地基沉降的最大值也位于道路中心處，為317 mm，兩者誤差不超過10%.這表明仿真模型各項參數設置的合理性，能夠取得較為準確的仿真結果.

圖4 斷面中心地基沉降對比

圖5為吹填土長板-短樁復合地基沉降云圖.由圖5可知，靠近加固區中心點的沉降達到最大值，隨著時間發展到加載結束時最大沉降為336 mm，離堆載預壓中心軸線越遠，地基沉降減?。辉诩庸虆^外側從圖中還能看出地表有一定的隆起現象，地表的隆起現象也隨著時間發展，最大值達到111 mm.模擬結果中地表隆起數值較大，較大原因是吹填土地基處于流塑狀態，土質較差，壓縮性高、觸變性和流變性高，當加固區域向下沉降時部分土體向側向移動且實際場地為廣袤平原，本模型影響區范圍取為加固區范圍4倍，與實際情況具有一定差別.從沉降云圖中還能看到，在加固區沉降等值線是較為稀疏的，而樁端下部土層等值線突然密集，這說明加固區樁間土體壓縮變形不大，與樁體協同沉降變形為主，固結沉降壓縮變形主要發生在下臥層的排水板加固區，與實測值深層沉降規律相吻合.

圖5 復合地基沉降云圖

圖6為吹填土長板-短樁復合地基側向位移云圖.由圖6可知，最大側向位移發生在地表下0～10 m處，側向位移為50 mm.隨著深度的增加，各地層沉降減少，引起的側向位移也降低.側向位移的模擬結果與實際監測數據變化規律基本一致.

圖6 側向位移云圖(堆載300 d)

在長板-短樁吹填土復合地基固結沉降分析中，超孔隙水壓力的增長與消散規律也是土體沉降的一個重要指標[12].圖7a)為堆載預壓土體剛好完成填筑(堆載預壓120 d)時的孔隙水壓力云圖，可以看出在堆載預壓過程中長板-短樁吹填土地基內部產生了超孔隙水壓力，且最大值達到35.23 kPa，位于雙向攪拌粉噴樁下部區域，之后超孔隙水壓力隨著土體固結沉降的進行開始逐漸消散，有效應力增加，地基承載力逐步提高，符合有效應力原理，見圖7.

圖7 孔隙水壓力云圖

圖8為施工期加載中和堆載300 d時吹填土復合地基豎向應力云圖.由圖8可知，在樁體處出現了明顯的應力集中效應，樁體部分應力大于同深度土體應力，即相比于單位面積的同層土體，樁身承擔了更大的荷載.

圖8 復合地基豎向應力云圖

3.2 不同工況沉降規律對比

取樁長16 m，樁間距1 m時的長板-短樁復合地基和攪拌粉噴樁復合地基兩種工況進行固結沉降對比分析.不同處理方案下地基沉降規律對比見圖9～10.

圖9 不同工況沉降曲線對比

圖10 不同工況沉降云圖

由圖9可知，攪拌粉噴樁復合地基最大沉降為307 mm，比長板-短樁復合地基減少了30 mm，是新型復合地基的91.1%，兩者沉降變化趨勢基本相同.由此可知，當在外在條件相同時，長板-短樁復合地基在堆載預壓期間的沉降大于攪拌粉噴樁復合地基的沉降，表明在懸浮短樁間插入塑料排水板能夠加快施工期間土體的固結沉降，加快地基土體排水固結速率，使地基沉降更快完成，增加施工期沉降，有利于減少工后沉降.由此長板-短樁聯合堆載預壓法在工后沉降要求嚴格的高速鐵路項目中比起傳統的攪拌粉噴樁復合地基法具有明顯的優勢.

4 結 論

1) 通過對粉噴樁樁身強度和滲透系數進行折減，塑料排水板加固區滲透系數等效轉換，將三維問題轉化為二維問題，計算結果與實測結果一致，因此該方法具有可行性.

2) 隨著堆載預壓的進行，長板-短樁復合地基最大沉降產生于斷面道路中心處，為336 mm，現場實測地基沉降的最大值也位于道路中心處，為317 mm，兩者誤差不超過10%.最大側向位移產生于堆載土體坡腳處底部，最大側向位移發生在地表下0～10 m處，側向位移為50 mm.隨著深度的增加，各地層沉降減少，引起的側向位移也降低.

3) 長板-短樁復合地基產生的最大超靜孔隙水壓力位于攪拌粉噴樁下部區域，最大值達到35.23 kPa，之后超靜孔隙水壓力隨著土體固結沉降的進行逐漸消散，有效應力增加，地基承載力逐步提高.

4) 當其他外在條件相同時，傳統攪拌粉噴樁復合本相同，粉噴樁復合地基最大沉降為307 mm，比長板-短樁復合地基減少了30 mm，是新型復合地基的91.1%，其表明在懸浮短樁間插入塑料排水板能夠加快施工期間土體的固結沉降，提高地基土體排水固結速率，使地基沉降更快完成，增加施工期沉降，有利于減少工后沉降；長板-短樁聯合堆載預壓法在工后沉降要求嚴格的高速鐵路項目中比起傳統的攪拌粉噴樁復合地基法具有明顯的優勢.