基于PHC管樁復合地基處理橋頭軟基數值模擬分析

張定權

[上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司,上海市 200092]

0 引 言

我國的地質條件錯綜復雜,分布有大量工程性質較差的軟土,當軟土以建筑環境或地基夾層存在時,會對工程建設造成安全隱患。軟土的工程性質較差,具有承載力低、受荷后變形大、欠固結等特征,通常不被作為天然地基[1],地基土固結和蠕變的耦合效應導致了軟土變形,當土體具有良好的排水條件和較大固結壓力時,土體的蠕變效應可以被固結效應弱化,總變形可在固結過程中完成,降低加荷速率能減小土體變形的時效性和提高土體穩定性[2],在工程建設前期,必須考慮軟土的變形特性[3]。橋頭構筑物中,臺背與橋臺路面是兩個差異性較大的結構體系,由于臺背與橋臺路面較大的剛度差異,行車荷載使得基層、墊層的壓實度快速增大,路面結構壓縮明顯,而橋臺的固結沉降穩定,二者的沉降差易造成橋頭跳車的危害。[4]

國外對過渡段的橋頭病害進行了研究,提出了控制沉降差、緩解路橋剛柔突變等措施[5],國內學者認為路橋過渡段設計應保證路基具有足夠大的剛度同時適當降低路面剛度,路基反應模量應大于20 MPa/m[6],或可通過回填膨脹性混合土來修復路橋過渡段病害[7]。目前,常見的軟土地基處治方式主要有強夯法、拋石擠淤、堆載預壓、排水固結法、復合地基法等,其中管樁復合地基因具有施工速度快、承載力高等優勢被廣泛應用于軟土地區。[8]PHC管樁承載能力高,豎向荷載較小時,樁身側摩阻力承擔了樁頂荷載,當超過側摩阻力所能提供的極限值時,樁身會被刺穿,通過對軟土地基進行預加固處理,可以有效提高樁基的豎向承載力。[9]地基土的固結狀態也會影響樁基動剛度的變化,固結圍壓較大、固結度較高時,小振幅的循環荷載能夠使得樁周土體硬化,動剛度增加,樁土系統抗弱化能力提高。[10]為了保證橋頭構筑物的穩定,減輕橋頭病害影響,本文通過有限元數值模擬分析了復合地基沉降變形特性,為軟基的處理提供了依據。

1 工程概況

西洞庭湖區高速公路項目所在地帶為洞庭湖平原地貌,地形起伏小,相對高差為2～5 m,地面高程一般為27.9～32.3 m,軟土分布廣泛 主要土層中,粉質黏土、粉砂、泥質粉砂巖(中風化)的fa0值分別為180 kPa、110 kPa、400 kPa。

本文依托西洞庭湖區高速公路工程,項目沿線土質分布主要為軟土、致密粉砂、泥質粉砂巖(中風化),其中,中風化泥質粉砂巖力學性質較好,承載能力較高,作為端承樁的基礎持力層。軟土工程性質較差,在震動作用下,易產生側移、不均勻沉降等病害,會對路基及構筑物安全性產生較大的影響,因此對軟土地基的處理是尤為重要的。

2 有限元模型建立

2.1 模型參數

ABAQUS有限元軟件中包含孔壓單元,能較好分析土的應力耦合、滲流問題,同時考慮土的側向變形。目前,在有限元軟件中利用實體群樁單元實現含結構物的軟基高速沉降與固結特性分析較為困難,需對復合地基參數取值進行簡化,通過側限壓縮和三軸壓縮試驗數值模擬得到PHC管樁復合地基等效修正劍橋參數。本文將臺后50 m劃分為橋頭加密區與橋頭過渡區。所用PHC管樁的樁長、樁間距和樁徑分別為20 m、2.2 m、0.3 m和20 m、2.4 m、0.3 m。通過側限壓縮和三軸壓縮數值模擬試驗簡化得到PHC管樁復合地基等效修正劍橋參數,考慮到文章篇幅,試驗過程不做具體贅述。模型所用其他材料參數:①墊層,E=5×104kPa,μ=0.25;②搭板,E=3×107kPa,μ=0.3;③臺后回填土,E=1.75×104kPa,μ=0.3,c=28.6 kPa,φ=31.5;④路基填土,E=1.18×104kPa,μ=0.3,c=26.2 kPa,φ=26.3。

2.2 軟土地基沉降計算理論

軟土地基沉降計算,包括沉降量計算和固結理論。沉降量按變形分為初始沉降、固結沉降和次固結沉降。初始沉降是由于土骨架畸變和土瞬時壓縮產生;固結沉降是土體在荷載作用下孔隙水被擠出而產生滲透固結的效果;次固結沉降是地基孔隙水基本停止擠出后,土顆粒和結合水之間剩余應力調整而引起的沉降。

太沙基固結理論只在一維情況下是精確的,對二維、三維問題并不精確。比奧(Biot)1840年從連續介質的基本方程出發,從較嚴格的固結機理出發推導了準確反映孔隙壓力消散與土骨架變形相互關系的三維固結方程,一般稱為真三維固結理論。比奧固結理論直接從彈性理論出發,滿足土體的平衡條件、彈性應力-應變關系的變形協調條件,此外還考慮了水流連續條件。比奧固結理論是描述沉降與時間關系的理論,包括了太沙基固結理論和Biot固結理論,Biot固結理論全面地考慮了水的滲流和土的變形二者耦合問題,是較完善的多維固結理論。

本文有限元模型的建立主要依據比奧固結理論、軟土地基沉降計算理論,采用有限元法計算固結沉降,計算公式如下:

S(t)=Sd(t)+Sc(t)+Ss(t)

(1)

式中:S(t)為路基在t時刻的總沉降量;Sd(t)為路基在t時刻的初始沉降量;Sc(t)為路基在t時刻的固結沉降量;Ss(t)為路基在t時刻的次固結沉降量。

2.3 模型建立

依托實際工程,建立路橋過渡段三維模型,臺后采用倒梯形結構形式,臺后軟土地基分橋頭過渡段和橋頭加密段進行處理。模型中土體劃分為路基、墊層、PHC管樁復合地基、粉砂層、泥質粉砂巖。換填區底面寬3 m,頂部寬15 m,臺身總高度為6.7 m,承臺高度為1.5 m,橋樁長取50 m,路面層厚度為0.7 m,路基換填高度取6 m。

本文模擬現場分層填筑過程,考慮到模型復雜程度,分3層進行填筑,每層土填完后,預留足夠時間固結,為了更貼合實際,本文預壓時間取6個月。在模型中,將地基底部施加全約束,其余部分施加水平約束,頂部為自由面,只考慮上部填土引起的應力位移變化,假定地基頂部排水,底部與兩側均不排水。

2.4 初始應力狀態分析

橋臺結構物在自重條件下會出現沉降現象,此時的狀態不是平衡狀態,利用有限元進行模擬之前,需要先進行初始應力狀態分析,對橋臺結構物的初始應力狀態進行分析。巖土介質中的應力,是在長期重力作用下逐漸固結沉降后形成,其初始變形狀態與建立模型之時不同,因此在利用有限元數值模擬軟土固結沉降時,應先賦予模型一個初始應力,以保證變形不會過大,使地基在加荷之前處于穩定狀態。

3 數值模擬分析

3.1 豎向位移分析

對臺后過渡段不同處理參數下縱橫向變形特性進行分析前,選取臺后7 m、27 m、47 m三個位置斷面,即y=7 m、27 m、47 m,分析不同處理參數下地基及路基的縱橫向沉降變形特。路基沉降主要是由于地基的下沉所導致,在填筑期間,填土荷載作用使得地表中心產生較大沉降,隨著填筑的進行,沉降由地基中心位置向兩側逐漸減小,位于路肩兩側地基沉降值最小。距離臺背位置不同,沉降差值也不同,距離橋臺結構物越遠,沉降差值越大。距離臺背7 m處差異沉降為2.9 cm,距離臺背47 m位置差異沉降為3.99 cm,二者相差1.09 cm,在可控范圍之內。

地基沉降主要產生在路基土分級加載下,各施工階段沉降變化趨勢大致相同,填筑開始至施工結束沉降增長較快,運營期間沉降增長較緩。路基沉降變化曲線以路基中部為對稱軸,左右兩側沉降數據大致呈成對稱分布,整體表現出“盆形”趨勢,能發現距離臺背越近沉降值越小,表明靠近橋頭加密區的軟基處理效果更佳。

3.2 水平位移分析

在外荷載作用下,地基會產生一定水平位移。繪制水平位移隨深度變化的曲線,如圖1所示。

圖1 坡腳下不同深度水平位移變化曲線

地基整體水平位移變化呈現“弓形”趨勢,地基最大水平位移出現在坡腳下6.8 m處,這與現場實測一致。填筑期隨著填土荷載增加,土中應力也逐漸接近地基土的極限抗剪強度,塑性變形加快,水平位移逐漸增大,最大值為5.46 cm,預壓完成時最大水平位移為6.67 cm,水平位移增長了22.16%,工后15年最大水平位移達到了6.99 cm。從數值看,水平位移逐漸趨于穩定,表明PHC管樁復合地基能有效減小軟土地基的水平位移。

3.3 橋臺及樁基礎應力、彎矩分析

路基土填筑會對橋臺及樁基礎產生一定擾動,地基土側向流動會對其產生沿向橋臺前方的推擠,對橋臺樁基礎的受力變形產生一定影響。為了便于分析,對橋臺樁基進行編號,靠近路基填土一側為前排樁,編號從左至右依次為1、2、3、4,遠離路基一側為后排樁,編號依次為5、6、7、8,橋臺及樁基礎的應力、彎矩變化如圖2、圖3所示。

圖2 水平應力沿臺身高度分布曲線

圖3 樁身彎矩變化曲線

在填筑過程中,臺背整體處于受壓狀態,沿著臺身高度從下往上臺背側向土壓力逐漸減小,承臺底部水平應力最大,填筑荷載增加,底部水平位移向上擴展,而上部土體壓縮較弱,荷載主要傳遞到承臺底部,從而水平應力表現出底部向上逐漸減小,施工完成后,水平應力繼續發展,行車荷載使得土體持續壓縮,水平應力增大。

在臺后路基填筑荷載作用下,前排樁最大彎矩值位于1號和4號樁,后排樁最大彎矩值位于5號和8號樁。前排樁臨近路基填土一側,樁身彎矩較大值集中在頂部軟土區域內,由于樁基頂部有承臺約束,樁頂彎矩會逐漸減小,中風化泥質粉砂巖區域在土體擠壓下樁身彎矩逐漸趨于平穩,樁底部進入了持力層,在持力層約束作用下樁身彎矩變化會出現拐點。對比前后排樁樁身彎矩差異值,可見前排樁頂部軟弱土區域內彎矩最大值要小于后排樁,而樁身中部彎矩值前排樁大于后排樁。

4 結 論

本文采用數值模擬的方法,分析了PHC管樁復合地基處理橋頭軟基的沉降變形特性,結論有:

(1) 有限元能較好模擬軟土的流固耦合及滲流問題,為軟基的處理提供了技術依據。

(2) 臺后路基土在填筑荷載作用下,軟土地基固結時間較長,路基填筑初期,路基頂面沉降變化速率較大,橫斷面方向沉降呈現“盆形”變化,地基土水平位移表現出“弓形”變化。

(3) 地基土受到路基填筑荷載作用而產生側向流動,對樁基產生推擠,危害了橋臺安全。臨近路基填土一側前排樁受到的影響大于后排樁,前排樁對地基土側移具有一定阻礙作用,減小了對后排樁的推擠。

(4) 橋臺水平應力沿著臺身高度向上逐漸減小,最大水平應力位于承臺底部。為保證結構物安全,應控制土體壓縮沉降,以加強對軟弱土地基處理效果。