深厚淤泥地基剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)銜接段差異沉降優(yōu)化控制分析

黃 朝 煊

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，杭州 310002)

0 前 言

伴隨沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，沿海地區(qū)交通道路、灘涂開(kāi)發(fā)以及城建開(kāi)發(fā)等工程大量實(shí)施，而濱海地區(qū)多為深厚淤泥地基，其淤泥土具有含水率高、孔隙比大、壓縮性大以及承載力低等特點(diǎn)，處理深厚淤泥土地基一般常采用排水固結(jié)法和樁基處理法。排水固結(jié)法處理軟土地基經(jīng)濟(jì)實(shí)用，但施工進(jìn)度慢且工后沉降量較大，而樁基結(jié)構(gòu)處理軟土地基工后沉降量小且承載力高，但造價(jià)比排水固結(jié)法更貴。濱海地區(qū)深厚淤泥地基中剛性結(jié)構(gòu)(如鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)、PHC樁結(jié)構(gòu)等)和相鄰柔性結(jié)構(gòu)(采用排水固結(jié)法處理的土石海堤)之間經(jīng)常出現(xiàn)較大的差異沉降，輕則影響工程外觀，重則嚴(yán)重影響整體結(jié)構(gòu)安全，如濱海地區(qū)軟土地基路面與橋臺(tái)之間的差異沉降、圍墾工程中土石海堤與樁基框架海堤之間的差異沉降以及海堤與軟基水閘之間的差異沉降等。

李惠玲[1]、彭良泉等[2]對(duì)堤防結(jié)構(gòu)與橋梁樁基之間安全影響進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算研究；魏汝龍[3]、閆澍旺等[4]利用有限元軟件對(duì)堆載影響下橋墩樁基沉降和水平變位進(jìn)行了計(jì)算研究；王志亮等[5]利用非線性有限元法對(duì)鄧肯-張本構(gòu)模型中影響軟基路堤沉降的參數(shù)分別進(jìn)行數(shù)值敏感分析；Kousik Deb[6]通過(guò)數(shù)學(xué)建模對(duì)加筋樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)中樁土應(yīng)力比等進(jìn)行了研究，Chonglei Zhang等[7]基于相關(guān)工程案例結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)資料對(duì)加筋樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)中“土拱效應(yīng)”進(jìn)行了研究。黃朝煊等[8-10]基于軟土地基排水固結(jié)理論，對(duì)土石海堤中塑料排水板處理地基固結(jié)理論進(jìn)行研究，給出了新的軟土地基總固結(jié)度解析式。

雖然國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者及相關(guān)工程人員對(duì)地基基礎(chǔ)中剛、柔結(jié)構(gòu)之間差異沉降的不利影響已高度重視，一些處理措施和方法雖對(duì)差異沉降控制取得了一定的效果，如采用攪拌樁加固法和簡(jiǎn)支搭板結(jié)構(gòu)等，但仍有不少工程出現(xiàn)差異沉降過(guò)大以至于導(dǎo)致拉裂破壞、滲漏破壞等問(wèn)題，因此，本文結(jié)合我院實(shí)際工程案例，利用大型有限元軟件ABAQUS分別對(duì)幾種新型地基處理結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析，優(yōu)化比選合適的地基處理方案，為類似工程提供技術(shù)參考。

1 工程概況

某圍墾工程圍墾面積0.173 萬(wàn)hm2，為Ⅳ等工程，主要建筑物海堤長(zhǎng)15.9 km，防潮標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，其海堤地基影響深度范圍內(nèi)土體主要為Ⅱ?qū)佑倌?、淤泥質(zhì)黏土，其厚度大，壓縮性大，對(duì)工程有較大影響[11]。

某大橋及接線工程在工程區(qū)縣內(nèi)的路線長(zhǎng)度19.858 km，兩大工程平面存在局部交叉，大橋沿樁基框架海堤跨中上方正交穿過(guò)。

為了控制海堤對(duì)某大橋負(fù)摩擦阻力的不利影響，交叉段海堤(樁號(hào)6+402 m～6+702 m)采用樁基礎(chǔ)混凝土框架結(jié)構(gòu)，其余堤段采用土石海堤結(jié)構(gòu)。

土石海堤結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，堤頂防浪墻頂高程7.1 m，墻高0.8 m，堤頂高程為6.3 m。堤頂總寬6.0 m，堤身外坡自堤頂高程起以1∶0.4的C25混凝土灌砌塊石擋墻至高程4.2 m寬3.5 m的消浪平臺(tái)，平臺(tái)以下以1∶3的斜坡到鎮(zhèn)壓層一級(jí)平臺(tái)，鎮(zhèn)壓層一級(jí)平臺(tái)總寬30 m，并以1∶2的斜坡順接至涂面。土石海堤的子堤與堤身之間采用閉氣土方閉氣。子堤堤頂高程3.0 m寬8 m，外海側(cè)與閉氣土相接以1∶1.2的斜坡到涂面。土石海堤堤身基礎(chǔ)以及子堤均采用C型排水插板進(jìn)行地基處理，正方形布置，間距1.4 m。

圖1 土石海堤結(jié)構(gòu)示意(單位：m)

交叉段樁基框架海堤(樁號(hào)6+402 m～6+702 m)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，樁基框架海堤長(zhǎng)度為300 m，其中兩端各有約25m深入土石海堤的銜接段內(nèi)，每隔30 m長(zhǎng)設(shè)置伸縮縫?？蚣艿撞?即灌注樁樁頂處)沿海堤軸線方向設(shè)2根150 cm×120 cm的縱梁；沿海堤軸向每隔4 m在2根縱梁間設(shè)置1根1.0 m×1.2 m的連系梁拉結(jié)，每根聯(lián)系梁上設(shè)一高3.1 m、寬0.6 m的C35橫向肋板；框架外海側(cè)設(shè)C35的80 cm厚鋼筋混凝土擋墻，頂部高程7.1 m；框架內(nèi)側(cè)設(shè)C35的60 cm厚鋼筋混凝土擋墻?？蚣芟碌鼗休^厚的淤泥層，設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)度為20 m短樁和32 m長(zhǎng)樁處理，長(zhǎng)短樁間隔布置，樁徑1.0 m，短樁、長(zhǎng)樁中心間距均為2.2 m。在樁基框架海堤的下部長(zhǎng)短灌注樁的周圍采用水泥土攪拌樁對(duì)地基進(jìn)行處理，攪拌樁直徑60 cm，間距50 cm，即采用滿堂梅花形布置，處理深度10 m。

圖2 樁基框架海堤結(jié)構(gòu)示意圖(單位：m)

2 有限元建模及計(jì)算

2.1 非線性本構(gòu)模型

本文采用鄧肯-張E-μ模型計(jì)算，該模型在工程界被普遍應(yīng)用，使用簡(jiǎn)便，參數(shù)確定經(jīng)驗(yàn)豐富，其切線彈性模量Et和泊松比vt分別表示為[12]：

(1)

(2)

(3)

對(duì)卸荷情況，彈性模量用下式計(jì)算：

(4)

式中：c為土體凝聚力；φ為土體內(nèi)摩擦角；Pa為大氣壓力；Rf、K、n、G、F、D、Kur為模型參數(shù)，取Kur=2K；σ1、σ3分別為第1、第3主應(yīng)力。

土石海堤堤身拋石料的強(qiáng)度采用非線性的強(qiáng)度公式：

φ=φ0-Δφl(shuí)g (σ3/Pa)

(5)

模型計(jì)算中地基土及土石海堤材料采用鄧肯-張E-μ模型，其計(jì)算模型參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)于混凝土材料采用線彈性模型，其計(jì)算模型參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 三維有限元計(jì)算材料鄧肯-張E-μ模型參數(shù)

表2 彈性材料模型參數(shù)

2.2 三維固結(jié)理論(Biot固結(jié))

三維固結(jié)是指土體在外荷載下三向排水、三向變形的固結(jié)過(guò)程，由比奧(M．A．Biot)于1941年提出三維固結(jié)理論，該理論涉及土體的應(yīng)力～應(yīng)變特性、平衡條件、變形協(xié)調(diào)條件和水流連續(xù)條件，其基本微分方程如下：

(6)

(7)

方程(6)、(7)中包含4個(gè)未知變量pw、ux、uy、uz，它們是坐標(biāo)x,y,z和時(shí)間t的函數(shù)，結(jié)合初始條件和邊界條件即可解出這4個(gè)變量，其中式(6)反映出變形與滲流的耦合關(guān)系，pw均是指超靜孔隙水壓力，其余參數(shù)意義同上文。

2.3 銜接段地基處理方案計(jì)算比選

對(duì)剛性結(jié)構(gòu)(樁基框架海堤)與柔性結(jié)構(gòu)(土石海堤)之間差異沉降銜接過(guò)渡段采用3種不同技術(shù)方案對(duì)比分析[13]，其中剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)銜接過(guò)渡段平面布置見(jiàn)圖3。

方案一：采用攪拌樁由深至淺方案，即A區(qū)(靠近樁基框架海堤)采用置換率50%、深20 m的攪拌樁處理，B區(qū)采用采用置換率33%、深15 m的攪拌樁處理，其余C、D、E區(qū)則均采用置換率23%、深10 m的攪拌樁處理(見(jiàn)圖3)。

方案二：采用等深度不同置換率的攪拌樁方案，即A區(qū)(靠近樁基框架海堤)采用置換率50%、深10 m的攪拌樁處理，B區(qū)采用采用置換率35%、深10 m的攪拌樁處理，其余C、D、E區(qū)則均采用置換率25%、深10 m的攪拌樁處理(見(jiàn)圖3)。

方案三：采用加筋樁網(wǎng)結(jié)合攪拌樁方案，即A區(qū)(靠近樁基框架海堤)采用樁徑0.8 m深30 m的鉆孔灌注樁(中心間距4 m)處理，并在其上鋪設(shè)1 m厚碎石墊層+雙向土工格柵加筋(20 t/m)，其余B、C、D、E區(qū)則均采用置換率25%、深10 m的攪拌樁處理(見(jiàn)圖3)。

通過(guò)以上3種地基處理技術(shù)方案投資對(duì)比分析，認(rèn)為方案一投資比方案二、方案三投資稍貴，而方案二、方案三投資基本一致。

圖3 剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)銜接過(guò)渡段地基處理分區(qū)

2.4 網(wǎng)格劃分及加載計(jì)算

依據(jù)海堤結(jié)構(gòu)及地質(zhì)資料建立大型三維有限元模型，混凝土鉆孔灌注樁為劃分網(wǎng)格方便，按面積相等和慣性矩相等的原則在平面上等價(jià)為厚1.2 m的矩形單元；有限元模型共劃分143 602 個(gè)結(jié)點(diǎn)，153 119個(gè)單元，其中整體三維有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖4，樁基框架海堤上部框架肋板結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖5，剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)銜接過(guò)渡段地基處理結(jié)構(gòu)區(qū)網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖6。

圖4 三維有限元網(wǎng)格

圖5 樁基框架海堤三維有限元網(wǎng)格

圖6 方案一銜接過(guò)渡段地基處理區(qū)三維有限元網(wǎng)格

樁基框架海堤施工流程按下述順序：先攪拌樁基礎(chǔ) →灌注樁 →上部梁板結(jié)構(gòu) →土方回填，計(jì)劃總工期10個(gè)月，相鄰工序之間的間隔時(shí)間為1個(gè)月。

土石海堤施工與樁基框架海堤施工同步進(jìn)行，土石海堤計(jì)劃總工期12個(gè)月，其土石方具體加載過(guò)程見(jiàn)圖7。

圖7 土石海堤加載曲線

三維有限元計(jì)算按上述施工工序模擬海堤施工。通過(guò)有限元軟件中生死單元的用法，即在INP輸入文件中使用語(yǔ)句*MODEL CHANGE，REMOVE，TYPE = ELEMENT和*MODEL CHANGE，ADD，TYPE = ELEMENT來(lái)實(shí)現(xiàn)樁基施工及海堤的分層填筑過(guò)程。土體的力學(xué)特性通過(guò)采用鄧肯-張E-μ模型來(lái)模擬，滲透采用Forchheimer滲透定律模擬。在INP輸入文件中采用*Soils，Consolidation分析步來(lái)實(shí)現(xiàn)三維固結(jié)有限元的計(jì)算[14]。

3 計(jì)算成果分析

利用大型有限元軟件分別對(duì)3種不同的剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)之間銜接段布置結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，其中3種不同方案下剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)沉降變位成果見(jiàn)表3，其伸縮縫及止水部位的差異變位成果見(jiàn)表4。

表3 不同方案下海堤沉降值 cm

表4 不同方案下剛?cè)徙暯佣尾町愖兾?cm

表3成果表明，剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)銜接過(guò)渡段地基處理采用方案二時(shí)，土石海堤完建10 a時(shí)工后沉降量為52.60 cm，比海堤完建20 a時(shí)僅小2.8 cm，說(shuō)明海堤完建10 a時(shí)地基固結(jié)已經(jīng)基本完成。

從地基處理的效果看，框架端部附近的過(guò)渡段的A區(qū)采用灌注樁處理的方案三比攪拌樁處理的方案一、方案二對(duì)減小框架端部工后沉降效果更好，海堤完工20 a時(shí)方案三樁基框架海堤靠近土石堤側(cè)端部最大工后沉降16.02 cm，比方案二中最大工后沉降19.90 cm減小了3.88 cm，比方案一中最大工后沉降20.04 cm減小4.02 cm。由圖8可知，采用方案三后，樁基框架海堤與土石海堤之間的沉降差過(guò)渡更平順，即樁基框架海堤端部沉降量減小。

圖8 方案二、三海堤沿軸線工后沉降對(duì)比

表4給出了各方案下沿海堤頂軸線樁基框架海堤靠近A區(qū)處與土石海堤拋石段接觸縫兩側(cè)，在樁基框架海堤施工完成10 a時(shí)的工后變形和變形差，其中方案三中縫間兩側(cè)差異沉降值僅0.07 cm，比方案一中縫間兩側(cè)差異沉降值0.12 cm、方案二中縫間兩側(cè)差異沉降值0.26 cm均要小，從工后位移和位移差看，方案三優(yōu)于方案一和方案二。采用方案三時(shí)樁基框架海堤整體完整性較好，其伸縮縫、止水材料均未被拉壞，因此從工后沉降、沉降差以及投資優(yōu)化等方面綜合考慮，方案三最優(yōu)，推薦方案三----加筋樁網(wǎng)結(jié)合攪拌樁處理方案。

采用方案三時(shí)，土石海堤、銜接過(guò)渡段以及樁基框架海堤在工后10 a時(shí)的沉降分區(qū)云圖見(jiàn)圖9，其中樁基框架海堤在工后10 a時(shí)的位移矢量圖見(jiàn)圖10。由圖9、圖10可知，雖然采用方案三時(shí)，土石海堤沉降負(fù)摩擦阻力 “下拉效應(yīng)”對(duì)樁基框架海堤的不利影響有所削弱，但仍有一定影響，因此樁基框架海堤整體呈現(xiàn)兩端沉降大中間沉降小的變化趨勢(shì)。

圖9 方案三海堤完工10 a時(shí)工后沉降云圖

圖10 方案三樁基框架海堤10 a工后位移矢量圖

4 實(shí)際沉降監(jiān)測(cè)及分析

工程施工加載過(guò)程中，需要對(duì)交叉段樁基框架海堤結(jié)構(gòu)的實(shí)際沉降進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，其中樁基框架海堤靠近土石海堤端頭部的沉降曲線見(jiàn)圖11。

通過(guò)實(shí)際沉降監(jiān)測(cè)資料顯示(見(jiàn)圖11)，樁基框架海堤靠近土石海堤端的實(shí)測(cè)沉降最大值為14.73 cm，比有限元模擬計(jì)算值稍大，但銜接段差異沉降控制基本滿足設(shè)計(jì)要求，其伸縮縫、止水材料均基本完好無(wú)損，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

圖11 樁基框架海堤端部(靠近A區(qū))沉降曲線

5 結(jié)論與建議

本文依托于某工程案例，對(duì)濱海地區(qū)深厚淤泥地基基礎(chǔ)中剛、柔性結(jié)構(gòu)差異沉降優(yōu)化控制問(wèn)題進(jìn)行了探討，對(duì)剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)銜接段分別采用3種不同處理方案，基于大型有限元軟件計(jì)算對(duì)比分析，得出主要結(jié)論如下。

(1) 依托于相關(guān)工程案例，對(duì)與橋梁交叉段海堤采用剛性結(jié)構(gòu)(樁基框架海堤)，以保證橋梁結(jié)構(gòu)安全。但海堤工程自身剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)差異沉降控制問(wèn)題需慎重考慮，基于此本文對(duì)剛性樁基海堤結(jié)構(gòu)與柔性土石海堤結(jié)構(gòu)之間采用新型地基處理結(jié)構(gòu)過(guò)渡銜接。

(2) 利用大型有限元計(jì)算軟件，對(duì)剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)銜接過(guò)渡段采用3種不同地基處理方案，對(duì)拋石體、地基土等采用鄧肯-張E-μ模型，對(duì)于混凝土材料采用線彈性模型，結(jié)合比奧三維固結(jié)理論，對(duì)土石海堤、銜接過(guò)渡段及樁基框架海堤等整體有限元建模計(jì)算分析，并分別給出了銜接段3種不同地基處理方案下的沉降、分縫處的差異變位等成果。

(3) 根據(jù)不同方案下的有限元計(jì)算成果， 表明方案三中樁基框架海堤端部(A區(qū)附近)工后20 a時(shí)最大工后沉降為16.02 cm，分別比方案一、方案二中工后沉降減小4.02、3.88 cm。其中方案三中縫間兩側(cè)差異沉降值僅0.07 cm，分別比方案一、方案二中縫間兩側(cè)差異沉降值減少0.05、0.19 cm。從工后位移和位移差看，方案三均優(yōu)于方案一和方案二，采用方案三時(shí)樁基框架海堤整體完整性較好，其伸縮縫、止水材料均未被拉壞。因此從工后沉降、沉降差以及投資優(yōu)化等方面綜合考慮，方案三優(yōu)于方案一和方案二，推薦方案三——加筋樁網(wǎng)結(jié)合攪拌樁處理方案。最后通過(guò)實(shí)際工程監(jiān)測(cè)資料，表明采用方案三設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期差異沉降控制效果。

值得說(shuō)明的是，關(guān)于加筋樁網(wǎng)的樁徑、布置間距以及樁頂小承臺(tái)等參數(shù)仍值得進(jìn)一步深入優(yōu)化研究，以便于加筋樁網(wǎng)方案在剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)差異沉降控制中應(yīng)用推廣。