灌注樁參數變化對邊載荷影響研究

（國家投資項目評審中心 北京 100037 中水淮河規劃設計研究有限公司 合肥 230601）

擋土墻后高填土引發的邊載荷可能導致沉降或不均勻沉降等問題，直接影響水工建筑物安全運行[1-3]。在工程設計施工中采取相應措施減小邊荷載的影響顯得十分必要。擋土墻下設置灌注樁能有效減弱邊載荷影響，此結構以樁體作為擋土墻結構的基礎，一般稱作樁基礎擋土墻，解決了傳統擋土墻必須依靠增大基礎尺寸來提供抗傾覆反力、抗滑移反力和地基承載力不足的問題[4,5]。本文結合耿樓樞紐工程，采用模型數值模擬方法對岸墻后趾下灌注樁樁長、樁間距、樁徑、樁排數等參數變化對邊載荷影響進行研究。

1 工程概況

耿樓樞紐由節制閘和船閘組成，節制閘布置在船閘南側。節制閘為II 等大（2）型工程，20年一遇設計流量3910m3/s，50年一遇校核流量4770m3/s。閘室總寬110.06m，共12 孔，單孔凈寬7.5m，順水流方向長24m。閘室兩側分別布置橋頭堡，橋頭堡內布置電氣設備及水閘集中控制系統。工作閘門采用平面鋼閘門，啟閉機選用卷揚式啟閉機。

2 模型概況

結合耿樓樞紐節制閘工程實際，本研究在利用MIDAS GTS NX 模型模擬計算時，選用的本構模型有線彈性模型（閘室、岸墻、翼墻、墊層和灌注樁）、莫爾-庫倫模型（粉質壤土、砂壤土、粉質粘土和細砂）和修正莫爾-庫倫模型（回填水泥土）。由于混凝土與土體彈性模量差別較大，為模擬不同材質在同等應力作用下的變形，本研究采用無厚度接觸面單元（Goodman 單元）。

2.1 模型簡化說明

為提高模型計算效率，并盡可能保證結果準確，本研究對節制閘岸墻、翼墻有限元計算模型采取以下簡化假設：

（1）分析節制閘岸墻后趾下灌注樁對高填土邊載荷影響時，將閘室和岸墻作為研究對象。

（2）建模過程中，未考慮地下水及其滲流影響，不考慮土體的排水與固結，不考慮時空效應；施工階段設置到完建期，未考慮運行期水壓力的影響。

（3）為了簡化計算，模型中各種材料均是均質各向同性；灌注樁采用梁單元模擬。

（4）三維整體基本模型中的土層假定為成層土，忽略各土層的起伏變化。

（5）考慮到節制閘左、右岸對稱性，因此僅對節制閘左岸進行三維整體建模。

2.2 模型構建

模型總長400m，約為建筑物長度的4 倍；模型總寬300m，約為建筑物寬度的3 倍；深度方向取60m。混凝土灌注樁以0.5m 進行尺寸控制并劃分網格；閘室，岸墻，上、下游翼墻及回填水泥土以3m進行尺寸控制并劃分網格；地基土層以5m 進行尺寸控制并劃分網格（最下層土體按10m 控制尺寸并劃分網格）。模型整體及岸墻、翼墻和灌注樁的網格劃分分別如圖1和圖2所示。

圖1 整體網格劃分圖

圖2 岸墻、翼墻和灌注樁網格劃分圖

2.3 載荷條件

模型荷載條件：（1）自重荷載。模型參考坐標系定位整體直角坐標系，Gz軸重力分量定義為-1，Gx和Gy軸方向重力分量定義為0；（2）外部荷載。閘室及岸墻上部施加道路荷載，設置均布荷載為12kN/m2。

3 結果分析

3.1 樁長對邊載荷減弱效果的影響

在分析樁長對岸墻穩定性的影響時，建立了以樁長為唯一變量的5 個模型，結構參數如表1所示。通過5 個模型模擬結果的比較，分析樁長對岸墻豎向位移和水平位移的影響。

表1 樁長因素分析組灌注樁參數表

不同樁長對岸墻豎向位移和水平位移的影響如表2所示。在灌注樁樁徑、樁間距、樁排數等參數相同條件下，樁長增加，最大沉降量、前后趾沉降差及墻頂水平位移逐漸減小，但減小幅度逐漸減少。因此在滿足工程規范、施工質量條件下，適當增加灌注樁樁長有利于減弱邊載荷的影響。

表2 不同樁長對岸墻豎向位移和水平位移的影響表

3.2 樁間距對邊載荷減弱效果的影響

在分析樁間距對岸墻穩定性的影響時，建立了以樁間距為唯一變量的4 個模型，結構參數如表3所示。通過4 個模型模擬結果的比較，分析樁間距對岸墻豎向位移和水平位移的影響。

表3 樁間距因素分析組灌注樁參數表

不同樁間距對岸墻豎向位移和水平位移的影響如表4所示。在灌注樁樁長、樁徑、樁排數等參數相同條件下，樁間距增加，最大沉降量、前后趾沉降差及墻頂水平位移逐漸減小。在灌注樁其他參數不變的情況下，樁間距越大，灌注樁抑制邊載影響的效果越好。這是由于當灌注樁的間距過小時，群樁效應加劇。耿樓樞紐節制閘坐落在軟土地基上，灌注樁的承載性狀表現為摩擦型樁，適當增大樁間距減小群樁效應，有利于減小邊載荷影響。

表4 不同樁間距對岸墻豎向位移和水平位移的影響表

3.3 樁徑對邊載荷減弱效果的影響

在分析樁徑對岸墻穩定性的影響時，建立了以樁徑為唯一變量的5 個模型，結構參數如表5所示。通過5 個模型模擬結果的比較，分析樁徑對岸墻豎向位移和水平位移的影響。

表5 樁徑因素分析組灌注樁參數表

不同樁徑對岸墻豎向位移和水平位移的影響如表6所示。在灌注樁的樁長、樁間距、樁排數等參數相同情況下，樁徑增大，最大沉降量、前后趾沉降差及墻頂水平位移逐漸減小，但減少幅度較小。可見樁徑大小對岸墻的沉降、不均勻沉降和水平位移影響效果并不明顯。因此，在工程實踐中應選用合適樁徑以節約工程造價。

表6 不同樁徑對岸墻豎向位移和水平位移的影響表

3.4 樁排數對邊載荷減弱效果的影響

在分析樁排數對岸墻穩定性的影響時，建立了以樁排數為唯一變量的4 個模型，結構參數如表7所示。通過4 個模型模擬結果的比較，分析樁排數對岸墻豎向位移和水平位移的影響。

表7 樁排數因素分析組灌注樁參數表

不同樁排數對岸墻豎向位移和水平位移的影響如表8所示。在灌注樁的樁長、樁徑、樁間距等參數相同情況下，增加樁排數，最大沉降量、前后趾沉降差及墻頂水平位移逐漸減少，且變化幅度較大。樁排數由1 排增大到2 排時變化最顯著，隨著樁排數繼續增加，邊載荷影響隨之減小，但減小幅度逐漸變小。因此，在工程實踐中建議布置為單排樁或雙排樁以減小高填土的邊載荷影響。

表8 不同樁排數對岸墻豎向位移和水平位移的影響表

4 結語

本文結合耿樓樞紐工程，借助模型數值模擬方法對岸墻后趾下灌注樁樁長、樁間距、樁徑、樁排數等參數變化對邊載荷影響進行研究，可以得出以下結論：

（1）其他參數條件不變情況下，增加灌注樁樁長和樁排數有利于減小岸墻后高填土引發的邊載荷影響。

（2）其他參數不變的情況下，樁間距越大，灌注樁抑制邊載影響的效果越好。適當增大樁間距減小群樁效應，有利于減小岸墻后高填土引發的邊載荷影響。

（3）其他參數不變的情況下，增大樁徑對減小岸墻后高填土引發的邊載荷影響不明顯。因此，在工程實踐中應選用合適樁徑以節約工程造價。