軟土地區(qū)高樁承臺結(jié)構(gòu)斜樁應(yīng)用數(shù)值模擬

鄢亞軍

（上海市水利工程設(shè)計研究院，上海市 200061）

0 引言

上海主要為軟土地區(qū)，河道防汛墻結(jié)構(gòu)通過設(shè)置樁基來控制擋墻位移和墻體不均勻沉降。若擋墻后方回填土高度較高，墻后地坪高程與河道底高程相差較大，會考慮采用叉樁或斜樁抵抗水平力，以滿足水平位移控制要求。根據(jù)上海類似工程建設(shè)經(jīng)驗和《防汛墻工程設(shè)計標準》[1]，防汛墻樁基水平位移和作用效應(yīng)可以采用m 法計算。該方法假定土體為彈性變形介質(zhì)，具有沿深度成正比增長的地基系數(shù)，用于對樁頂承受側(cè)向外力的等截面單樁計算。該方法適用于直樁計算，應(yīng)用于斜樁擋墻結(jié)構(gòu)計算時，難以考慮多排斜樁樁土共同作用及對整體結(jié)構(gòu)受力變形進行分析。根據(jù)桂勁松、湯子揚等[2-3]的研究得到，Plaxis 有限元軟件在模擬板樁結(jié)構(gòu)時，能較好地求解出墻后土體應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)變形。因此本文采用Plaxis 有限元計算軟件對不同角度的叉樁樁基結(jié)構(gòu)受力和變形特性進行模擬分析，研究叉樁結(jié)構(gòu)在高樁承臺結(jié)構(gòu)中抵抗水平力和控制水平位移的規(guī)律，為選取合理的叉樁設(shè)計角度提供一定的依據(jù)。

1 工程設(shè)計方案

上海某住宅區(qū)河道設(shè)計河底高程為0.0 m，河道需滿足游艇通航要求，河道一側(cè)現(xiàn)狀道路連接橋梁坡道，路面高程為6.50～7.50 m。由于現(xiàn)狀路面為回填土壓實，地下水位考慮為3.5 m，現(xiàn)場護岸布置空間受限，擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計為高樁承臺結(jié)構(gòu)，擬比選采用三排φ800 灌注樁加前排（400×100×10.5）鋼板樁及兩排φ800PH C 管樁加前排（400×100×10.5）鋼板樁的斷面結(jié)構(gòu)型式，如圖1、圖2 所示，該區(qū)域工程地質(zhì)剖面如圖3 所示。

圖1 灌注樁直樁式高樁承臺方案

圖2 叉樁式高樁承臺方案

圖3 工程地質(zhì)剖面圖

2 有限元計算模型建立

本研究采用Plaixs 3D 巖土軟件建立高樁承臺擋墻結(jié)構(gòu)三維有限元模型。

2.1 土體本構(gòu)模型選取

上海位于東海之濱，長江入海口處，屬長江三角洲沖積平原。地質(zhì)土主要由黏性土、粉性土及砂性土組成，大部分地區(qū)為正常固結(jié)和弱固結(jié)黏土及密實度較低的砂土。此類軟土地基變形受體積應(yīng)變影響較大。

目前常規(guī)用于數(shù)值模擬的土體本構(gòu)模型主要為彈塑性的Mohr-Coulomb 模型、DrukerPrager 模型、DrukerPrager+Cap 模型、修正劍橋模型、非線彈性Duncan-Chang 模型、HS-Small模型等。上述土體本構(gòu)模型的優(yōu)缺點見表1。

表1 不同土體本構(gòu)模型應(yīng)用于軟土地區(qū)的優(yōu)缺點

比較上述六種土體本構(gòu)模型可以看出，針對上海的弱固結(jié)土，HS-Small模型考慮了小應(yīng)變范圍內(nèi)土體剪切剛度與應(yīng)變的非線性關(guān)系。土體實測試驗結(jié)果得到的土體剪切剛度—應(yīng)變的關(guān)系如圖4 所示，隨著剪切應(yīng)變增大，土體抗剪剛度G 呈“S”型衰減。由于防汛墻后土體的剪應(yīng)變一般在0.01%～0.1% 之間[4-5]，此范圍內(nèi)土體抗剪剛度是急劇衰減的，土體在小應(yīng)變階段的剛度要遠大于較大應(yīng)變階段的剛度。本次土體參數(shù)見表2。

圖4 土體剪應(yīng)變-剪切剛度的關(guān)系

表2 本次土體模型參數(shù)

2.2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)選取

Plaixs 中可以用板單元模擬具有一定抗彎剛度的二維薄殼結(jié)構(gòu)，本文用來模擬擋土墻底板、墻身結(jié)構(gòu)和鋼板樁結(jié)構(gòu)，灌注樁采用嵌入式梁單元（em bed beam）模塊。本次模型各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表3。

2.3 計算模型

本次設(shè)計的住宅區(qū)河道橫斷為對稱結(jié)構(gòu)，故取一半建立模型進行有限元計算，模型尺寸為60 m×25 m（長×寬）。有限元計算模型網(wǎng)格劃分如圖5、圖6 所示。

圖5 直樁式高樁承臺方案

圖6 叉樁式高樁承臺方案

2.4 工況選擇

本次計算模型采用七種工況模擬：三排直樁式高樁承臺結(jié)構(gòu)及兩排直樁式高樁承臺結(jié)構(gòu)，比較叉樁在12°、10°、8°、6°、4°五種設(shè)置角度下的樁頂位移及鋼板樁承受的剪力與彎矩。

3 數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

3.1 擋墻后側(cè)土壓力分布

通過Plaxis 有限元軟件計算得到整體擋墻結(jié)構(gòu)的∑Ux位移云圖，如圖7～圖9 所示。由計算結(jié)果可知，擋墻樁基由三排直樁結(jié)構(gòu)換成斜叉樁結(jié)構(gòu)后，墻后土體的影響范圍會增大，但土體位移的數(shù)值會減小。從直樁擋墻結(jié)構(gòu)和斜叉樁擋墻結(jié)構(gòu)墻后側(cè)土壓力分布圖（圖10）可以看出，直樁結(jié)構(gòu)和叉樁結(jié)構(gòu)墻后側(cè)土壓力分布基本一致，叉樁結(jié)構(gòu)墻后土壓力略有減小，主要是由于直樁高樁承臺結(jié)構(gòu)墻體位移大于叉樁結(jié)構(gòu)墻體位移。

圖7 三排直樁+鋼板樁結(jié)構(gòu)位移云圖

圖8 兩排直樁+鋼板樁結(jié)構(gòu)位移云圖

圖9 兩排斜12°叉樁+鋼板樁結(jié)構(gòu)位移云圖

圖10 兩排直樁結(jié)構(gòu)和斜8°叉樁結(jié)構(gòu)墻后側(cè)土壓力分布圖

3.2 擋墻底板位移

根據(jù)Plaxis 模型計算可知，當模型邊界條件及土層地質(zhì)條件一定時，在軟土地區(qū)高樁承臺結(jié)構(gòu)中采用叉樁基礎(chǔ)，可以有效減小擋墻樁頂位移，且叉樁傾斜角度越大，樁頂位移越小。叉樁傾斜角度在6°～8°之間時，樁頂位移減小得最明顯（見圖11）。

圖11 鋼板樁樁頂位移與叉樁角度設(shè)置關(guān)系圖

根據(jù)模型計算得到的樁頂位移如表4 所示。

表4 擋墻底板位移值

3.3 擋墻前排鋼板樁受力

根據(jù)Plaxis 模型計算可知，當模型邊界條件及土層地質(zhì)條件一定時，在軟土地區(qū)高樁承臺結(jié)構(gòu)中采用前排鋼板樁加后排叉樁的高樁承臺結(jié)構(gòu)；當叉樁角度一定時，可以有效減小鋼板樁承受的最大彎矩和最大剪力，且一定范圍內(nèi)，叉樁傾斜角度越大，鋼板樁承受的最大彎矩和最大剪力越小。根據(jù)模型的有限元計算，本次模擬的工況下，叉樁傾斜角度在6°時，鋼板樁承受的最大彎矩和最大剪力最小（見表5、圖12）。

圖12 鋼板樁承受彎矩及剪力與叉樁角度設(shè)置關(guān)系圖

表5 擋墻前排鋼板樁彎矩值及剪力值

4 結(jié)論與建議

（1）通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，高樁承臺結(jié)構(gòu)應(yīng)用斜樁基礎(chǔ)后擋墻后側(cè)土壓力分布與直樁基礎(chǔ)下基本一致，土壓力數(shù)值略有減小。

（2）根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果可以看出，高樁承臺結(jié)構(gòu)應(yīng)用斜樁基礎(chǔ)后，可以有效減小擋墻底板位移，且底板位移大小隨斜樁傾斜角度的增大而減小。當斜樁傾斜角度為6°時，擋墻底板位移減小得最明顯。

（3）根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果可以看出，高樁承臺結(jié)構(gòu)應(yīng)用斜樁基礎(chǔ)后，當斜樁角度為0°～6°時，前排鋼板樁承受的彎矩與剪力絕對值隨傾斜角度增大而減小；當斜樁角度為6°～12°時，前排鋼板樁承受的彎矩與剪力絕對值隨傾斜角度增大而增大，斜樁傾斜角度為6°時，彎矩和剪力絕對值減小得最明顯。