基于PHC管樁復(fù)合地基處理橋頭軟基數(shù)值模擬分析

張定權(quán)

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092]

0 引 言

我國(guó)的地質(zhì)條件錯(cuò)綜復(fù)雜,分布有大量工程性質(zhì)較差的軟土,當(dāng)軟土以建筑環(huán)境或地基夾層存在時(shí),會(huì)對(duì)工程建設(shè)造成安全隱患。軟土的工程性質(zhì)較差,具有承載力低、受荷后變形大、欠固結(jié)等特征,通常不被作為天然地基[1],地基土固結(jié)和蠕變的耦合效應(yīng)導(dǎo)致了軟土變形,當(dāng)土體具有良好的排水條件和較大固結(jié)壓力時(shí),土體的蠕變效應(yīng)可以被固結(jié)效應(yīng)弱化,總變形可在固結(jié)過(guò)程中完成,降低加荷速率能減小土體變形的時(shí)效性和提高土體穩(wěn)定性[2],在工程建設(shè)前期,必須考慮軟土的變形特性[3]。橋頭構(gòu)筑物中,臺(tái)背與橋臺(tái)路面是兩個(gè)差異性較大的結(jié)構(gòu)體系,由于臺(tái)背與橋臺(tái)路面較大的剛度差異,行車荷載使得基層、墊層的壓實(shí)度快速增大,路面結(jié)構(gòu)壓縮明顯,而橋臺(tái)的固結(jié)沉降穩(wěn)定,二者的沉降差易造成橋頭跳車的危害。[4]

國(guó)外對(duì)過(guò)渡段的橋頭病害進(jìn)行了研究,提出了控制沉降差、緩解路橋剛?cè)嵬蛔兊却胧5],國(guó)內(nèi)學(xué)者認(rèn)為路橋過(guò)渡段設(shè)計(jì)應(yīng)保證路基具有足夠大的剛度同時(shí)適當(dāng)降低路面剛度,路基反應(yīng)模量應(yīng)大于20 MPa/m[6],或可通過(guò)回填膨脹性混合土來(lái)修復(fù)路橋過(guò)渡段病害[7]。目前,常見(jiàn)的軟土地基處治方式主要有強(qiáng)夯法、拋石擠淤、堆載預(yù)壓、排水固結(jié)法、復(fù)合地基法等,其中管樁復(fù)合地基因具有施工速度快、承載力高等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于軟土地區(qū)。[8]PHC管樁承載能力高,豎向荷載較小時(shí),樁身側(cè)摩阻力承擔(dān)了樁頂荷載,當(dāng)超過(guò)側(cè)摩阻力所能提供的極限值時(shí),樁身會(huì)被刺穿,通過(guò)對(duì)軟土地基進(jìn)行預(yù)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(jié)狀態(tài)也會(huì)影響樁基動(dòng)剛度的變化,固結(jié)圍壓較大、固結(jié)度較高時(shí),小振幅的循環(huán)荷載能夠使得樁周土體硬化,動(dòng)剛度增加,樁土系統(tǒng)抗弱化能力提高。[10]為了保證橋頭構(gòu)筑物的穩(wěn)定,減輕橋頭病害影響,本文通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析了復(fù)合地基沉降變形特性,為軟基的處理提供了依據(jù)。

1 工程概況

西洞庭湖區(qū)高速公路項(xiàng)目所在地帶為洞庭湖平原地貌,地形起伏小,相對(duì)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(zhì)黏土、粉砂、泥質(zhì)粉砂巖(中風(fēng)化)的fa0值分別為180 kPa、110 kPa、400 kPa。

本文依托西洞庭湖區(qū)高速公路工程,項(xiàng)目沿線土質(zhì)分布主要為軟土、致密粉砂、泥質(zhì)粉砂巖(中風(fēng)化),其中,中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖力學(xué)性質(zhì)較好,承載能力較高,作為端承樁的基礎(chǔ)持力層。軟土工程性質(zhì)較差,在震動(dòng)作用下,易產(chǎn)生側(cè)移、不均勻沉降等病害,會(huì)對(duì)路基及構(gòu)筑物安全性產(chǎn)生較大的影響,因此對(duì)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(shù)

ABAQUS有限元軟件中包含孔壓?jiǎn)卧?能較好分析土的應(yīng)力耦合、滲流問(wèn)題,同時(shí)考慮土的側(cè)向變形。目前,在有限元軟件中利用實(shí)體群樁單元實(shí)現(xiàn)含結(jié)構(gòu)物的軟基高速沉降與固結(jié)特性分析較為困難,需對(duì)復(fù)合地基參數(shù)取值進(jìn)行簡(jiǎn)化,通過(guò)側(cè)限壓縮和三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)值模擬得到PHC管樁復(fù)合地基等效修正劍橋參數(shù)。本文將臺(tái)后50 m劃分為橋頭加密區(qū)與橋頭過(guò)渡區(qū)。所用PHC管樁的樁長(zhǎng)、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(guò)側(cè)限壓縮和三軸壓縮數(shù)值模擬試驗(yàn)簡(jiǎn)化得到PHC管樁復(fù)合地基等效修正劍橋參數(shù),考慮到文章篇幅,試驗(yàn)過(guò)程不做具體贅述。模型所用其他材料參數(shù):①墊層,E=5×104kPa,μ=0.25;②搭板,E=3×107kPa,μ=0.3;③臺(tái)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(jì)算理論

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

太沙基固結(jié)理論只在一維情況下是精確的,對(duì)二維、三維問(wèn)題并不精確。比奧(Biot)1840年從連續(xù)介質(zhì)的基本方程出發(fā),從較嚴(yán)格的固結(jié)機(jī)理出發(fā)推導(dǎo)了準(zhǔn)確反映孔隙壓力消散與土骨架變形相互關(guān)系的三維固結(jié)方程,一般稱為真三維固結(jié)理論。比奧固結(jié)理論直接從彈性理論出發(fā),滿足土體的平衡條件、彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的變形協(xié)調(diào)條件,此外還考慮了水流連續(xù)條件。比奧固結(jié)理論是描述沉降與時(shí)間關(guān)系的理論,包括了太沙基固結(jié)理論和Biot固結(jié)理論,Biot固結(jié)理論全面地考慮了水的滲流和土的變形二者耦合問(wèn)題,是較完善的多維固結(jié)理論。

本文有限元模型的建立主要依據(jù)比奧固結(jié)理論、軟土地基沉降計(jì)算理論,采用有限元法計(jì)算固結(jié)沉降,計(jì)算公式如下:

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

(1)

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

2.3 模型建立

依托實(shí)際工程,建立路橋過(guò)渡段三維模型,臺(tái)后采用倒梯形結(jié)構(gòu)形式,臺(tái)后軟土地基分橋頭過(guò)渡段和橋頭加密段進(jìn)行處理。模型中土體劃分為路基、墊層、PHC管樁復(fù)合地基、粉砂層、泥質(zhì)粉砂巖。換填區(qū)底面寬3 m,頂部寬15 m,臺(tái)身總高度為6.7 m,承臺(tái)高度為1.5 m,橋樁長(zhǎng)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(xiàn)場(chǎng)分層填筑過(guò)程,考慮到模型復(fù)雜程度,分3層進(jìn)行填筑,每層土填完后,預(yù)留足夠時(shí)間固結(jié),為了更貼合實(shí)際,本文預(yù)壓時(shí)間取6個(gè)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(yīng)力位移變化,假定地基頂部排水,底部與兩側(cè)均不排水。

2.4 初始應(yīng)力狀態(tài)分析

橋臺(tái)結(jié)構(gòu)物在自重條件下會(huì)出現(xiàn)沉降現(xiàn)象,此時(shí)的狀態(tài)不是平衡狀態(tài),利用有限元進(jìn)行模擬之前,需要先進(jìn)行初始應(yīng)力狀態(tài)分析,對(duì)橋臺(tái)結(jié)構(gòu)物的初始應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。巖土介質(zhì)中的應(yīng)力,是在長(zhǎng)期重力作用下逐漸固結(jié)沉降后形成,其初始變形狀態(tài)與建立模型之時(shí)不同,因此在利用有限元數(shù)值模擬軟土固結(jié)沉降時(shí),應(yīng)先賦予模型一個(gè)初始應(yīng)力,以保證變形不會(huì)過(guò)大,使地基在加荷之前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 豎向位移分析

對(duì)臺(tái)后過(guò)渡段不同處理參數(shù)下縱橫向變形特性進(jìn)行分析前,選取臺(tái)后7 m、27 m、47 m三個(gè)位置斷面,即y=7 m、27 m、47 m,分析不同處理參數(shù)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(dǎo)致,在填筑期間,填土荷載作用使得地表中心產(chǎn)生較大沉降,隨著填筑的進(jìn)行,沉降由地基中心位置向兩側(cè)逐漸減小,位于路肩兩側(cè)地基沉降值最小。距離臺(tái)背位置不同,沉降差值也不同,距離橋臺(tái)結(jié)構(gòu)物越遠(yuǎn),沉降差值越大。距離臺(tái)背7 m處差異沉降為2.9 cm,距離臺(tái)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(nèi)。

地基沉降主要產(chǎn)生在路基土分級(jí)加載下,各施工階段沉降變化趨勢(shì)大致相同,填筑開(kāi)始至施工結(jié)束沉降增長(zhǎng)較快,運(yùn)營(yíng)期間沉降增長(zhǎng)較緩。路基沉降變化曲線以路基中部為對(duì)稱軸,左右兩側(cè)沉降數(shù)據(jù)大致呈成對(duì)稱分布,整體表現(xiàn)出“盆形”趨勢(shì),能發(fā)現(xiàn)距離臺(tái)背越近沉降值越小,表明靠近橋頭加密區(qū)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(huì)產(chǎn)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(xiàn)“弓形”趨勢(shì),地基最大水平位移出現(xiàn)在坡腳下6.8 m處,這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)一致。填筑期隨著填土荷載增加,土中應(yīng)力也逐漸接近地基土的極限抗剪強(qiáng)度,塑性變形加快,水平位移逐漸增大,最大值為5.46 cm,預(yù)壓完成時(shí)最大水平位移為6.67 cm,水平位移增長(zhǎng)了22.16%,工后15年最大水平位移達(dá)到了6.99 cm。從數(shù)值看,水平位移逐漸趨于穩(wěn)定,表明PHC管樁復(fù)合地基能有效減小軟土地基的水平位移。

3.3 橋臺(tái)及樁基礎(chǔ)應(yīng)力、彎矩分析

路基土填筑會(huì)對(duì)橋臺(tái)及樁基礎(chǔ)產(chǎn)生一定擾動(dòng),地基土側(cè)向流動(dòng)會(huì)對(duì)其產(chǎn)生沿向橋臺(tái)前方的推擠,對(duì)橋臺(tái)樁基礎(chǔ)的受力變形產(chǎn)生一定影響。為了便于分析,對(duì)橋臺(tái)樁基進(jìn)行編號(hào),靠近路基填土一側(cè)為前排樁,編號(hào)從左至右依次為1、2、3、4,遠(yuǎn)離路基一側(cè)為后排樁,編號(hào)依次為5、6、7、8,橋臺(tái)及樁基礎(chǔ)的應(yīng)力、彎矩變化如圖2、圖3所示。

圖2 水平應(yīng)力沿臺(tái)身高度分布曲線

圖3 樁身彎矩變化曲線

在填筑過(guò)程中,臺(tái)背整體處于受壓狀態(tài),沿著臺(tái)身高度從下往上臺(tái)背側(cè)向土壓力逐漸減小,承臺(tái)底部水平應(yīng)力最大,填筑荷載增加,底部水平位移向上擴(kuò)展,而上部土體壓縮較弱,荷載主要傳遞到承臺(tái)底部,從而水平應(yīng)力表現(xiàn)出底部向上逐漸減小,施工完成后,水平應(yīng)力繼續(xù)發(fā)展,行車荷載使得土體持續(xù)壓縮,水平應(yīng)力增大。

在臺(tái)后路基填筑荷載作用下,前排樁最大彎矩值位于1號(hào)和4號(hào)樁,后排樁最大彎矩值位于5號(hào)和8號(hào)樁。前排樁臨近路基填土一側(cè),樁身彎矩較大值集中在頂部軟土區(qū)域內(nèi),由于樁基頂部有承臺(tái)約束,樁頂彎矩會(huì)逐漸減小,中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖區(qū)域在土體擠壓下樁身彎矩逐漸趨于平穩(wěn),樁底部進(jìn)入了持力層,在持力層約束作用下樁身彎矩變化會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)。對(duì)比前后排樁樁身彎矩差異值,可見(jiàn)前排樁頂部軟弱土區(qū)域內(nèi)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(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬的方法,分析了PHC管樁復(fù)合地基處理橋頭軟基的沉降變形特性,結(jié)論有:

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

(2) 臺(tái)后路基土在填筑荷載作用下,軟土地基固結(jié)時(shí)間較長(zhǎng),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(xiàn)“盆形”變化,地基土水平位移表現(xiàn)出“弓形”變化。

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

(4) 橋臺(tái)水平應(yīng)力沿著臺(tái)身高度向上逐漸減小,最大水平應(yīng)力位于承臺(tái)底部。為保證結(jié)構(gòu)物安全,應(yīng)控制土體壓縮沉降,以加強(qiáng)對(duì)軟弱土地基處理效果。