水位升降變化對(duì)湖區(qū)軟基樁基礎(chǔ)沉降影響研究

陳卡拉， 楊仲進(jìn)

(浙江溫州沈海高速公路有限公司, 浙江 溫州 325000)

水位升降變化對(duì)湖區(qū)軟基樁基礎(chǔ)沉降影響研究

陳卡拉， 楊仲進(jìn)

(浙江溫州沈海高速公路有限公司, 浙江 溫州 325000)

水位升降環(huán)境下的湖區(qū)軟基發(fā)生固結(jié)會(huì)對(duì)該區(qū)域內(nèi)的樁基礎(chǔ)工作性能產(chǎn)生較大影響。為探究水位升降對(duì)樁基礎(chǔ)影響，本文以某湖區(qū)高速公路高填方路段樁基礎(chǔ)為研究對(duì)象，基于有限元軟件ADINA計(jì)算結(jié)果，對(duì)沉樁過程、沉樁擾動(dòng)產(chǎn)生的土體固結(jié)過程以及后期水位變化引起的土體沉降過程分3個(gè)步驟進(jìn)行了數(shù)值模擬并結(jié)合觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示沉樁完成時(shí)，樁側(cè)的孔隙水壓力沿徑向呈雙曲線分布,受水位的影響較大的部分為近樁處土體，隨與樁體間距離的增大，土體沉降量逐步減??；同時(shí)，在水位變化的影響下，沉降穩(wěn)定需要更長時(shí)間，需要采取適當(dāng)措施來保證樁體工作性能。

水位升降； 樁基礎(chǔ)； 軟基； 沉降； 數(shù)值分析

1 工程概況

1.1 工程背景

湖區(qū)高速公路的施工中，由于相當(dāng)部分的地基處于一個(gè)水位時(shí)常發(fā)生變化的干濕循環(huán)環(huán)境中，對(duì)樁周的摩擦力及相關(guān)的其他部位的穩(wěn)定性影響不容忽視，也是湖區(qū)高速公路修建中的難點(diǎn)。現(xiàn)有研究成果中，對(duì)樁周土沉降的影響有較多研究，但對(duì)干濕循環(huán)這一重要工程環(huán)境的影響因素考慮不多，或在相關(guān)的計(jì)算中，沒有考慮土工參數(shù)等因干濕循環(huán)而引起的變化，對(duì)工程環(huán)境缺乏準(zhǔn)確的模擬，對(duì)項(xiàng)目開展的指導(dǎo)意義有部分缺陷。

1.2 工程地質(zhì)情況

某湖區(qū)高速公路一軟基路段中有一較長高填方路堤采用了打入PC管樁進(jìn)行處治，管樁外徑500 mm，壁厚100 mm，樁長35 m，分11、12、12 m共3截，樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C60，穿過上層約10 m粉質(zhì)黏土及22 m的軟弱淤泥層植入中砂層，單樁承載力設(shè)計(jì)值為700 kN。

該路段位原地基均為水稻田，局部分部湖面，地勢(shì)不高、地形起伏小、覆蓋層厚度較大；受中北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候的影響，存在顯著的豐枯兩季水位差異。圖1所示為該工點(diǎn)附近水文站多年觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖，可知5～10月份降雨偏多。

現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果顯示： 該區(qū)域地面高程為29.82 m，結(jié)合圖1所示水位升降數(shù)據(jù)及地勘資料可知：水位周期性升降對(duì)該區(qū)域土體的影響深度為地面以下10 m左右。通過鉆芯取樣及相關(guān)室內(nèi)土工試驗(yàn)可得如表1所示土體相關(guān)參數(shù)，結(jié)果表明自地表向下10 m范圍內(nèi)土質(zhì)以粉質(zhì)黏土為主。此外，鉆芯取樣時(shí)為干季，可認(rèn)為此時(shí)地下水位在地面以下10 m，對(duì)于地下水位以上的土體，此時(shí)測得的含水率即為

圖1 洞庭湖(城陵磯)多年平均月水位統(tǒng)計(jì)圖Figure 1 Dong ting lake (cheng ling ji) years of average monthly water level chart

其最低含水率，通過實(shí)驗(yàn)(見表1)可知其值為18%。

土的飽和含水率計(jì)算如式(1)所示：

(1)

式中： ωsat為飽和含水率；e為孔隙比；ρd為干密度。

表1 土工試驗(yàn)成果表Table1 Geotechnicaltestresultstable取樣編號(hào)取樣深度/m含水率/%干密度/(g·cm-3)孔隙比液限/%塑限/%室內(nèi)定名119～2119214507903240169粉質(zhì)黏土246～4817614708113540199粉質(zhì)黏土394～9618214607963260163粉質(zhì)黏土

取表1中3組試樣的平均數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可得該區(qū)域粉質(zhì)黏土飽和含水率為30.4%。由此可知，在水位升降過程中，水位影響區(qū)域內(nèi)的土體含水率的循環(huán)變化區(qū)間為18%～30.4%。

2 樁周土體沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 監(jiān)測方案

為研究水位升降環(huán)境下樁基施工對(duì)樁周土產(chǎn)生的影響，對(duì)PC樁基施工現(xiàn)場的SZ1樁進(jìn)行了沉降觀測。由于試樁所處的路基斷面將于打樁完成后60 d左右進(jìn)行填筑，故將關(guān)于SZ1號(hào)樁的沉降監(jiān)測周期定為60 d。監(jiān)測采用傳統(tǒng)的自制埋入式沉降板，在試樁徑向兩側(cè)各埋設(shè)一塊沉降板，沉降板布設(shè)方案如圖2所示。

圖2 沉降板布置示意圖Figure 2Schematic arrangement of plates Settlement

2.2 監(jiān)測結(jié)果分析

由表2所示監(jiān)測數(shù)據(jù)可得實(shí)測樁周土體地表沉降-時(shí)間曲線如圖3所示。對(duì)左右兩側(cè)的沉降量而言，監(jiān)控前15 d沉降發(fā)展速度較快，第15 d時(shí)左側(cè)沉降量為17.01 mm，右側(cè)沉降量為13.54 mm，隨后沉降速度逐步減緩，第60天時(shí)左側(cè)沉降量為21.45 mm，右側(cè)沉降量為18.26 mm。左側(cè)沉降量較右側(cè)更大這一現(xiàn)象，主要是周邊區(qū)域其他樁基施工對(duì)該處土體產(chǎn)生了影響。

表2 SZ1試樁樁周土體地表沉降量監(jiān)測結(jié)果Table2 SZ1testpilesurroundingsoilsurfacesubsidencemonitoringresults觀測時(shí)間/d累計(jì)沉降量/mm左右觀測時(shí)間/d累計(jì)沉降量/mm左右11210892356205350731446．844．5457．324．9968．065．89710．067．54811．129．12913．5410．051014．5610．861114．9911．311215．6311．961315．9812．541416．4912．971517．0113．541817．6413．882118．0213．992418．3114．562718．9215．013019．2115．663519．7415．864019．9916．224520．3116．885020．4617．345520．7818．016021．4518．26

圖3 樁周土體地表沉降-時(shí)間曲線Figure 3 Pile surrounding soil surface settlement-time curve

3 考慮水位變化的樁周土沉降有限元模擬

ADINA可用于壩基或土體的復(fù)雜滲流、固結(jié)沉降分析等問題，可考慮土體骨架的彈塑性變形以及孔隙壓力與多孔介質(zhì)骨架和孔隙流體組成的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)變形之間的耦合問題，該軟件上述特點(diǎn)與本文研究工程特征相符，故選擇該軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3.1 建模及數(shù)值模擬

為研究水位變化對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響，結(jié)合工程背景，進(jìn)行水位升降環(huán)境下樁-土沉降數(shù)值分析時(shí)分為沉樁過程模擬、土體固結(jié)沉降模擬和水位下降工況模擬3個(gè)步驟。

PC管樁屬擠土樁，在地下水位穩(wěn)定的情況下沉樁擠土作用將引起樁周土體的重固結(jié)，現(xiàn)有研究表明這一重固結(jié)實(shí)質(zhì)上是超孔隙水壓力消散的過程，為研究超孔隙水壓力的消散樁周土體沉降的關(guān)系，設(shè)置模擬步驟①與②；在土體固結(jié)沉降一段時(shí)間后，將水位下降工況引入模型，以探究水位變化對(duì)土體沉降的影響規(guī)律，設(shè)置模擬步驟③，具體的建模過程如下所述：

① 沉樁過程模擬。

設(shè)樁徑d=0.5 m，樁長l=35 m；根據(jù)工程概況、鉆芯結(jié)果及室內(nèi)試驗(yàn)所得各土層的材料物理性質(zhì)(見表3)建立模型并定義材料，假定工況下土體處于彈性變形狀態(tài)，且為飽和土，土層表面和底面設(shè)為排水邊界，模型左右兩側(cè)設(shè)置Y方向位移約束。圖4為建立的有限元網(wǎng)格圖。

沉樁過程的模擬方法按照朱泓等[1]的研究成果將其視為圓柱體空腔的擴(kuò)張，程序的模擬基于空間軸對(duì)稱比奧固結(jié)理論，沉樁過程設(shè)置為1 h，即在1 h穿過模擬土層。

② 土體固結(jié)沉降模擬。

由表2及圖3數(shù)據(jù)及曲線可知： 自樁基施工完成到其后第60天，樁周土仍有一定的沉降，并未完全穩(wěn)定?；诖?，在進(jìn)行土體固結(jié)沉降模擬分析時(shí)，將時(shí)間長度設(shè)置為90 d，將沉樁完成瞬間的樁周土狀態(tài)作為固結(jié)沉降的初始狀態(tài)，進(jìn)行為期90 d的土體固結(jié)沉降模擬。

③ 水位下降工況模擬。

步驟①中即對(duì)土體飽和狀態(tài)進(jìn)行了假定，可知從模型分析的開始至第90天是地下水位均維持于地表位置。根據(jù)該工點(diǎn)水位變化情況相關(guān)資料調(diào)研結(jié)果，將水位下降時(shí)長設(shè)置為150 d，即水位變化時(shí)間段為90～240 d。針對(duì)這一分析過程，對(duì)模型邊界條件進(jìn)行修改，將右側(cè)邊界設(shè)置亦設(shè)為透水邊界，通過在模型底部施加抽水荷載模擬水位下降情況，使水位自模型頂面在此時(shí)間段內(nèi)勻速下降10 m。

表3 模型參數(shù)Table3 Modelparameters樁側(cè)土層深度/m彈性模量/MPa重度/(kN·m-3)粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)粉質(zhì)黏土1215621823342210粉質(zhì)黏土2486771980367217粉質(zhì)黏土31166531891351236淤泥質(zhì)黏土3213711550124106中砂386600191001350

圖4 有限元網(wǎng)格圖Figure 4 Finite element grid

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

① 孔隙水壓力分析。

沉樁完成時(shí)刻樁周土體內(nèi)的孔隙水壓力分布情況如圖5及圖6所示。

圖5 沉樁完成時(shí)超孔隙水壓力沿徑向分布曲線Figure 5 Pile finish time of excess pore water pressure distribution curvein theradial

圖6 土體超孔隙水壓力沿深度方向的分布曲線Figure 6 Soil excess pore water pressure distribution curve in the depth direction

圖5為沉樁完成時(shí)不同水平位置超孔隙水壓力沿徑向分布曲線圖。由5圖可知:在沉樁完成時(shí)，樁側(cè)的孔隙水壓力沿徑向方向呈雙曲線分布，這與現(xiàn)場測試值]和超孔隙水壓力理論所得到的規(guī)律一致[2]。樁土接觸界面處的超孔隙水壓力最大值為72.1 kPa，在距離樁體約10 m(20倍樁徑)以外的土體內(nèi)部超孔隙水壓力值漸趨于0，說明打樁過程對(duì)這一區(qū)域土體的影響甚微，打樁擠土效應(yīng)的影響半徑即為10 m(20倍樁徑)。

圖6為沉樁完成時(shí)距離樁體不同位置處土體的超孔隙水壓力隨深度變化曲線圖。由圖6可知: 距離樁體在4.5 m(9倍樁徑)范圍內(nèi)的土體超孔隙水壓力均大于5 kPa，超過4.5 m范圍則逐步減小，在距樁體10.5 m(21倍樁徑)處土體的超孔隙水壓力已基本趨近于0。由于沉樁過程中模型上下邊界均設(shè)置為排水邊界，故超孔隙水壓力有部分消散情況，因而圖中曲線上下兩端處均有變化幅度較大的個(gè)別點(diǎn)。超孔隙水壓力在樁表面附近隨深度方向呈現(xiàn)稍許的下降趨勢(shì)，但隨土體與樁體間距的增加，這種下降趨勢(shì)逐漸減小，在21倍樁徑位置處已很難發(fā)現(xiàn)。

② 土體沉降分析。

圖7及圖8所示為自模型中提取的樁周土沉降情況。

圖8 樁體徑向不同位置處地表沉降隨時(shí)間變化曲Figure 8 Surface subsidence versus time at different locations radially pile

由圖7可知： 無論在哪一時(shí)刻，下方土體的沉降均將累計(jì)至地表處，故地表沉降量最大，隨深度的增加沉降量將逐漸減小。此外，在沉樁完成后的前60 d中土體沉降增速較快，這一速度在第60天到第90天時(shí)間段內(nèi)逐步減緩，漸趨穩(wěn)定；90天時(shí)該處地表沉降量為16.39 mm。在加入水位變化工況后，沉降將再次出現(xiàn)，且將引起較大的沉降，240 d時(shí)該處地表沉降量為29.98 mm，與原本已趨于穩(wěn)定的第90天相比較，水位變化又引起了13.59 mm的沉降，沉降增幅為82.91%。

由圖8可知: 無論在哪一時(shí)刻，距樁體較近位置處的土體沉降較大，沉降量沿遠(yuǎn)離樁體方向逐步減??；各位置處的沉降量大體隨時(shí)間而增大，在未施加水位下降工況時(shí)，沉降在第90天時(shí)逐步趨于穩(wěn)定，且以距離樁體約15 m為界，遠(yuǎn)端固結(jié)沉降量甚微。固結(jié)沉降的影響范圍比孔隙水壓力的最大影響半徑稍大；在水位下降后整體沉降將再次加大，受水位的影響較大的部分為近樁處土體，可以發(fā)現(xiàn)隨與樁體間距離的增大，土體沉降量逐步減小，沉降量在距離樁體30 m處已基本趨于穩(wěn)定值。

3.3 結(jié)果驗(yàn)證

圖9所示為工程現(xiàn)場沉降監(jiān)測點(diǎn)(樁側(cè)0.5 m)在沉樁完成后的地表沉降與模型相應(yīng)位置計(jì)算值對(duì)比圖。

圖9 實(shí)測沉降與計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖Figure 9 The settlement of the actual detection value compared with the calculation results

由圖9可知: 模型計(jì)算結(jié)果較監(jiān)測結(jié)果稍小，但總體趨勢(shì)與實(shí)測曲線基本吻合。此外，樁周土體沉降速度為先快后慢，與前文分析的孔隙水壓消散速度演變趨勢(shì)相同。因而認(rèn)為本模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本相符，所得土體沉降情況可作為樁側(cè)摩阻力計(jì)算的數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)水位升降環(huán)境下樁周沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)和有限元計(jì)算結(jié)果綜合分析，得到了如下結(jié)論：

① 沉樁完成時(shí)，樁側(cè)的孔隙水壓力沿徑向呈雙曲線分布，樁土接觸界面處的超孔隙水壓力最大值為72.1 kPa，距離樁體10 m以外的土體內(nèi)部超孔隙水壓力值漸趨于0；沉樁完成后的前60 d，沉降增加很快，60 d后沉降趨緩；90天時(shí)固結(jié)沉降將基本完成，此時(shí)沉降量為16.39 mm；在加入水位變化工況后，沉降再次出現(xiàn)，且將引起較大的沉降，240 d時(shí)該處地表沉降量為29.98 mm，相對(duì)原已趨于穩(wěn)定的第90天而言，水位變化在其基礎(chǔ)上又造成了13.59 mm的沉降，增幅為82.91%。受水位的影響較大的部分為近樁處土體，隨與樁體間距離的增大，土體沉降量逐步減小。

② 在本文研究的飽和軟黏土土質(zhì)中，水位升降環(huán)境作用下的擠土樁在沉樁完成后，由于超孔隙水壓力的釋放以及水位變化對(duì)其的影響，樁周土體存在一個(gè)固結(jié)階段，短時(shí)間內(nèi)樁周土的超孔隙水壓并不能完全消散，規(guī)范中的關(guān)于施工間隔時(shí)間的規(guī)定僅為25 d，而這一固結(jié)沉降過程遠(yuǎn)非25 d所能完成，這將使得試驗(yàn)所得的樁基承載力及沉降評(píng)估結(jié)果存在嚴(yán)重偏差，樁基的承載能力將被低估。結(jié)合前文分析，認(rèn)為本文所涉及土質(zhì)及樁型情況下，施工間歇時(shí)間宜以90 d左右為佳，同時(shí)，必須考慮水位變化對(duì)擾動(dòng)土體固結(jié)沉降量的加劇作用。實(shí)際施工時(shí)應(yīng)將該時(shí)間適當(dāng)延長，否則將對(duì)樁體工作性能產(chǎn)生不利影響；同時(shí)，在水位變化的影響下，沉降穩(wěn)定時(shí)間更為漫長，建議提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以抵御其不利影響。

[1] 朱泓,殷宗澤.打樁效應(yīng)的有限元分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),1996,24(1):56-61.

[2] 趙健,曾勝,甘先永,等.樁周土重固結(jié)在擠土樁上產(chǎn)生的負(fù)摩擦力及其時(shí)效性[J].中國公路學(xué)報(bào),2008,21(3):14-16.

[3] 華正良.硬殼層軟土地基一維固結(jié)特性研究[J].公路工程,2015(01):225-228.

[4] 尚群英.干濕循環(huán)環(huán)境下超長樁荷載傳遞特性研究[J].公路工程,2015(05):82-85+90.

[5] 朱泓,殷宗澤.打樁效應(yīng)的有限元分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),1996,24(1):56-61.

[6] 岳健,冷伍明,聶如松,等.深厚淤泥地基中高路堤橋臺(tái)基樁工作性狀的現(xiàn)場實(shí)測與分析[J].巖土力學(xué),2011(11):3333-3340.

[7] 田雪飛,盧海筠,閆景俠,等.后壓漿灌注樁基承載力計(jì)算方法比較研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2013(S1):372-377.

[8] 李澐瓏,謝支鋼,張家宇,等.浮動(dòng)鉆孔平臺(tái)在三峽庫區(qū)深水樁基施工中的應(yīng)用[J].交通科技,2013(04):13-15.

[9] 易篤韜,邵旭東,李立峰,等.軟土地基上橋臺(tái)樁基受力算法研究[J].中國公路學(xué)報(bào),2007(05):59-64.

[10] 邵旭東,易篤韜,李立峰,等.軟土地基橋臺(tái)受力分析[J].中南公路工程,2004(02):37-40+44.

[11] 吳建寧.洞庭湖地區(qū)軟土工程地質(zhì)性狀初探[J].中南公路工程,2004(02):136-138.

[12] 徐國文,劉多文.洞庭湖區(qū)高速公路軟土特性及處理方法[J].中南公路工程,2003(02):65-67.

[13] 尹楊輝.二線非線性鄧肯 — 張模型分析軟基沉降變形規(guī)律[J].湖南交通科技，2015，41(1):33-35.

[14] 龔燕軼.湖泛區(qū)大型軟基預(yù)制梁場方案規(guī)劃與設(shè)計(jì)[J].湖南交通科技，2015，41(2):131-135.

[15] 張發(fā)如，周庚.某一級(jí)公路地基工程地質(zhì)評(píng)價(jià)及處理方案研究[J].湖南交通科技，2012，38(3)：42-44.

Study on Water Level Changes on the Settlement of Pile Foundation on Soft Ground Area of Dong Ting Lake

CHEN Kala, YANG Zhongjin

(Zhejiang Wenzhou Shenhai Expressway Co., Ltd, Wenzhou, Zhejiang 325000, China)

Lakes water level fluctuation change will occur soft foundation consolidation, will have a greater impact on the performance of pile foundation work area.To explore influence of water level fluctuations on the pile foundation,In this paper, a high-speed A high fill sections of pile foundation for the study.In this paper,a high pile foundation in Yue Chang expressway embankment sections as the object of study, based on the finite element software ADINA results,for pile driving process, pile disturbed soil consolidation process produces and soil water level changes caused by post-settlement process in three steps by numerical simulation, and analysis of the observational data and numerical simulation results.The results showed that when the pile is complete, the pore water pressure in the radial side of the pile hyperbolic distribution, water levels have a greater impact on the soil near the pile,with the distancebetweenthe pile increases, gradually reduce the amount of soilsubsidence.At the same time, under the influence of changes in water level, the settlement will take longer to stabilize, so that the need to take appropriate measures to ensure the performance pile.

rise and fall of water level； pile foundation； soft soil foundation； settlement； numerical analysis

2016 — 08 — 24

陳卡拉(1973-)，男，浙江溫州人，高級(jí)工程師，從事高速公路建設(shè)與管理工作。

TU 473

A

1674 — 0610(2016)06 — 0214 — 05