堆填土固結(jié)對(duì)樁基礎(chǔ)影響的三維模擬分析

劉星

(深圳市勘察測(cè)繪院有限公司, 廣東 深圳, 518000)

堆填土固結(jié)對(duì)樁基礎(chǔ)影響的三維模擬分析

劉星

(深圳市勘察測(cè)繪院有限公司, 廣東 深圳, 518000)

基于比奧固結(jié)理論, 結(jié)合已有地質(zhì)資料建模, 模擬了樁基礎(chǔ)在不同堆填距離、時(shí)間下受堆填土荷載作用后的受力和位移。結(jié)果顯示, 隨著堆填土離樁基礎(chǔ)距離和固結(jié)時(shí)間的變化, 樁頂沉降、水平位移、最大剪應(yīng)力和橫梁應(yīng)力也發(fā)生相應(yīng)的變化, 隨著堆填距離增加和固結(jié)時(shí)間的持續(xù), 樁頂沉降、水平位移、最大剪應(yīng)力和橫梁應(yīng)力出現(xiàn)不同規(guī)律的增大。該結(jié)果表明樁基礎(chǔ)附近長(zhǎng)時(shí)間堆填土體, 且堆填距離太小將造成樁基礎(chǔ)的損壞, 因此, 堆填土對(duì)樁基礎(chǔ)的影響是不容忽視的。

堆填土; 樁基礎(chǔ); 比奧固結(jié)理論; 淤泥質(zhì)土

在堆填荷載作用下, 樁基礎(chǔ)周圍土體發(fā)生固結(jié)作用, 土體孔隙水壓力迅速增大, 隨著固結(jié)作用的持續(xù), 土體內(nèi)超孔隙水壓逐漸消散, 有效應(yīng)力逐漸增大, 沉降量增大, 固結(jié)逐漸完成。太沙基固結(jié)理論的原理是總應(yīng)力在土體固結(jié)的過程中保持不變[1], 該理論計(jì)算簡(jiǎn)潔, 結(jié)果精確, 但假設(shè)條件適用范圍窄。比奧固結(jié)理論[2–3]則認(rèn)為總應(yīng)力是隨時(shí)間不斷發(fā)生變化的, 即土體內(nèi)超孔隙水壓力大于原有初始孔隙水壓力, 該理論雖然計(jì)算過程復(fù)雜, 甚至無法得到解析解, 但能夠解決巖土工程中大量的非線性問題。用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)將比奧固結(jié)理論和有限元計(jì)算方法結(jié)合起來, 對(duì)土體進(jìn)行模擬計(jì)算能得到更加可靠的結(jié)果。本文基于比奧固結(jié)理論, 結(jié)合某沿海圍墾工程, 建立了三維彈塑性有限元模型, 對(duì)樁基礎(chǔ)在堆填土作用下的地基土固結(jié)過程進(jìn)行了模擬, 研究了不同堆填土與樁基礎(chǔ)間距下的樁土作用性狀, 研究結(jié)論可以為樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)及維護(hù)提供理論依據(jù)和參考。

1 工程概況

沿海某高速公路設(shè)計(jì)采用高架橋形式通過海岸灘涂。采用跨徑為50 m和30 m的預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋, 基礎(chǔ)形式均為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。鉆孔資料顯示: 上述橋段基礎(chǔ)地質(zhì)條件相似, 位于海邊海積平原,屬圍墾區(qū); 表層為軟塑亞黏土, 厚度1.5～5.0 m; 上部為軟土, 主要為淤泥和淤泥質(zhì)黏土, 性質(zhì)較差;中部主要為厚層黏土和粉質(zhì)黏土, 硬塑與軟塑交替出現(xiàn); 下部為硬塑黏性土和礫石、卵石層[4]。

2 模型及計(jì)算

參照文獻(xiàn)[5], 給出計(jì)算過程中的基本假定: (1) 土體為均質(zhì)彈塑性體, 本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型, 樁采用彈性體模型; (2) 采用總應(yīng)力分析法, 即認(rèn)為由建筑荷載引起超靜孔壓已消散; (3) 樁體為線彈性材料; (4) 不考慮地下水位的影響。

土體共分為5層, 從地表向下分別為淤泥4.5 m, 淤泥質(zhì)黏土21.6 m, 粉質(zhì)黏土4.7 m, 黏土24.2 m和粉質(zhì)黏土11.3 m。下方為礫石層, 由于礫石層承載力較好, 作為底部約束邊界考慮。選擇有限元軟件ADINA進(jìn)行建模, 模型取平行樁基間橫梁方向?yàn)閄軸, 垂直橫梁方向?yàn)閅軸, 重力方向?yàn)閆軸。模型X向長(zhǎng)度為100.0 m, Y向長(zhǎng)度為60.0 m, Z向取到地表下66.0 m。土體作為彈塑性體考慮, 本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫模型, 樁采用彈性體模擬[6–8]。由于不考慮堆填土體的邊坡穩(wěn)定性, 采用彈性體模擬。填土密度取1 800 kg/m3?？紤]到沉降變形的影響, 擬填筑3.0 m, 分6層填筑, 每層0.5 m, 每層填筑期為10 d, 總填筑期共60 d。模型底邊界為Z向約束, 四周為水平向約束。底邊界和四周為不排水邊界, 上部地表除堆填區(qū)域外自由水位面為排水邊界。各層土所采用的計(jì)算參數(shù)均來自室內(nèi)試驗(yàn)[9], 各參數(shù)詳見表1。

表1 各巖土體所采用計(jì)算參數(shù)

為了適應(yīng)樁的形狀, 更為真實(shí)地模擬該工程, 模型采用四面體自由剖分[10]。模型包括土體和樁體, 共剖分17 282個(gè)節(jié)點(diǎn),88 814個(gè)單元, 剖分后的有限元網(wǎng)格見圖1。

圖1 有限元模型網(wǎng)格

3 樁基礎(chǔ)位移和應(yīng)力場(chǎng)綜合分析

堆填間距L為3樁中心點(diǎn)至填土的最近距離, 本文模擬了L= 10、12、14、16 m四種工況下, 固結(jié)時(shí)間為0、200、400、600、1 000 d的位移和應(yīng)力變化情況。位移和應(yīng)力場(chǎng)的極值結(jié)果詳見表2。

樁體在堆填土的作用下會(huì)發(fā)生位移, 由表2可以看出, 在堆填土荷載作用下, 樁頂沉降量并不大。當(dāng)堆填土荷載離樁體中心距離L = 10 m時(shí), 樁頂沉降值達(dá)到最大為1.24 mm, 隨著L的增大樁頂沉降逐漸減小, L = 16 m時(shí), 樁頂沉降最大值為0.68 mm。這是因?yàn)樵诙烟钔恋淖饔孟? 地基土進(jìn)一步發(fā)生固結(jié), 帶動(dòng)樁體發(fā)生沉降, 隨著L的增大, 堆填土的作用減小, 樁體沉降也就減小, 對(duì)樁的安全影響不大。

在堆填土的作用下, 表現(xiàn)很明顯的是樁身水平位移。表2顯示, 當(dāng)L = 10 m時(shí), 水平位移最大值達(dá)到64.41 mm; 隨著L的增大樁身水平位移最大值有所減小, 當(dāng)L = 16 m時(shí), 水平位移最大值為56.26 mm。這是由于堆填土對(duì)樁周土進(jìn)行了擠壓, 帶動(dòng)樁體發(fā)生位移。隨著L的增大, 堆填土對(duì)樁基的影響逐漸變小。

樁基在堆填土的作用下, 樁體的受力也發(fā)生了變化。表2顯示, 當(dāng)L = 10 m時(shí), 樁身最大剪應(yīng)力為1.30 MPa, 隨著L的增大樁身剪應(yīng)力最大值逐漸減小, 當(dāng)L = 16 m時(shí), 樁身最大剪應(yīng)力為1.07 MPa, 變化不大, 不需要對(duì)已有的樁體進(jìn)行加固。

橫梁是聯(lián)系樁保持樁基整體性的重要組成部分, 橫梁的安全對(duì)樁基的穩(wěn)定意義重大。由表2可知,在堆填土的作用下, 當(dāng)L = 10 m時(shí), 橫梁應(yīng)力最大值為3.31 MPa, 隨著L的增大, 橫梁應(yīng)力最大值有所減小, 當(dāng)L = 16 m時(shí), 橫梁應(yīng)力最大值為2.67 MPa。由于橫梁的應(yīng)力都大于2 MPa, 容易發(fā)生拉破壞, 因此, 樁間的橫梁需要加固處理以確保其穩(wěn)定性。

表2 位移場(chǎng)的極值

4 樁體位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)變化分析

4.1 樁頂沉降

如圖2所示, 當(dāng)堆填土距離樁中心較近時(shí), 樁頂沉降在靠近堆填土?xí)r有一個(gè)回彈的趨勢(shì), 隨著堆填土距離繼續(xù)變?cè)龃? 這種回彈趨勢(shì)和幅度將會(huì)減小。隨著基礎(chǔ)的固結(jié), 樁頂沉降回彈幅度逐漸減小, 這是由于土體超孔隙水壓逐漸消散, 有效應(yīng)力增大的緣故, 基礎(chǔ)趨向安全?？傮w來說, 上述分析中出現(xiàn)的樁頂沉降不大, 對(duì)樁的整體安全影響不大。

4.2 水平位移

如圖3所示, 水平位移較樁頂沉降更為明顯, 最大值達(dá)63.2 mm, 這是因?yàn)樵诙演d作用下孔隙水壓力增大, 土骨架發(fā)生變形。隨著固結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng), 孔隙水壓力逐漸消散, 水平最大位移有回彈的趨勢(shì),并且逐漸趨向穩(wěn)定, 填土對(duì)樁基礎(chǔ)的影響也逐漸變小。

圖2 樁頂沉降變化

圖3 水平位移變化

4.3 樁身最大剪應(yīng)力

如圖4所示, 當(dāng)堆填土距離樁中心較近時(shí), 樁身最大剪應(yīng)力為1.32 MPa, 隨著堆填土距樁基礎(chǔ)的距離增大, 樁身最大剪應(yīng)力逐漸減小。隨著固結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng), 孔隙水壓力逐漸消散, 水平最大剪應(yīng)力有減小的趨勢(shì), 并且逐漸趨向穩(wěn)定, 這種減小趨勢(shì)和幅度將會(huì)減小。

4.4 橫梁最大應(yīng)力

多樁基礎(chǔ)之間的橫梁是樁基礎(chǔ)的重要組成部分, 它能夠加強(qiáng)樁基礎(chǔ)的整體性, 減小不均勻沉降。如圖5所示, 當(dāng)堆填土距離樁中心較近時(shí), 橫梁上的最大應(yīng)力達(dá)到3.3 MPa, 隨著堆填土距樁基礎(chǔ)的距離增大, 樁身最大剪應(yīng)力逐漸減小。隨著固結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng), 孔隙水壓力逐漸消散, 橫梁最大應(yīng)力有減小的趨勢(shì), 但最大應(yīng)力在2 MPa以上, 影響樁基礎(chǔ)的安全性。

圖4 最大剪應(yīng)力變化

圖5 橫梁最大應(yīng)力變化

5 結(jié)論

本文基于比奧固結(jié)理論, 結(jié)合某沿海圍墾工程, 對(duì)樁基礎(chǔ)在堆填土作用下的地基土固結(jié)過程進(jìn)行了模擬, 研究了堆填土與樁基礎(chǔ)間距對(duì)樁的影響, 得到以下結(jié)論。

(1) 由于淤泥與淤泥質(zhì)土的滲透系數(shù)非常小, 導(dǎo)致土體填筑之后大部分荷載被孔隙水壓力所承擔(dān),土體顆粒承擔(dān)的荷載較小, 沉降量也相對(duì)較小, 填筑完成時(shí)的沉降量基本在12.0 mm左右, 由于超孔壓消散很慢, 隨著固結(jié)時(shí)間的增加沉降量增量很小, 樁身處于安全狀態(tài)。

(2) 土體的水平位移以向樁側(cè)位移為主, 且隨著堆填距離的增加, 水平位移逐漸減小。由于固結(jié)非常緩慢, 隨著固結(jié)過程的進(jìn)行, 水平位移都有輕微的減小。

(3) 樁身最大剪應(yīng)力主要集中在樁與橫梁交接處的樁身部位, 在堆填土荷載的各個(gè)工況下, 樁身的最大剪應(yīng)力均小于1.3 MPa, 遠(yuǎn)小于樁的抗剪強(qiáng)度, 對(duì)樁身影響不大, 設(shè)計(jì)時(shí)不需要加大樁抗剪強(qiáng)度。

(4) 在各種工況乃至固結(jié)完成的條件下, 橫梁的最大拉應(yīng)力都超過2.0 MPa, 容易發(fā)生拉壞, 因此,樁間的橫梁需要加固處理來確保其穩(wěn)定性。

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(責(zé)任編校: 江河)

3D simulation analysis of the landfill soil consolidation effect on pile foundation

Liu Xing
(Shenzhen Geotechnical Investigation and Surveying Institute Co Ltd, Shenzhen 518000, China)

Based on Biot’s consolidation theory, and according to the model as well as the existing geological data,the stress and displacement of the pile foundation is simulated under the load of landfill soil in different conditions.The results show that the pile top settlement, horizontal displacement, shear stress and beam stress have corresponding change with the change of the distance between pile foundation and the landfill soil and the consolidation time. With the increase of filling distance and the consolidation time, the settlement of pile top,horizontal displacement, maximum shear stress and beam stress appear to be different enlargement. It is confirmed that the influence of landfill soil on pile foundation is not to be ignored. Landfill soil with a long time will cause damage to the pile foundation.

landfill soil; pile foundation; Biot’s consolidation theory; mucky soil

TU 42

: A

1672–6146(2017)03–0079–04

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.03.017

劉星, 893489869@qq.com。

: 2017–02–18