剛性樁復(fù)合地基沉箱擋土結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

田利勇，張雨劍，鄢亞軍

(上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司， 上海 200063)

上海市土地資源稀缺，圍海造田是解決用地需求的重要工程手段。在高灘圍墾岸線資源日趨緊張的情況下，在具備施工條件的淺海低灘開展圍墾工程已經(jīng)成為拓展城市版圖的重要方法[1]。低灘圍墾的地質(zhì)條件和施工方法較高灘圍墾有較大區(qū)別，因此圍堤的結(jié)構(gòu)形式也需要進(jìn)行新的探索[2-3]。

沉箱結(jié)構(gòu)在海港工程中運(yùn)用十分廣泛，近年來也被應(yīng)用于圈圍工程，可適用于低灘地區(qū)圈圍工程。上海地處軟土地區(qū)，沉箱結(jié)構(gòu)由于上部結(jié)構(gòu)荷載大，天然地基承載力及沉降位移變形較難滿足要求，需對地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。本文針對上海某實際工程提出了一種剛性樁復(fù)合地基沉箱擋土結(jié)構(gòu)，為驗證該結(jié)構(gòu)的安全性，通過PLAXIS有限元分析軟件，使用HSS模型對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了其沉降、變形及內(nèi)力。

1 剛性樁復(fù)合地基沉箱擋土結(jié)構(gòu)設(shè)計

本工程岸線處灘地高程約為-6.0 m(上海吳淞高程，下同)，根據(jù)防洪要求，圍堤堤身高度近16 m。根據(jù)地質(zhì)勘察成果揭示，擬建圍堤沿線的地基淺表層分布為厚達(dá)10 m～15 m的高壓縮性、高靈敏度軟弱土層。為確保圍堤穩(wěn)定、變形可控、施工可行，本文提出一種剛性樁復(fù)合地基沉箱擋土結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計如下。

1.1 沉箱結(jié)構(gòu)

沉箱采用鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)，沉箱底板寬度(垂直堤身方向)18 m，沉箱分段長度(順堤身方向)15 m。沉箱頂部高程在滿足施工水位要求的前提下，盡量降低，設(shè)為4.50 m。沉箱結(jié)構(gòu)底板厚0.7 m，臨水側(cè)前趾寬1.0 m，臨土側(cè)后踵寬1.0 m。沉箱臨水側(cè)外壁厚0.5 m，其余三側(cè)外壁厚0.35 m，每個沉箱內(nèi)部被分隔為12個空箱，沉箱間垂直縫寬50 mm，箱體間采用對接頭型式。單個標(biāo)準(zhǔn)沉箱體重約1 500 t。

1.2 上部防浪墻結(jié)構(gòu)

沉箱臨水側(cè)頂部設(shè)置現(xiàn)澆鋼筋混凝土防浪墻。防浪墻底板厚1.5 m，沉箱深入底板0.5 m，底板寬4.75 m，墻頂高程為11.0 m。墻身后側(cè)設(shè)置10 m寬堤頂平臺，其上布置防汛道路。為確保高潮位期間反向滲流穩(wěn)定，堤頂后側(cè)采用約1∶7緩坡放坡至圍內(nèi)場地標(biāo)高。

1.3 反濾層設(shè)計

沉箱后側(cè)設(shè)置減壓排水棱體，排水棱體頂標(biāo)高4.0 m。上方鋪設(shè)反濾層。反濾層由0.5 m厚二片石、0.5 m厚級配碎石及400 g/m2無紡?fù)凉げ冀M成，三種材料的界面坡度分別為1∶1、1∶1.25及1∶1.5。

1.4 護(hù)灘設(shè)計

在沉箱結(jié)構(gòu)前側(cè)布置25 m范圍的拋石，頂標(biāo)高-3.5 m～-4.5 m，厚度約2.5 m～1.5 m，拋石底部鋪設(shè)砂肋軟體排。拋石前方布置10 m范圍的混凝土連鎖塊余排。

1.5 地基處理

本工程堤身結(jié)構(gòu)豎向尺度達(dá)16 m，經(jīng)計算基礎(chǔ)底部平均應(yīng)力高達(dá)300 kPa，天然地基承載力及沉降量都明顯不能滿足規(guī)范要求。通過施工可行性和經(jīng)濟(jì)性比較，采用B型PHC管樁進(jìn)行地基處理，見圖1。從前(臨水側(cè))至后(臨土側(cè))布置12排，采用等邊三角形布置，樁間距3 m。第1排樁長17 m，樁徑1 200 mm；第2～9排樁長17 m，直徑1 000 mm；第10～12排樁長15 m，樁徑1 000 mm。末排樁基后側(cè)布置10排15 m長塑料排水板，間距1.5 m。

1.6 基床和褥墊層

在豎向力和水平力聯(lián)合作用下，為充分發(fā)揮剛性樁復(fù)合地基中土的承載能力，可以在承臺下鋪設(shè)褥墊層，以實現(xiàn)樁、土共同承受荷載的目的。且由于本工程施工條件不利于將沉箱和樁基進(jìn)行剛性連接，故采用設(shè)置褥墊層的過渡方式來解決兩者間的受力傳遞問題。褥墊層底部采用300 mm碎石，上部再設(shè)置1 000 mm厚拋石。

剛性樁復(fù)合地基沉箱擋土結(jié)構(gòu)設(shè)計斷面見圖2。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)段樁位布置圖

圖2剛性樁復(fù)合地基沉箱擋土結(jié)構(gòu)斷面圖

2 有限元模型建立

剛性樁復(fù)合地基沉箱擋土結(jié)構(gòu)是一種豎向、水平荷載聯(lián)合作用下剛性樁復(fù)合地基(沉箱-褥墊層-樁基)結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)受力及傳力體系比較復(fù)雜。近年來南文文[4]、劉漢龍等[5]、鄭剛等[6]、劉光磊等[7]、梁發(fā)云等[8-9]對剛性樁復(fù)合地基在水平荷載作用下的承載性能進(jìn)行了分析研究，其中有限元分析是一種比較實用可行的分析方法，本文將采用PLAXIS有限元分析軟件對其開展分析研究。

2.1 土的本構(gòu)模型選擇

用于巖土工程數(shù)值模擬的常見彈塑性土體本構(gòu)模型有摩爾-庫侖(MC)模型、基于MC模型修改的德魯克-普拉格(DP)模型、修正劍橋(MCC)模型、應(yīng)變硬化(HS)模型[10]、小應(yīng)變硬化(HSS)模型等[11]。與上述其他本構(gòu)模型相比，HSS(Hardening Soil Small-strain, HSS)模型可以反映土的硬化特征，并且可以體現(xiàn)應(yīng)力歷史和應(yīng)力路徑對土體變形的影響[12-14]，故采用HSS模型進(jìn)行土體結(jié)構(gòu)模擬。與HS模型相比，HSS模型增加了兩個小應(yīng)變特征參數(shù)，分別為小應(yīng)變試驗初始剪切模量G0和割線剪切模量降低至初始剪切模量的70%時所對應(yīng)的閾值剪應(yīng)變γ0.7。其余參數(shù)與HS相同，包括：

表1 土體HHS模型參數(shù)表

2.2 樁結(jié)構(gòu)與界面單元模型

PLAXIS軟件在巖土工程分析中有著十分廣泛的應(yīng)用。在實際工程案例中，通常使用板單元模擬板殼類混凝土結(jié)構(gòu)，如擋墻、基礎(chǔ)(筏板)及其他可以等效成板類的土工結(jié)構(gòu)。建模時在板的屬性中輸入等效的重度、彈模等參數(shù)，并通過板單元的激活和關(guān)閉實現(xiàn)不同施工工況的模擬。

PLAXIS軟件支持對樁單元的定義，本文采用Embedded pile單元實現(xiàn)對樁基礎(chǔ)的模擬。Embedded pile單元為簡化樁模型，樁側(cè)摩阻力及樁底反力根據(jù)地勘資料輸入到單元參數(shù)中，這樣可以在模擬計算中較為方便的得到樁身軸力及側(cè)摩阻力。

PLAXIS通過使用滿足庫侖準(zhǔn)則的界面單元實現(xiàn)土與結(jié)構(gòu)的相互作用，具體分為彈性階段和彈塑性階段：

當(dāng)界面處于彈性階段時，

τ<σntanφi+ci

(1)

當(dāng)界面出現(xiàn)塑性時，

τ=σntanφi+ci

(2)

式中：φi和ci分別為界面的摩擦角和黏聚力。界面單元的強(qiáng)度屬性與土體的參數(shù)有關(guān)，界面單元的強(qiáng)度由土體的參數(shù)和折減因子(Rinter)決定。

2.3 計算模型與網(wǎng)格劃分

計算模型垂直方向深度為60 m；水平方向?qū)挾葹?30 m。土體設(shè)置為等三角形15節(jié)點單元，沉箱及擋墻結(jié)構(gòu)選用板單元建模，樁基礎(chǔ)使用樁單元建模。通過單元的開關(guān)模擬施工步驟。網(wǎng)格劃分后的有限元模型見圖3。

3 計算結(jié)果分析

3.1 總體沉降分析

完工階段的沉箱擋土結(jié)構(gòu)沉降模擬結(jié)果見圖4，根據(jù)計算結(jié)果可知，圩內(nèi)填土沉降值控制在了900 mm以內(nèi)。并且由于沉箱后側(cè)樁基的作用，圩內(nèi)與堤身的沉降差得到了良好的過渡。

圖3計算模型網(wǎng)格劃分圖

圖4總體垂直位移云圖

3.2 沉箱結(jié)構(gòu)變形分析

沉箱底板位移見表2。根據(jù)計算可知，沉箱底板最大沉降發(fā)生在前沿，為198.3 mm；最小沉降發(fā)生在后沿，為169.1 mm；沉降差為29.2 mm。底板水平位移為85.7 mm。底板最大沉降值及沉降差均滿足相關(guān)規(guī)范及使用要求。

表2 沉箱底板位移表

沉箱前墻位移見表3。根據(jù)計算可知，前墻垂直沉降量為196.2 mm。前墻頂部水平位移最大，為106 mm，前墻底部水平位移最小，為85.9 mm，不均勻水平位移值為20.1 mm，豎向傾斜率為1.91‰。前墻傾斜變形較小，可滿足相關(guān)規(guī)范及使用要求。

表3 沉箱前墻位移表

3.3 樁基變形分析

樁頂位移計算結(jié)果見表4。根據(jù)單樁變形分布模擬結(jié)果可知，單樁最大水平位移均發(fā)生在樁頂處，其中最大值為73.3 mm，發(fā)生在第7排(底板下方倒數(shù)第2排)樁。

表4 樁基位移、彎矩表

3.4 樁基內(nèi)力分析

樁基彎矩計算結(jié)果見表4。根據(jù)計算可知，首排樁由于受沉箱前被動土壓力作用最為突出，所承受的負(fù)向彎矩最大，達(dá)到1 633.5 kN·m，該排樁采用Φ1200B型PHC管樁，樁基抗裂彎矩為1 668 kN·m。其余樁基均采用采用Φ1000B型PHC管樁，樁基抗裂彎矩為1 003 kN·m，其中末排樁由于受圩內(nèi)吹填土主動土壓力作用最為突出，所承受的正向彎矩最大，達(dá)到708.9 kN·m；最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在第3排樁，為832.2 kN·m。綜上，該結(jié)構(gòu)樁基承載力均滿足要求。

4 結(jié) 論

(1) 沉箱擋土結(jié)構(gòu)受圩內(nèi)填土影響，總體呈現(xiàn)水平前移及墻體前傾變形。沉箱前墻底部最小水平位移量為85.9 mm，前墻頂部最大水平位移量為106 mm，水平位移差為20.1 mm，豎向傾斜率為1.91‰；沉箱底板前沿沉降量為198.3 mm，后沿沉降量為169.1 mm，沉降差為29.2 mm；沉箱總沉降量、沉降差及傾斜度均可滿足正常使用要求。

(2) 沉箱擋土結(jié)構(gòu)首排樁受墻前被動土壓力作用最突出，所承受的負(fù)向彎矩最大；末排樁受圩內(nèi)吹填土主動土壓力作用最突出，所承受的正向彎矩最大。結(jié)構(gòu)各樁基內(nèi)力均滿足承載力要求。

(3) 本文結(jié)合上海軟土地區(qū)特點，提出的采用帶褥墊層的剛性樁復(fù)合地基沉箱擋土結(jié)構(gòu)在運(yùn)行期間位移變形及結(jié)構(gòu)內(nèi)力均可滿足要求，結(jié)構(gòu)形式基本合理可行，為軟土地區(qū)深水圈圍工程提供一種新的結(jié)構(gòu)形式，具有一定的應(yīng)用前景。