潮汐區(qū)CFG樁施工成樁影響分析

時貞祥，張瑋，李文禎，劉子超，陳煥，曹晨陽

（中國電建市政建設(shè)集團有限公司，天津 300384）

1 引言

CFG 樁，即水泥粉煤灰碎石樁，通過各種材料按比例機械混合制成的具有可變強度的基礎(chǔ)形式[1]，在土木建筑行業(yè)有廣泛的應(yīng)用[2-3]，尤其適用于對地基的土質(zhì)改善，滿足地基承載的要求[4]。在沿海城市，土木工程建設(shè)過程中不可避免會遇到海相淤泥質(zhì)黏土地層，淤泥質(zhì)地層不僅承載性能弱，還易隨土體間滲流流動[5]。CFG 樁施工過程中會受到淤泥侵入、樁與樁之間的相互擠壓等因素影響，施工質(zhì)量難以有效控制，無法達到預期目標[6-8]。其中，潮汐作用帶來的孔壓變化將加劇淤泥質(zhì)土層對CFG 樁體質(zhì)量的影響[9]，同時，CFG 樁施工過程也改變淤泥層排水情況，地基在潮汐作用下不均勻固結(jié)沉降[10]。

趙秀紹[11]等以實際工程為例，對CFG 樁施工時的孔隙水壓力進行監(jiān)測，并對施工過程的孔隙水壓力變化進行了劃分。Juan 等[12]對加州橋梁改造時，監(jiān)測基礎(chǔ)在泥漿等軟土地層中施工變形情況。Hwang[13]等對在臺灣地區(qū)淤泥質(zhì)軟土中進行樁基施工的過程進行監(jiān)測，確定樁驅(qū)動阻力與軟土地層之間的相關(guān)性。唐世棟等[14]通過對擠土樁施工過程中實測資料的分析和理論研究，分析了飽和軟土中群樁范圍內(nèi)超孔隙水壓力的產(chǎn)生條件。吉同元等[15]通過工程現(xiàn)場CFG 樁施工所觀測的樁周超靜孔壓數(shù)據(jù)的分析和整理，系統(tǒng)研究了單樁施工產(chǎn)生的超靜孔壓的發(fā)生發(fā)展過程，分析了超靜孔壓在樁周徑向及深度上的分布，探討了超靜孔壓的消散規(guī)律。在滲流下CFG樁施工養(yǎng)護研究較為充分，但是對潮汐作用下變化滲流的研究還有所不足，本文針對在潮汐區(qū)高低水位差對CFG 樁成樁的影響，采用ABAQUS 有限元軟件模擬在固定水位差與潮汐水位情況下CFG 樁的養(yǎng)護情況，研究CFG 樁在施工后與養(yǎng)護期間的各參數(shù)變化情況與機理。

2 數(shù)值分析方法

2.1 數(shù)值模型建立

本研究依托現(xiàn)有工程福鼎市濱海大道項目，對潮汐作用下CFG 樁成樁養(yǎng)護情況進行分析。潮汐區(qū)CFG 樁施工路段位于內(nèi)海與外海交界海域處，海域潮流屬正規(guī)半日潮，落潮速度大于漲潮速度。歷年最高潮水位為4.25 m，最低潮水位為-3.42 m，歷年平均高潮位3.86 m，平均低潮位為-1.61m，歷年平均潮差為4.17 m，平均海平面0.53 m。隨著潮汐水位的變化，內(nèi)海與外海之間的水位差呈周期波動變化，CFG 樁在施工完成后，地基周邊隨著時間的變化內(nèi)部滲流方向與流量出現(xiàn)明顯不同。根據(jù)實際情況將CFG 樁與周邊地基進行簡化，建立CFG 樁與周圍的地基土體模型，其中地基長、寬10 m，深15 m，CFG 樁直徑0.6 m，埋深10 m。CFG 樁劃分為1 440 個單元，土體劃分為59 376 個單元。

2.2 模型力學參數(shù)

通過對現(xiàn)場土樣進行室內(nèi)試驗，得到土體基本力學參數(shù)，采用修正Drucker-Prager 帽蓋模型進行模擬，其中，彈性模量Es=100 MPa，干密度ρd=1 800 kg/m3，黏聚力c=80 kPa，屈服面傾角β=30°，帽蓋離心率0.1，流動應(yīng)力比M=1，滲透系數(shù)k=2.5×10-10m/s，初始孔隙比e0=2，采用C3D20R 孔隙流體/ 應(yīng)力單元類型。樁體采用彈性模型，彈性模量Ep=15 GPa，密度ρ=2 500 kg/m3，采用C3D20R 三維應(yīng)力單元類型，樁土之間的摩擦系數(shù)μ=0.7。

CFG 樁施工過程中將對周邊土體進行擠壓，甚至導致土體出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞，土體周邊將產(chǎn)生超孔隙水壓力，通過對CFG 樁周邊土體賦予超孔隙水壓力模擬CFG 樁施工過程中對土體的影響，并研究隨潮汐變化CFG 樁的養(yǎng)護情況[16]。

式中，a 為影響半徑的倍數(shù)；cu為土的不排水抗剪強度；在8 m以外的孔壓變化較小，故摩擦角φ 和黏聚力c 受損，即殘余內(nèi)摩擦角φr以及殘余黏聚力cr，引入軟化系數(shù)γ，其中φr=（1-γ）φ，cr=（1-γ）c；r′為土的有效重度；r0為樁半徑；為塑性區(qū)半徑，E 為土的彈性模量，μ 為土的泊松比；z 為埋深；?f=0.707（3Af-1）為Henkel 孔隙水壓力參數(shù)；Af為Skempton 孔隙水壓力參數(shù)，取0.85；為計算點到樁中心的距離。其中Mohr-Coulomb 模型與Drucker-Prager 模型的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

式中，β 為屈服面傾角；φ 為摩擦角；ε 為三軸拉伸強度與三軸壓縮強度之比；σ0c為初始單軸抗壓強度；c 為Mohr-Coulomb模型的黏聚力。

3 結(jié)果分析

3.1 CFG樁施工對地基影響分析

以排水邊界為界限分析孔壓分布情況，在潮汐高低水位差情況下，CFG 樁施工完成后，樁周邊孔隙壓力增幅較大，隨著潮水遠離樁身，孔壓增幅變化逐漸降低，呈“斜向傘狀”分布，同時地基兩側(cè)具有明顯的水位差，孔壓分布呈內(nèi)海低外海高趨勢。在CFG 樁頂部，孔隙壓力增幅相對于底部較小，表明CFG 樁在沉管灌注時對底部土體擠壓作用較大，而上部影響較小，在CFG 樁底部呈現(xiàn)一個較大的局部范圍極大值，隨著CFG 樁埋深的增加，孔壓增幅也逐漸降低，埋深15 m 處CFG樁施工引起的孔壓變化可忽略不計。

3.2 CFG樁養(yǎng)護情況分析

如圖1 所示，通過ABAQUS 有限元軟件對CFG 樁周圍土體進行滲流排水模擬，分析土體有效應(yīng)力恢復情況。通過固定水位差與周期性潮汐水位來對比分析CFG 樁養(yǎng)護情況。在埋深3.3 m 處CFG 樁周邊土壓力隨時間逐漸恢復，在養(yǎng)護前期有效應(yīng)力恢復速度較快，到達第7 d 后恢復速度降低，表明CFG 樁施工對周邊土體的影響具有可恢復性，在短時間內(nèi)恢復效果是明顯的。對比固定水位下恢復情況，潮汐變化水位對土體消散超孔隙水壓力能力有明顯的幫助，更接近樁內(nèi)側(cè)向壓力，能夠有效防止CFG 樁向外擠壓擴散。同時，潮汐水位帶來周期性變化水位差的復雜滲流變化讓土體排水效果提升，CFG樁外部側(cè)向土壓力差由固定水位情況下3.4 kPa 降為2.5 kPa，有效改善了CFG 樁在高低水位差下的水平受力不均問題。

圖1 埋深3.3 m處側(cè)向壓力環(huán)向圖

選擇埋深5 m 處分析可知CFG 樁中部在潮汐水位下具有較強排水作用，如圖2 所示，在固定水位差下，土體滲流方向由外海向內(nèi)海傳遞，而潮汐水位因外海周期性變化導致水位差出現(xiàn)波動，甚至出現(xiàn)內(nèi)海水位高于外海水位的情況，在外海一側(cè)的地基土體承受周期變化的水壓力，排水路徑的變化直接影響遠離CFG 樁處，最遠端孔壓消散迅速，且隨周期水位最低處時孔壓變化出現(xiàn)明顯凹陷。在遠處孔壓變化的影響下，土體滲流方向由外海至內(nèi)海轉(zhuǎn)移為CFG 樁雙向排水，從而加強樁周邊的排水效果。

圖2 埋深5 m處孔壓變化圖

4 結(jié)論

針對潮汐區(qū)高低水位差對CFG 樁成樁的影響，采用ABAQUS 有限元軟件模擬在固定水位差與潮汐水位情況下CFG 樁養(yǎng)護情況，研究了CFG 樁在施工后與養(yǎng)護期間的各參數(shù)變化情況與機理，主要研究結(jié)果如下。

1）CFG 樁在具有水位差的情況下沉管灌注后將出現(xiàn)“斜向傘狀”，同時樁身下部更加明顯。隨著埋深增加，樁身底端孔壓增幅會從區(qū)域最大逐漸降低。CFG 樁與周邊土體側(cè)向應(yīng)力在埋深1/4 處相等，土體土壓力呈現(xiàn)斜向分布，影響CFG 樁的養(yǎng)護情況。

2）CFG 樁在埋深較淺處潮汐變化水位能夠有效提高超孔隙水壓力消散速度，同時改善CFG 樁在高低水位差下的水平受力不均問題。而在樁身底部主要靠超量灌注樁體設(shè)計量保證CFG 樁后期養(yǎng)護效果。

3）在周期性潮汐作用下，土體中滲流方向從外海至內(nèi)海轉(zhuǎn)為CFG 樁向內(nèi)海與外海雙向排水，有效提高了CFG 樁中部排水效果，且短期排水效果明顯。