董必昌 田智睿 張鵬飛 張明軒

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司2) 武漢 430010)

0 引 言

我國沿海地區(qū)特有的地形構(gòu)造和地質(zhì)特征，近海地區(qū)蘊(yùn)含著大量的海底泥沙，因此頻繁的使用吹填造陸等工程手段實(shí)現(xiàn)向海洋攝取土地資源就成了沿海地區(qū)的一種常見現(xiàn)象.綜合考慮經(jīng)濟(jì)與時(shí)間成本的問題，對于大面積的圍海造陸工程而言，吹填型填海造陸已成為了應(yīng)用最為廣泛且效果較好的方法之一.

目前，學(xué)者針對采用吹填工藝形成的地基已經(jīng)做了許多調(diào)查研究，劉瑩等[1]從不同地區(qū)吹填土的礦物組成、物理化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、加固特性等方面進(jìn)行了對比研究.朱熹文[2]分析了淤泥質(zhì)飽和土滲透系數(shù)，總結(jié)了涵蓋高含水率情況的淤泥質(zhì)飽和土滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式.Chen等[3]采用有限元法對吹填土固結(jié)、彈塑性、蠕變等特性的相互效應(yīng)進(jìn)行了分析.從這些研究成果可以看出，大部分研究重點(diǎn)側(cè)重于吹填土自身的物理力學(xué)特性或吹填土真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固特性的研究，而針對吹填土表層地基經(jīng)真空預(yù)壓后再用粉噴樁復(fù)合地基聯(lián)合塑料排水板進(jìn)行堆載預(yù)壓的加固沉降特性研究較少.然而，近年來在實(shí)際工程中，由于經(jīng)濟(jì)效益和時(shí)間效益較好，此種針對吹填土地基的樁-板加固方法已得到了廣泛應(yīng)用[4].針對這種理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐的現(xiàn)狀，非常有必要針對樁-板加固的吹填土復(fù)合地基沉降特性進(jìn)行研究.

本文依托溫州市域鐵路S1號線靈昆維修基站地基加固工程，通過現(xiàn)場試驗(yàn)、理論分析，以及數(shù)值仿真等手段，研究典型的沿海圍海造陸新區(qū)表層吹填土經(jīng)真空預(yù)壓加固后，采用攪拌粉噴樁復(fù)合地基和塑料排水板聯(lián)合攪拌粉噴樁復(fù)合地基兩種處理方式在堆載預(yù)壓下的沉降特性以及影響因素.

1 工程概況

擬建場區(qū)位于灘涂淺海區(qū)，是通過吹填造陸形成的新型工業(yè)區(qū)，該地區(qū)廣泛分布第四系沖海堆積層，軟土地層普遍發(fā)育，強(qiáng)度低，厚度大，工程地質(zhì)條件差，地基土主要為淤泥、淤泥質(zhì)黏土、黏土和粉土等.其中長板-短樁加固區(qū)域?qū)?0.5 m，影響區(qū)域?qū)?0 m，總寬度為100.5 m，填料高度1 m，填土高度3.5 m，分二級填筑，填土加載曲線見圖1.地基處理斷面樁與板平面布置采用正方形，二者成兩行交錯(cuò)布置，其中雙向攪拌粉噴樁長16 m，樁間距1 m；塑料排水板截面尺寸為100 mm×4 mm，板長30 m，板間距1 m，通水量qw為1.26×103m3/年.

圖1 荷載步加載曲線

2 長板-短樁數(shù)值模擬

聯(lián)合處理加固斷面為市域鐵路維修基站內(nèi)有咋軌道段，堆載土體呈條形荷載，填土在軌道軸向上延伸很遠(yuǎn)，可簡化為平面應(yīng)變模型進(jìn)行二維有限元計(jì)算.在進(jìn)行二維平面有限元計(jì)算時(shí)，需對模型進(jìn)行合理的等效和簡化[5-7].

2.1 材料模型

地基土和堆載填土假定為理想彈塑性材料，均采用Mohr-Coulomb模型，該模型的計(jì)算參數(shù)由室內(nèi)試驗(yàn)得到；攪拌粉噴樁假定為線彈性材料.因室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明表層新近吹填淤泥真空預(yù)壓處理后的參數(shù)與2-1層淤泥特性相似，故將該層歸為2-1淤泥層計(jì)算.具體土層參數(shù)見表1，表中參數(shù)均取自地質(zhì)勘察報(bào)告.

表1 土層原始參數(shù)

2.2 塑料排水板簡化

擬建場區(qū)處于軟土層深厚的吹填新區(qū)，打入的攪拌粉噴樁懸浮于深厚軟土層之中，若欲將其加固方式等效為平面固結(jié)沉降問題進(jìn)行計(jì)算，因吹填淤泥滲透性極差，則粉噴樁底面地層處于不透水狀態(tài)，可視為單面排水.從宏觀意義上看，在土中打入塑料排水板的處理效果在于提高了土體的豎向滲透系數(shù)，模擬時(shí)可采用等效的豎向滲透系數(shù)kve替代原土層豎向滲透系數(shù)kv和水平滲透系數(shù)kh[8].因此本文基于雙層地基固結(jié)理論，將塑料排水板固結(jié)區(qū)域土層滲透系數(shù)等效轉(zhuǎn)化，完成將三維問題轉(zhuǎn)換為二維平面問題.采用鄧永鋒等[9]提出的關(guān)于PVD加固地基等效豎向滲透系數(shù)的轉(zhuǎn)化公式.

(1)

(2)

式中：l為土層豎向有效排水長度，單向排水時(shí)有效排水長度取塑料排水板長度，透水邊界雙向排水時(shí)有效排水長度取塑料排水板長度一半；De為塑料排水板的影響直徑，De=2R；n=R/rw為井徑比；qw為塑料排水板年均通水量，m3/年.

2.3 攪拌粉噴樁簡化

對于正方形布置的攪拌粉噴樁，在土體中樁是呈空間分布的，若直接將其參數(shù)運(yùn)用到二維數(shù)值模擬中，則會在平面模型中沿?cái)嗝娣较蛐纬梢粭l條強(qiáng)度很高、滲透性很小的墻體.這樣模擬出來的結(jié)果會與實(shí)際情況有很大差異，所以在模擬過程中需要對樁體參數(shù)進(jìn)行折減.本文采用對樁身強(qiáng)度和滲透系數(shù)進(jìn)行折減的方法解決攪拌粉噴樁的平面轉(zhuǎn)化問題[10].

1) 樁身強(qiáng)度的折減 按照樁間距對樁身強(qiáng)度進(jìn)行折減，假定換算后等效樁體在豎向上受壓均勻，樁、樁間土和等效樁具有相同的豎向壓縮應(yīng)變εz，由應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系得：

在自由供水階段，機(jī)械化的施工手段和測量儀器廣泛用于水利建設(shè)和水資源管理，大大提高了水資源的開發(fā)能力和水文的監(jiān)測精度，為精確調(diào)控水資源提供了技術(shù)支撐。然而，在中國許多農(nóng)村，水流的測量還主要通過目測或估算進(jìn)行，已經(jīng)不能適應(yīng)人水關(guān)系發(fā)展對機(jī)械化生產(chǎn)力的要求。

σpz=Epεz

(3)

σsz=Esεz

(4)

(5)

由力的平衡條件σpz，σsz，σcz有，

(6)

式中：d為樁間距；D為樁徑.

聯(lián)立式(3)～式(6)可得：

(7)

樁身強(qiáng)度折減見圖2.

圖2 樁身強(qiáng)度折減圖示

2) 樁體滲透系數(shù)的折減 取等效樁頂面以下z深度處一微元體進(jìn)行分析，在一維滲流固結(jié)中微元體水量變化為

(8)

對等效樁微元土體

(9)

式中：ksz為土體豎向滲透系數(shù).

由于樁體的滲透系數(shù)為土體的0.1%～0.01%，樁體的透水量可以忽略，此時(shí)等效qc=qs，hc=hs，由此等效樁體滲透系數(shù)為

(10)

2.4 計(jì)算模型

對于平面應(yīng)變問題，考慮到所取斷面為對稱的，因此取地基橫斷面的一半進(jìn)行模擬分析.建立圖3的有限元模型圖.加固區(qū)寬10.25 m，影響區(qū)域?qū)?0 m，總寬度為50.25 m；地基土總體劃分為4層，總深度取70 m；堆載填土及路面填料劃分為3層，高度為4.5 m，加載計(jì)劃與圖1荷載步加載曲線對應(yīng).地表以下0～16 m范圍內(nèi)布置了水泥攪拌粉噴樁，樁體采用等效樁彈性模量和等效樁滲透系數(shù)，等效樁體參數(shù)見表2；0～30 m是塑料排水板處理范圍，該范圍內(nèi)土層豎向滲透系數(shù)采用等效土體滲透系數(shù)，等效土體參數(shù)見表3.

圖3 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

表2 雙向攪拌粉噴樁參數(shù)

表3 土層等效滲透系數(shù)

有限元計(jì)算類型采用ABAQUS內(nèi)自帶的流固耦合計(jì)算單元，固結(jié)理論為Terzaghi一維固結(jié)理論，計(jì)算時(shí)長為300 d.

為了更加清楚認(rèn)識攪拌粉噴樁和塑料排水板在長板-短樁聯(lián)合處理地基中的作用，本文還進(jìn)行了不同工況的假定對比計(jì)算：工況Ⅱ，僅設(shè)置16 m長攪拌粉噴樁；并將上述不同工況計(jì)算結(jié)果同工況Ⅰ進(jìn)行比較.

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 長板-短樁計(jì)算結(jié)果分析

沉降是土體變形的重要指標(biāo)之一，是加固區(qū)域土體固結(jié)程度、加固效果和地基承載力的重要判別依據(jù)[11].經(jīng)過長板-短樁處理后的吹填土地基總沉降曲線見圖4.由圖4可知，現(xiàn)場實(shí)測曲線與模擬曲線變化趨勢基本一致，數(shù)值分析模擬出斷面沉降最大值位于道路中心處，為336 mm，現(xiàn)場實(shí)測地基沉降的最大值也位于道路中心處，為317 mm，兩者誤差不超過10%.這表明仿真模型各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置的合理性，能夠取得較為準(zhǔn)確的仿真結(jié)果.

圖4 斷面中心地基沉降對比

圖5為吹填土長板-短樁復(fù)合地基沉降云圖.由圖5可知，靠近加固區(qū)中心點(diǎn)的沉降達(dá)到最大值，隨著時(shí)間發(fā)展到加載結(jié)束時(shí)最大沉降為336 mm，離堆載預(yù)壓中心軸線越遠(yuǎn)，地基沉降減小；在加固區(qū)外側(cè)從圖中還能看出地表有一定的隆起現(xiàn)象，地表的隆起現(xiàn)象也隨著時(shí)間發(fā)展，最大值達(dá)到111 mm.模擬結(jié)果中地表隆起數(shù)值較大，較大原因是吹填土地基處于流塑狀態(tài)，土質(zhì)較差，壓縮性高、觸變性和流變性高，當(dāng)加固區(qū)域向下沉降時(shí)部分土體向側(cè)向移動且實(shí)際場地為廣袤平原，本模型影響區(qū)范圍取為加固區(qū)范圍4倍，與實(shí)際情況具有一定差別.從沉降云圖中還能看到，在加固區(qū)沉降等值線是較為稀疏的，而樁端下部土層等值線突然密集，這說明加固區(qū)樁間土體壓縮變形不大，與樁體協(xié)同沉降變形為主，固結(jié)沉降壓縮變形主要發(fā)生在下臥層的排水板加固區(qū)，與實(shí)測值深層沉降規(guī)律相吻合.

圖5 復(fù)合地基沉降云圖

圖6為吹填土長板-短樁復(fù)合地基側(cè)向位移云圖.由圖6可知，最大側(cè)向位移發(fā)生在地表下0～10 m處，側(cè)向位移為50 mm.隨著深度的增加，各地層沉降減少，引起的側(cè)向位移也降低.側(cè)向位移的模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一致.

圖6 側(cè)向位移云圖(堆載300 d)

在長板-短樁吹填土復(fù)合地基固結(jié)沉降分析中，超孔隙水壓力的增長與消散規(guī)律也是土體沉降的一個(gè)重要指標(biāo)[12].圖7a)為堆載預(yù)壓土體剛好完成填筑(堆載預(yù)壓120 d)時(shí)的孔隙水壓力云圖，可以看出在堆載預(yù)壓過程中長板-短樁吹填土地基內(nèi)部產(chǎn)生了超孔隙水壓力，且最大值達(dá)到35.23 kPa，位于雙向攪拌粉噴樁下部區(qū)域，之后超孔隙水壓力隨著土體固結(jié)沉降的進(jìn)行開始逐漸消散，有效應(yīng)力增加，地基承載力逐步提高，符合有效應(yīng)力原理，見圖7.

圖7 孔隙水壓力云圖

圖8為施工期加載中和堆載300 d時(shí)吹填土復(fù)合地基豎向應(yīng)力云圖.由圖8可知，在樁體處出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中效應(yīng)，樁體部分應(yīng)力大于同深度土體應(yīng)力，即相比于單位面積的同層土體，樁身承擔(dān)了更大的荷載.

圖8 復(fù)合地基豎向應(yīng)力云圖

3.2 不同工況沉降規(guī)律對比

取樁長16 m，樁間距1 m時(shí)的長板-短樁復(fù)合地基和攪拌粉噴樁復(fù)合地基兩種工況進(jìn)行固結(jié)沉降對比分析.不同處理方案下地基沉降規(guī)律對比見圖9～10.

圖9 不同工況沉降曲線對比

圖10 不同工況沉降云圖

由圖9可知，攪拌粉噴樁復(fù)合地基最大沉降為307 mm，比長板-短樁復(fù)合地基減少了30 mm，是新型復(fù)合地基的91.1%，兩者沉降變化趨勢基本相同.由此可知，當(dāng)在外在條件相同時(shí)，長板-短樁復(fù)合地基在堆載預(yù)壓期間的沉降大于攪拌粉噴樁復(fù)合地基的沉降，表明在懸浮短樁間插入塑料排水板能夠加快施工期間土體的固結(jié)沉降，加快地基土體排水固結(jié)速率，使地基沉降更快完成，增加施工期沉降，有利于減少工后沉降.由此長板-短樁聯(lián)合堆載預(yù)壓法在工后沉降要求嚴(yán)格的高速鐵路項(xiàng)目中比起傳統(tǒng)的攪拌粉噴樁復(fù)合地基法具有明顯的優(yōu)勢.

4 結(jié) 論

1) 通過對粉噴樁樁身強(qiáng)度和滲透系數(shù)進(jìn)行折減，塑料排水板加固區(qū)滲透系數(shù)等效轉(zhuǎn)換，將三維問題轉(zhuǎn)化為二維問題，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果一致，因此該方法具有可行性.

2) 隨著堆載預(yù)壓的進(jìn)行，長板-短樁復(fù)合地基最大沉降產(chǎn)生于斷面道路中心處，為336 mm，現(xiàn)場實(shí)測地基沉降的最大值也位于道路中心處，為317 mm，兩者誤差不超過10%.最大側(cè)向位移產(chǎn)生于堆載土體坡腳處底部，最大側(cè)向位移發(fā)生在地表下0～10 m處，側(cè)向位移為50 mm.隨著深度的增加，各地層沉降減少，引起的側(cè)向位移也降低.

3) 長板-短樁復(fù)合地基產(chǎn)生的最大超靜孔隙水壓力位于攪拌粉噴樁下部區(qū)域，最大值達(dá)到35.23 kPa，之后超靜孔隙水壓力隨著土體固結(jié)沉降的進(jìn)行逐漸消散，有效應(yīng)力增加，地基承載力逐步提高.

4) 當(dāng)其他外在條件相同時(shí)，傳統(tǒng)攪拌粉噴樁復(fù)合本相同，粉噴樁復(fù)合地基最大沉降為307 mm，比長板-短樁復(fù)合地基減少了30 mm，是新型復(fù)合地基的91.1%，其表明在懸浮短樁間插入塑料排水板能夠加快施工期間土體的固結(jié)沉降，提高地基土體排水固結(jié)速率，使地基沉降更快完成，增加施工期沉降，有利于減少工后沉降；長板-短樁聯(lián)合堆載預(yù)壓法在工后沉降要求嚴(yán)格的高速鐵路項(xiàng)目中比起傳統(tǒng)的攪拌粉噴樁復(fù)合地基法具有明顯的優(yōu)勢.