吳懷娜 馬慶雷 孟凡衍 朱云祥 屠鋒 劉騏煒

摘? ?要：為研究灘涂極軟地基上托板樁的工作特性，開展了現(xiàn)場試驗和有限元分析. 現(xiàn)場實測了地表沉降及土壓力，并據此建立了二維平面應變模型，進而對不同時期的地基土超孔隙水壓力、土壓力、沉降、水平位移等問題進行了研究. 研究結果表明：隨著填土高度增加，樁頂與樁間土差異沉降增大，產生土拱效應和拉膜效應，樁身軸力、樁體荷載分擔比和樁端附近土體超孔壓增大;填筑完成后超孔壓消散，地基土逐漸固結，樁間土與樁頂差異沉降增大后趨于穩(wěn)定，樁體荷載分擔比逐漸穩(wěn)定在80%左右;土工格柵拉力較小，傳遞荷載的能力有限;淺層地基土對樁體有負摩阻力，樁身軸力沿深度先增大后減小;托板樁法可有效控制地基土水平位移.

關鍵詞：托板樁;有限元分析;超靜孔隙水壓力;土壓力;沉降

中圖分類號：TU473? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

文章編號：1674—2974（2021）01—0037—09

Abstract：In order to study the working characteristics of cap-pile method on the extremely soft foundation in mud flat， this paper carries out the field test and finite element analysis. According to the measured ground surface settlements and earth pressures， the two-dimensional plane strain model is established. Furthermore， excess pore water pressures， earth pressures， and settlements of foundation soil in different periods are examined. The results show that the differential settlements between piles and surrounding soils increase with the increasing filling height. The differential settlements lead to the occurrences of soil arching effect and tensioned membrane effect， which increase the axial force of the pile as well as the load sharing ratio of the pile and the pore water pressures of the soil at the pile bottom. After the completion of the construction， the excess pore water pressures dissipated and the foundation soil gradually consolidated. The differential settlements between piles and soils increase and then tend to be stable. The pile load sharing ratio gradually stabilized at about 80%. The geogrid has low tension and limited ability to transmit loads. Since the shallow foundation soil has negative frictional resistance to the pile， the axial force of the pile increases with the growing depth in shallow area and then decreases as the depth increases. Finally， the cap-pile method can effectively control the horizontal displacement of foundation soil.

Key words：cap-pile;finite element analysis;excess pore water pressure;earth pressure;settlement

我國東南沿海地區(qū)經濟發(fā)展迅速，近年來建設了大量的變電站以應對日益增長的電力需求. 然而，沿海地區(qū)廣泛分布著軟土地層，土體具有“三高三低”的顯著特點，即高含水量、高壓縮性、高靈敏度、低密度、低強度、低滲透性[1-2]，一旦發(fā)生擾動，地基極易產生較大整體沉降和不均勻沉降，導致上方建筑結構變形，嚴重影響電力設備運行. 因此，變電站建設之初進行合理的地基處理極為重要.

托板樁是一種有效的軟基處理方法，它利用了承載能力較大的樁體分擔上覆荷載，減小了土體壓縮，達到減小地基沉降的效果. 托板樁與加筋體的聯(lián)合應用，又利用加筋體的提拉作用進一步減小了樁間土壓力和壓縮量，從而減小了樁與樁間土的差異沉降，這種方法在公路、鐵路建設上得到廣泛的應用和研究[3-8]，工程中稱之為樁承式加筋路堤. 陳仁朋等[9]將單樁處理范圍及上部路堤等效為圓柱體，用有限元法研究了瞬時加載后地基中超靜孔隙水壓力、路堤沉降、樁體荷載分擔比等隨時間的變化規(guī)律和土工格柵的受力特性，并分析了樁長、樁間距及樁托板大小對樁體荷載分擔比和路堤沉降的影響. 樁體荷載分擔比能直觀地反映土拱效應，對研究托板樁及地基土的受力特性有重要作用，Hewlett等[10]、EBGEO[11]、CUR 226[12]、Chen等[13]是樁體荷載分擔比的4種計算方法，其中Chen等是針對一維路堤荷載情況，考慮了填土、樁托板、樁、地基土的相互作用所提出的一種解析方法. 除了公路、鐵路的地基處理上，托板樁法還被應用在其他工程建設中. 戴洪軍等[14]在圓形煤場的地基處理方案中同樣使用了樁托板和土工格柵，并對該煤場進行了原體試驗研究，分析了逐級加荷下樁土應力、應變、樁身軸力等變化情況，但未對這些關鍵參數(shù)隨固結時間的變化規(guī)律進行研究.

本文以浙江某500 kV變電站為工程背景，通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值分析研究了灘涂極軟地基上托板樁的工作特性，得到了地基土沉降、土壓力、超孔壓、樁體荷載分擔比、土工格柵拉力、樁身軸力在填筑和固結階段隨填高和固結時間的變化規(guī)律.

1? ?工程地質概況

1.1? ?變電站場地地質條件

某500 kV變電站位于杭州灣南岸出?？?，屬濱海相淤積海灘圍墾區(qū). 土層分布及其各層土物理力學參數(shù)如圖1所示. 場地自上而下分布有淤泥、黏質粉土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉細砂、砂質粉土、粉質黏土、細砂. 由圖1可知，此灘涂地區(qū)地基土性質極差，孔隙率、壓縮性較大，擬采用托板樁法對地基進行加固處理.

1.2? ?地基加固設計及監(jiān)測布置

圖2為場地平面及傳感器布置示意圖. 托板樁采用預制混凝土管樁（PHC），邊坡區(qū)域采用PHC-AB400 （AB型直徑400 mm的預制混凝土管樁），壁厚95 mm，樁長28 m，樁端位于粉質黏土層，極限承載力為3 000 kN;其余區(qū)域采用PHC-AB500，壁厚125 mm，樁長36 m，樁端位于粉細砂層，極限承載力為4 000 kN. 托板尺寸為1.8 m×1.8 m×0.5 m. 正方形布樁，間距為3 m. 托板上方0.1 m、0.2 m分別布置一層土工格柵，格柵強度為83 kN/m，最大允許應變5%.

場地填土頂寬18 m，邊坡坡比（V ∶ H）為1 ∶ 2（V為豎直向，H為水平向），高3.25 m，分20 d填筑完成，施工進程見圖3. 填土由碎石（占60%）和黏性土、中細砂組成，黏聚力為1 kPa，內摩擦角為35°，重度為22 kN/m3.

為研究托板樁的工作性狀及驗證現(xiàn)有設計方法，現(xiàn)場布設了沉降板和土壓力盒. 如圖2所示，沉降板S1、S3分別布置在樁A、樁B的托板上表面，S2沉降板布置在樁間土中間;4個土壓力盒P1～P4布置在樁C的托板上表面，分別位于托板中心、1/4處、邊緣和樁間土中間，土壓力盒及沉降板均在場地填土前布設完畢. 采用測斜儀測量埋設在放坡坡腳處的測斜管，觀測坡腳附近土體的水平位移.

2? ?有限元模擬

2.1? ?模型邊界及網格劃分

本研究托板樁法處理地基的填筑為三維問題，考慮到三維建模的復雜性，為簡化計算，采用Plaxis 2D有限元軟件建立了二維平面應變模型. 模型中填土和托板樁的設計與實際幾何尺寸相同，有限元網格劃分見圖4. 為盡量減小模型邊界的影響，分析寬

度取100 m，相當于場地邊長的3倍;最深樁端位于地下36 m，模型深度為77.4 m，大于最深樁端的2倍. 地下水位設為地基表面（y = 0），靜水壓力隨深度線性增加. 模型底面下設為剛性不透水層，即模型底面（y = -77.4 m）豎向位移限定為0，且不允許水排出. 將模型左邊界（x = 0）和右邊界（x = 100 m）橫向位移限定為0，滲流邊界條件均設為不排水.

2.2? ?模型參數(shù)

前四層地基土（淤泥、黏質粉土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土）采用修正劍橋模型（Modified Cam Clay，MCC）. 填土及其余地基土（粉細砂、砂質粉土、粉質黏土和細砂）采用摩爾-庫侖模型（Mohr-Coulomb，MC）. 土層參數(shù)均根據室內試驗結果及參數(shù)反演獲得，見表1. 樁體及托板采用線彈性模型，彈性模量E取30 GPa，泊松比ν取0.2. 土工格柵采用線彈性模型，抗拉剛度取1 660 kN/m.

2.3? ?模型正確性驗證

圖5、圖6分別為地表沉降和樁頂土壓力的實測與模擬值的比較. 由圖5可知，填筑前期樁間土（S2）與樁頂（S1、S3）沉降差異較小，隨著填筑高度和固結時間的增加，樁間土沉降大輻增加，樁頂沉降幾乎不變，200 d后樁間土沉降達到36 mm，樁頂沉降僅有6 mm. 由圖6可知，填筑期樁頂土壓力（P1、P2、P3）隨填高快速增加，樁間土壓力（P4）在填筑初期隨填高而增加，填高達到一定高度后減小;固結期間樁頂土壓力小幅增加后趨于穩(wěn)定，樁間土壓力小幅減小后趨于穩(wěn)定. 此結果表明在填筑階段，差異沉降對土拱效應影響較大，隨著差異沉降的不斷增加，填土內產生的土拱效應越來越明顯，不斷將填土荷載傳遞到樁體，樁間土只承擔小部分荷載;之后隨著固結時間增加，沉降及樁土差異沉降均有所發(fā)展，土拱效應達到極限狀態(tài)，差異沉降對土拱效應的影響減弱，樁頂與樁間土壓力趨于穩(wěn)定.

從圖5、圖6中可以發(fā)現(xiàn)，模型計算結果與實測結果吻合度較好，表現(xiàn)出的托板樁的受力、變形特性與Chen等人[15]的實測結果基本一致. 雖然本研究模型將三維問題考慮為二維平面應變問題，可能導致計算沉降量偏大，但由于填筑面積大、高度小，監(jiān)測點位于填筑區(qū)域中心位置，因此二維計算引起的誤差可以忽略. 數(shù)值模型及所選土層參數(shù)可以認為是正確合理的.

3? ?托板樁工作特性分析

3.1? ?超靜孔隙水壓力分布

在模型中選取樁A、樁B之間分別為-11.2 m、-25.4 m、-33.4 m、-39.8 m、-46.3 m、-60.0 m處為監(jiān)測點，得到不同時間、不同深度的超靜孔隙水壓力（超孔壓）. 由圖7可知，填筑期間-39.8 m處超靜孔隙水壓力增長幅度最大，并且向上下兩個方向遞減;填筑完成后，-39.8 m處超孔壓消散速度最快，其次是-46.3 m、-33.4 m、-60.0 m，而-25.4 m、-11.2 m處超孔壓小幅增加，在200 d時超孔壓穩(wěn)定，形成沿深度逐漸增大的分布狀態(tài). 超靜孔隙水壓力的變化過程表明：填筑過程中，土拱效應將大部分上覆荷載傳遞至樁上，進而通過樁體傳遞至樁端持力層，導致持力層超孔壓大幅增加，且深層土體超孔壓普遍大于淺層土體超孔壓，形成由下而上的滲流，所以填筑完成后深層土體超孔壓逐漸消散而淺層土體超孔壓略有增加，最終由于水的自重，超孔壓呈沿深度遞增的分布規(guī)律. 因此，在用托板樁法處理灘涂極軟地基時，應根據工程沉降要求慎重選擇樁端持力層. 若持力層為軟土，則在工程填筑完成后，持力層的固結將會導致較大的基礎整體沉降.

3.2? ?填土內土壓力及樁體荷載分擔比

在模型中選取10個監(jiān)測點，如圖2所示. P1～P4與現(xiàn)場土壓力盒布置點一致，在P2、P4正上方選取P5～P10監(jiān)測點，其中P5、P6在上層格柵處（樁頂上0.2 m），P7、P8在樁頂上1 m處，P9、P10在樁頂上2 m處. 通過P1、P2、P3、P5、P7、P9計算樁頂土壓力，將P4、P6、P8、P10作為樁間土壓力，繪制不同時間填土內部土壓力沿填土高度的分布曲線，如圖8所示. 為便于分析，筆者將填土自重也繪于圖中. 結合圖6可知，在填筑前期樁頂與樁間土壓力差距很小，隨著填高和固結時間的增加，差距逐漸增大;但在圖8（e）與8（f）的比較中發(fā)現(xiàn)，隨著固結時間繼續(xù)增長，樁頂土壓力略有減小而樁間土壓力略有上升. 這一特性與 Iglesia等[16]的離心模型試驗和 Han等人[17]的縮尺模型試驗結果相一致，即在填筑和固結初期，土拱效應隨差異沉降的增加而逐漸增強，隨著固結時間的進行，差異沉降逐漸增大，土拱效應隨差異沉降的增加逐漸減弱，此現(xiàn)象的機理仍需進一步研究. 圖8還顯示，填土內部土壓力沿高度增大方向逐漸逼近填土的自重應力，說明土拱效應有一定的作用范圍，傳遞荷載的能力沿高度增大方向逐漸減弱.

通過樁頂土壓力計算樁體承擔的荷載，除以上覆荷載得到樁體荷載分擔比，圖9給出了用模擬和實測土壓力計算出的樁體荷載分擔比，以及用Hewlett等[10]、EBGEO[11]、CUR 226[12]、Chen等[13] 4種計算方法得到的結果. 由圖9可知，在75 d時，實測樁土荷載分擔比有一定幅度的增加，而模擬值已經趨于穩(wěn)定，結合圖5和2.3節(jié)對地表沉降的分析，模擬與實測樁體荷載分擔比的差異是由于實際工程中75 d前樁土差異沉降較小，土拱效應不明顯，樁間土承擔了較大荷載并產生較大壓縮，使樁土差異沉降增大，土拱效應將上覆荷載傳遞至樁體，樁體荷載分擔比隨即增大. 由圖9可知，實測的樁體荷載分擔比在填筑階段迅速增大，填筑完成時達到了72%，然后隨固結時間先逐漸增大至83%后略微減小，200 d時樁體荷載分擔比為80.4%. 其中Chen 等[13]的計算結果（81.7%）與最終實測荷載分擔比吻合度較高，EBGEO（84.4%）與CUR 226（86.6%）偏大，而Hewlett等（78.3%）略微偏小.

3.3? ?沉降發(fā)展規(guī)律及其組成

在模型中取樁A、樁B的樁頂、樁底及樁間土共6個監(jiān)測點（S1～S6），得到沉降隨時間的變化曲線，如圖10所示. 由圖10可知，填筑期間S1、S3、S4、S6沉降隨填高增加而不斷增大，填筑完成后小幅增加并趨于穩(wěn)定;200 d時S1、S3沉降約6 mm，S4、S6沉降約5 mm，S5與S4（S6）沉降差約為0.5 mm. 說明隨著填高和固結時間的增加，樁間土與樁頂差異沉降不斷增大，土拱效應和拉膜效應不斷將上覆荷載通過樁體傳遞到樁端持力層，導致下臥層被壓縮;200 d時，樁頂與樁底的沉降差為1 mm，即樁體壓縮變形，S5與S4（S6）的沉降差是樁端刺入持力層的位移，為0.5 mm. 樁頂沉降由下臥層沉降、樁端刺入持力層的位移、樁體自身壓縮組成.

在模型中取樁A的樁頂（S1）、樁底（S4）、正上方填土頂（S7）3個監(jiān)測點，得到沉降沿深度的變化曲線，如圖11所示. 由圖11可知，填筑完成后，S7沉降隨固結時間增加而增大，200 d后穩(wěn)定在22 mm，樁底和樁頂?shù)某两祫t小于7 mm. 說明樁體正上方填土頂?shù)某两凳怯商钔磷冃魏蜆俄敵两到M成，其中填土變形占主要部分. 此結果表明，在灘涂極軟地基的處理過程中，填土材料對后期沉降特性存在較大的影響，對于沉降要求嚴格的工程，應采用級配良好的填料，并且嚴格控制填筑密實度.

3.4? ?格柵拉力及樁身軸力變化過程

以樁A附近土工格柵為研究對象，繪制不同時間的格柵拉力分布圖，如圖12所示. 由圖12可知，托板邊緣格柵拉力較大，樁間格柵拉力較小，沿地基土呈倒三角分布，與現(xiàn)有研究[18-19]一致;格柵拉力隨填高的增加而增大，最大格柵拉力約為4 kN/m，僅為土工格柵抗拉強度（83 kN/m）的5%左右. 說明土工格柵傳遞荷載的能力有限，所以土拱效應是使荷載向樁頂傳遞的主要原因.

以樁A為研究對象，繪制不同時間樁身軸力沿深度的變化曲線，如圖13所示. 由圖13可知，樁側摩阻力自上而下呈現(xiàn)了明顯的3個區(qū)段，即負摩阻力區(qū)、負正摩阻力過渡區(qū)和正摩阻力區(qū). 樁身軸力沿深度先增大后減小，呈中間大兩頭小的分布狀態(tài). 隨著填高的增加，中性點位置基本不發(fā)生變化，各個深度的樁身軸力逐漸增大;填筑完成后，隨著固結時間繼續(xù)增加，中性點逐漸上移，中性點以下樁身軸力略微減小，中性點以上樁身軸力先增大后基本不變. 根據樁端軸力與樁頂軸力得出：在填筑及固結期間，樁端阻力與樁側摩阻力分別承擔樁體所受荷載的30%和70%. 這一現(xiàn)象說明：填筑初期，淺層地基土沉降大于樁體沉降，因此樁體產生負摩阻，樁身軸力在這個淺層地基土區(qū)域（即負摩阻區(qū)）沿深度增大;在填筑后期及固結初期，負摩阻區(qū)存在于淤泥、黏質粉土和小部分淤泥質粉質黏土層，隨著土拱效應不斷將荷載傳遞到樁體，樁體變形逐漸增加，負摩阻區(qū)逐漸減小，樁身軸力也因負摩阻力減小而略有減小，到固結后期，負摩阻區(qū)僅存在于淤泥和黏質粉土層中.

3.5? ?地基土水平位移

參照實際水平位移觀測點的布置，在模型中的邊坡坡腳設置監(jiān)測點，得到下方0.5 m、1.5 m、2.5 m、3.5 m、4.5 m處不同時期的地基土水平位移，與實測結果一同繪制圖14. 由圖14可知，堆載加荷使土體壓縮向外側向變形，填土期間水平位移隨填土高度的增加而增大，實測水平位移最大不超過3 mm，模擬結果偏保守，最大位移不超過5 mm;填筑完成后測斜管被損壞，根據模擬結果，固結期間地基土水平位移逐漸恢復，固結200 d時，最大水平位移為2.5 mm，這是由于固結期間樁間土承擔的荷載向樁體轉移，對于樁間土相當于卸載，在側向土壓力的作用下水平位移逐漸減小. 實測水平位移沿深度出現(xiàn)波動，但總體呈現(xiàn)隨深度增加而減小的趨勢.

4? ?結? ?論

本文建立了二維平面應變模型輔助研究托板樁的工作特性. 首先進行了模型的正確性驗證，經對比發(fā)現(xiàn)，該有限元模型計算值與實測的樁頂沉降、土壓力值能較好地吻合，說明該模型選取的參數(shù)是合理的;然后分析了托板樁處理灘涂極軟地基的幾個重要特性，總結如下：

1）隨著填高增加，土拱效應不斷將荷載傳遞到樁體，使樁端局部產生較大的超孔壓;填筑完成后，超孔壓逐漸消散，最終形成超孔壓沿深度增大的分布狀態(tài).

2）在填筑期和固結期內，樁頂土壓力逐漸增大后趨于穩(wěn)定，樁間土壓力先增大后減小并趨于穩(wěn)定，樁頂土壓力始終大于樁間土壓力;固結后期隨著時間繼續(xù)增加，樁頂土壓力略有減小而樁間土壓力略有增大. 樁體荷載分擔比在填筑期間迅速增大，填筑完成時約為70%，在固結期間先增大后趨于穩(wěn)定，隨著固結時間繼續(xù)增加，樁體荷載分擔比略微減小，最終在80%左右;Chen等[13]的計算結果與200 d后的荷載分擔比吻合度較高.

3）樁體上方填土頂?shù)某两涤商钔磷冃魏蜆俄敵两到M成，其中填土變形占主要部分，改善填土級配、提高壓實度可有效減小填土頂?shù)某两?樁頂沉降由下臥層沉降、樁體壓縮和樁端刺入下臥層的位移組成.

4）土工格柵傳遞荷載的能力有限，土拱效應是荷載更多向樁頂傳遞的主要原因. 由于淺層土體對樁體的負摩阻，樁身軸力沿深度先增大后減小;樁身軸力隨填高增加而迅速增大，填筑完成后趨于穩(wěn)定并隨負摩阻區(qū)的減小而略有減小.

5）托板樁法可有效控制地基土水平位移，填土完成時水平位移最大，且未超過3 mm.

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