李 威 周春兒 吳加武 董華剛

(1.南京水利科學(xué)研究院 南京 210029； 2.水文水資源與水利工程國家重點實驗室 南京 210029；3.廣東省航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計院有限公司 廣州 510050)

軟土地基處理[1]是新建港口碼頭、老舊堆場碼頭改造等工程建設(shè)的重點和難點，其對地基變形要求十分嚴(yán)格。若地基處理不當(dāng)，后期在長時間高強(qiáng)度堆載下極易產(chǎn)生不均勻沉降等災(zāi)害，嚴(yán)重影響碼頭和堆場等工程的正常使用[2]。隨著地基處理技術(shù)的發(fā)展，CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基[3-4]已成為常見有效的地基處理方式，并被廣泛應(yīng)用于各工程領(lǐng)域的軟土地基處理中[5-6]。

針對樁網(wǎng)復(fù)合地基的研究，眾多學(xué)者在室內(nèi)模型試驗、現(xiàn)場試驗及數(shù)值模擬等方面均取得了較多的科研成果。顧行文[7]及張樹明[8]等通過離心模型試驗對CFG樁-網(wǎng)復(fù)合地基在路堤及邊坡工程中的應(yīng)用進(jìn)行研究。潘高峰等[9]通過開展全尺寸現(xiàn)場路基填筑試驗，對比分析了天然地基和CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基在路基荷載下的側(cè)向變形規(guī)律；姜彥斌等[10]通過數(shù)值模擬，對比了幾種管樁復(fù)合地基單樁建模方法，并基于軸對稱接觸模型結(jié)果對樁網(wǎng)復(fù)合地基受力及變形進(jìn)行了研究。

相比室內(nèi)模型試驗及現(xiàn)場試驗，數(shù)值模擬可針對不同方案進(jìn)行模擬，具有更高的靈活性及經(jīng)濟(jì)性。為減少計算時間提高收斂性，眾多學(xué)者在有限元建模時常采用單樁模型或平面模型，不考慮樁土接觸問題，且忽略地基的固結(jié)過程，導(dǎo)致計算結(jié)果與實際情況有一定的出入。本文針對某碼頭堆場樁網(wǎng)復(fù)合地基工程，建立全斷面三維模型，采用瞬態(tài)流固耦合的計算方法開展有限元模擬，對堆載作用下堆場樁網(wǎng)復(fù)合地基受力及變形進(jìn)行研究，分析不同堆載方案下地基孔壓、位移及樁土受力規(guī)律。

1 工程概況

某散貨碼頭堆場，堆場東側(cè)距防塵墻基礎(chǔ)47 m、西側(cè)距防塵墻基礎(chǔ)77 m，南側(cè)距排水溝6 m，北側(cè)距離取料機(jī)軌道梁基礎(chǔ)5 m，實際堆場面積為69 291 m2。堆場設(shè)計按一次性達(dá)到承載350 kPa的要求使用，即礦石堆載體最大高度14 m，容重25 kN/m3，為典型大面積重載堆場。

堆場地基含有一層深厚軟弱的淤泥質(zhì)黏土層，其強(qiáng)度低、壓縮性高、承載力低。地基土層自上而下為：素填土層，厚度2.48 m；淤泥質(zhì)黏土層，厚度6.20 m；粉質(zhì)黏土層，厚度3.20 m；中粗砂層，厚度2.00 m；再往下為黏土層，地下水埋深2.5 m，各土層基本參數(shù)見表1。

表1 土體基本參數(shù)

堆場地基處理采用樁網(wǎng)復(fù)合地基，堆場地基兩端分別布設(shè)2排16 m長的樹根樁，中間布設(shè)10，13，16 m 3種不同長度的CFG樁，其中，16 m CFG樁布置間距包括1.65 m及1.80 m 2種情況，10 m及13 m CFG樁樁間距均為1.80 m。為加強(qiáng)地基排水，CFG樁間布設(shè)塑料排水板。在樁頂上方鋪設(shè)2層單向土工格柵，在土工格柵上鋪設(shè)20 cm厚碎石層，再鋪設(shè)一層土工格室，之后再依次鋪設(shè)30 cm厚碎石層，5 cm厚中粗砂層。堆場地基地層分布及復(fù)合地基方案圖見圖1。

圖1 復(fù)合地基剖面圖(尺寸單位：cm)

2 數(shù)值模型

2.1 三維模型建立

根據(jù)設(shè)計及現(xiàn)場資料建立全斷面三維有限元模型，土體及樁均采用實體建模，排水板通過等效砂井進(jìn)行考慮。土工格柵采用薄膜單元進(jìn)行模擬，薄膜單元是一種面單元，只能傳遞面內(nèi)的力，不承受彎矩，用來模擬空間中用以加強(qiáng)其他實體結(jié)構(gòu)性能的很薄的面特征，即一層薄的加強(qiáng)特征。

堆場上部礦石堆載采用實體建模，方便根據(jù)單元分層進(jìn)行分布加載，模擬施工堆載過程。復(fù)合地基模型集合尺寸在深度方向取最長樁的2倍樁長，長度方向取堆載布置寬度的3倍，共劃分單元532 048個，節(jié)點579 819個，數(shù)值模型圖見圖2。

圖2 有限元幾何模型

2.2 本構(gòu)模型及參數(shù)取值

非線性材料(地基土、墊層等)的本構(gòu)模型采用了南水雙屈服面彈塑性模型(簡稱南水模型)，南水模型兼顧了鄧肯模型和劍橋模型的優(yōu)點，服從廣義塑性力學(xué)理論。該模型把屈服面看作是彈性區(qū)域的邊界，采用塑性系數(shù)的概念代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬化參數(shù)的概念，南水模型采用雙屈服面來描述土體的屈服特性，2個屈服面分別由橢圓函數(shù)和冪函數(shù)組成。

(1)

南水模型參數(shù)根據(jù)室內(nèi)三軸固結(jié)排水剪切試驗確定，各土層計算所用模型參數(shù)取值見表2。混凝土采用線彈性本構(gòu)模型。在樁和土之間可能有不協(xié)調(diào)的錯動位移發(fā)生，故在樁土之間設(shè)置了接觸。

表2 土體本構(gòu)模型參數(shù)

2.3 計算過程

計算采用瞬態(tài)流固耦合，分3階段。第1階段建立初始地應(yīng)力，消除復(fù)合地基初始位移影響；第2階段為堆場堆載分步加載的過程模擬；第3階段為堆載完成后，模擬復(fù)合地基在堆載長期作用下(300 d)的響應(yīng)。

堆載要嚴(yán)格控制加荷速率，按設(shè)計要求及堆載控制指標(biāo)進(jìn)行分級加載，保證在各級荷載下地基的穩(wěn)定性，避免局部堆載過高而導(dǎo)致地基的局部破壞。一般堆載控制指標(biāo)是：最大豎向變形量不應(yīng)超過10 mm/d，邊樁水平位移不超過4 mm/d，孔隙水壓力增長值與荷載增長值之比不大于0.6。

堆載過程曲線圖見圖3。原堆載方案擬按A方案進(jìn)行，后考慮工期及現(xiàn)場施工條件的影響，更改堆載方案且擬按B方案進(jìn)行。相比于A方案，B方案堆載階段快12 d，且分步堆載過程中荷載施加速率也有所調(diào)整，每步堆載結(jié)束均預(yù)留觀察時間。

3 計算結(jié)果分析

3.1 孔壓

圖4為兩堆載方案下，不同階段地基內(nèi)孔壓分布等值線圖。由圖4可知，堆載完成時，復(fù)合地基內(nèi)孔壓較堆載前發(fā)生了明顯的變化，堆載前地基內(nèi)孔隙水壓力按靜水壓力分布，堆載后疊加上超靜孔隙水壓力，孔隙水壓力值增幅較大，堆場中部下方區(qū)域地基中孔壓變化最為明顯。以淤泥質(zhì)黏土層為例，根據(jù)土層埋深及水位分布，堆載前該土層最大靜水孔壓值約為85 kPa，堆載完成時的孔隙水壓力分布分別見圖4a)及4c)，A、B 兩堆載方案下該土層堆載完成時最大孔隙水壓力分別為165 kPa及149 kPa，超靜孔壓值分別為80 kPa及66 kPa。B堆載方案堆載引起的超靜孔壓值小于A堆載方案。

圖4 孔壓等值線圖(單位：kPa)

為加快堆載引起的超孔壓的消散，地基中埋設(shè)了塑料排水板，通過圖4b)及圖4d)可知，從堆載完成到恒載300 d時，地基中孔隙水壓力分布發(fā)生了明顯的變化：堆載剛完成時，地基內(nèi)因超靜孔壓存在，孔隙水壓力數(shù)值較大，堆載完成300 d后，一部分超靜孔壓消散，孔隙水壓力數(shù)值明顯變小。仍以淤泥質(zhì)黏土層為例，堆載完成300 d時A、B堆載方案下淤泥質(zhì)黏土層中最大孔壓值分別為100 kPa及102 kPa，較堆載完成時超靜孔壓分別消散了65 kPa及47 kPa，尚有部分超靜孔壓有待進(jìn)一步消散，大部分的超靜孔壓在300 d恒載期間完成了消散，塑料排水板的排水作用明顯。

如圖5所示，2種堆載方案下堆載過程中孔壓所能達(dá)到的最大值相近，但達(dá)到最大值的時間不同，且堆載階段孔壓變化規(guī)律差異較大。對比兩堆載方案孔壓變化過程曲線，A堆載方案因初始堆載載荷較小，孔壓及孔壓系數(shù)增幅較小，觀察階段孔壓呈消散趨勢，孔壓系數(shù)A減小，后續(xù)隨著堆載的逐漸增加，孔壓及孔壓系數(shù)亦逐漸增大，孔壓系數(shù)早于孔壓在堆載完成前達(dá)到最大，而孔壓在堆載完成時達(dá)到最大值，達(dá)到最大值后孔壓及孔壓系數(shù)均減小。

圖5 孔壓隨時間變化曲線

B堆載方案初始堆載載荷較大，孔壓及孔壓系數(shù)開始即出現(xiàn)明顯增幅達(dá)到最大值，在后續(xù)觀察及堆載階段，孔壓及孔壓系數(shù)出現(xiàn)小幅度波動，堆載增加時增加，堆載不變時減小，恒載階段，超孔壓消散，且最終孔壓與A堆載方案最終孔壓接近。

對比兩堆載方案下孔壓變化值可知，加載歷時長對應(yīng)孔壓峰值出現(xiàn)的晚，峰值較小，固結(jié)速率較慢。

3.2 位移

兩堆載方案下，不同階段地基及堆體水平位移等值線圖見圖6，負(fù)值表示位移指向左側(cè)。通過水平位移等值線圖可知，由于模型整體沿中線近似對稱分布，堆載作用下復(fù)合地基內(nèi)水平位移也近似對稱分布，水平方向自中心向兩側(cè)水平位移呈先增大后減小的趨勢，地基中心水平位移接近于0；堆體下部沿深度方向地基水平位移分布呈“弓”形分布，最大水平位移發(fā)生在地基兩側(cè)樹根樁底部位置。

圖6 水平位移等值線圖(單位：cm)

堆載完成時及固結(jié)300 d時地基內(nèi)水平位移分布規(guī)律相同，固結(jié)300 d后水平位移有所增大，A堆載方案下堆載完成時最大水平位移為8.3 cm，固結(jié)300 d后最大水平位移為8.5 cm；B堆載方案堆載完成時最大水平位移略小于A方案，為8.1 cm，固結(jié)300 d時最大水平位移略大于A方案，為8.9 cm。

兩堆載方案下，不同階段地基及堆體豎向位移等值線圖見圖7，負(fù)值表示為沉降。由圖7可知，最大沉降發(fā)生在堆體底部中間位置，向堆體兩側(cè)坡腳沉降逐漸減小，堆體外地表略微隆起。A堆載方案堆載完成時最大沉降為17.4 cm，固結(jié)300 d時最大沉降增加至20.2 cm，增加了2.8 cm；B堆載方案堆載完成時及固結(jié)300 d時最大沉降均略大于A堆載方案堆載完成及固結(jié)300 d時最大沉降值，分別為17.7 cm及21.6 cm，恒載作用下最大沉降增加了3.9 cm。

圖7 豎向位移等值線圖(單位：cm)

豎向位移隨時間變化曲線，見圖8。

圖8 豎向位移隨時間變化曲線

由圖8可見，2種堆載方案下堆載過程中豎向位移隨時間的變化曲線與堆載過程曲線，以及孔壓隨時間變化曲線有很大的關(guān)聯(lián)性。堆載過程中，沉降曲線呈臺階狀，堆載時沉降增幅較大，觀察階段沉降小幅增長，堆載完成后，恒載作用下地基固結(jié)，沉降緩慢增加至平穩(wěn)狀態(tài)。

對比A、B兩堆載方案下沉降曲線，因達(dá)到相同堆載時B方案用時較短，所以堆載過程中相同時間下B堆載方案沉降值要大于A堆載方案，但最終沉降值相差不大。

地基典型位置在A、B兩堆載方案下，堆載完成時及堆載完成300 d時水平位移及沉降結(jié)果統(tǒng)計表見表3，表中水平位移為負(fù)值表示位移指向防塵網(wǎng)一側(cè)，豎向位移為負(fù)值表示沉降。由表3可知，堆載完成300 d時，A、B兩堆載方案下典型位置水平位移均小于堆載完成時水平位移值，且B方案水平位移略小于A方案對應(yīng)位置水平位移。

表3 典型位置位移結(jié)果統(tǒng)計 cm

堆載完成300 d時，A、B兩堆載方案下防塵網(wǎng)基礎(chǔ)及軌道梁基礎(chǔ)隆起量小于堆載完成時隆起量，堆載左右兩側(cè)坡腳沉降增加，B方案沉降值略大于A方案對應(yīng)位置沉降值。

3.3 受力

復(fù)合地基中因樁基單樁承載力有限，故對堆載作用下樁基受力情況進(jìn)行分析，包括樁頂軸力、樁底軸力、最大軸力及其發(fā)生位置，2種堆載方案下，典型樁在堆載完成時及固結(jié)300 d時軸力統(tǒng)計表見表4。

表4 2種方案典型樁軸力參數(shù)統(tǒng)計

由表4可見，同一時間樁身軸力自樁頂開始逐漸增加，到中性點達(dá)到最大，然后逐漸減少，直至樁底，即表現(xiàn)為上部負(fù)摩擦和下部正摩擦特性；軸力的變化規(guī)律，說明了樁周上部存在明顯的負(fù)摩阻力影響，且隨著時間的增加樁土應(yīng)力比增加；同一深度處堆載完成300 d時樁軸力值略大于堆載剛完成時樁軸力值。

B堆載方案下，兩時間節(jié)點樁頂軸力均大于A堆載方案節(jié)點對應(yīng)值，樁底軸力及最大軸力在堆載完成時總體上略小于A堆載方案對應(yīng)值，在堆載完成300 d時總體上略大于A堆載方案對應(yīng)值；樁體最大軸力發(fā)生位置無大的變化。

4 結(jié)論

1) 堆載引起地基內(nèi)孔壓增加，不同堆載方案荷載施加速率不同對應(yīng)堆載過程中孔壓變化規(guī)律明顯不同，堆載歷時越長，孔壓峰值越小且出現(xiàn)時間越晚，固結(jié)速率越慢，但后續(xù)長期恒載作用下超孔壓消散后不同堆載方案對應(yīng)地基孔壓值相近。

2) 堆載作用下復(fù)合地基內(nèi)水平位移近似對稱分布，水平方向自中心向兩側(cè)水平位移呈先增大后減小的趨勢，地基中心水平位移接近于0，最大水平位移發(fā)生在地基兩側(cè)樹根樁底部位置；最大沉降發(fā)生在堆體底部中間位置，向堆體兩側(cè)坡腳沉降逐漸減小，堆體外地表略微隆起；不同堆載方案下地基內(nèi)位移分布規(guī)律相同，位移量值無較大差別。

3) CFG樁頂應(yīng)力及樁土應(yīng)力比隨樁長縮短和樁間距增大而減小，隨堆載時間增加而增大，堆場荷載有逐漸緩慢地從樁間土向CFG樁轉(zhuǎn)移趨勢；不同堆載方案下，最終樁土應(yīng)力比存在一定差異，用時較短的堆載方案后期樁土應(yīng)力比大于用時較長堆載方案。