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        加筋高填方區(qū)碼頭樁基應(yīng)力影響因素分析*

        2022-06-30 07:07:00左良棟周世良
        水運工程 2022年5期
        關(guān)鍵詞:筋帶后土填方

        左良棟,周世良,泉 金

        (1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院,重慶 400074;2.重慶交通大學(xué),重慶西南水運工程科學(xué)研究所,重慶 400016)

        隨著長江經(jīng)濟帶發(fā)展戰(zhàn)略的深入實施,流域各省市的水運經(jīng)濟得到快速發(fā)展,港口、航道等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐加快[1]。在山區(qū)河流上建設(shè)碼頭,陸域空間狹小是個突出問題[2]。為破解這個難題,大都通過回填造陸的方式來獲得一定的堆場面積,并在高填方區(qū)沉降控制方面采取加筋土的方式進行處理。在頂部堆載等因素的影響下,堆場填方土體會發(fā)生沉降變形,對前沿的樁基產(chǎn)生橫向的推力和豎向的負摩擦力[3]。因此,此類樁基具有被動樁的典型特征,其受力更為復(fù)雜。

        對于被動樁的研究起步于抗滑樁領(lǐng)域。國內(nèi)外學(xué)者從不同角度做了大量工作:1)圍繞滑坡體的穩(wěn)定性及影響因素進行探討,包括不同土質(zhì)[4-6]、內(nèi)部結(jié)構(gòu)[7]、水因素影響[8]、土體蠕變[9]等多重因素,此類工作為探究抗滑樁的受力機理奠定了基礎(chǔ);2)以抗滑樁為研究對象,探討樁基的尺寸[10]、樁間距[11]、布置方式[12]、截面形狀[13]等因素對樁基工作性能和加固效果的影響,并進行設(shè)計方法的研究;3)圍繞樁土相互作用展開研究,主要從相互作用機理、計算方法、實驗分析等不同角度開展相關(guān)工作[14-17]。在碼頭樁基與岸坡相互作用方面,國內(nèi)較早的報道是魏汝龍等[18]開展的試驗和計算研究。由于近年來高填方區(qū)多數(shù)采取加筋土技術(shù)[19],進一步增加了問題的復(fù)雜性和研究的難度,導(dǎo)致許多新的研究課題的出現(xiàn)。

        本文擬通過室內(nèi)模型試驗,開展加筋填方區(qū)樁后土拱效應(yīng)和樁基應(yīng)力的規(guī)律研究。運用有限元計算方法,對加筋方式、填方區(qū)坡度和填方區(qū)土體物理力學(xué)參數(shù)等因素對樁后土拱效應(yīng)和樁基應(yīng)力的影響進行計算,將模型試驗結(jié)果和數(shù)值計算分析對比,得到樁基應(yīng)力的分布規(guī)律,并提出加筋高填方區(qū)樁基優(yōu)化設(shè)計的建議。

        1 室內(nèi)模型試驗

        根據(jù)內(nèi)河加筋高填方區(qū)碼頭樁基受力特點,即由于后方陸域堆載等豎向荷載的作用,邊坡土體發(fā)生水平向位移,同時由于樁間土拱效應(yīng)主要表現(xiàn)為水平方向,對模型邊坡頂部施加豎向堆載,以模擬碼頭樁基的實際工作狀態(tài)。

        1.1 模型試驗設(shè)計

        試驗?zāi)P统氐钠矫娉叽鐬?.0 m×3.0 m×1.5 m(長×寬×深),池壁采用厚度為240 mm的黏土磚砂漿砌筑而成,池底采用120 mm素混凝土找平(圖1)。

        本試驗?zāi)橹睆?25 mm、長1.9 m的鋼筋混凝土圓形截面樁,為測試水平荷載作用下填方區(qū)段樁身曲率變化,應(yīng)變片沿樁長方向?qū)ΨQ布置2排,應(yīng)變片間距為150 mm,應(yīng)變片的數(shù)量為11對,其中填方區(qū)段7對,嵌巖段3對,分界處1對(圖2)。

        圖2 制作中的模型樁

        三峽庫區(qū)碼頭建設(shè)區(qū)域的填料主要是就地取材,內(nèi)部多包含有黏性土、砂性土和塊石。為模擬工程實際情況,試驗選擇3種不同性質(zhì)的填料作為加筋陡坡的原材料(表1),開展樁土相互作用試驗研究。

        表1 邊坡填料配比及物理力學(xué)參數(shù)

        模型筋帶的參數(shù)設(shè)置為:寬度d=3.0 mm;極限抗拉強度Tu=5.0 kN/m。根據(jù)以上參數(shù),選擇以100 g牛皮紙和1 mm棉線為原料,粘制雙向模型土工格柵。以寬度為3.0 mm的100 g牛皮紙為模型筋帶表層,其上均勻布置1條1 mm棉線作為筋帶纖維,2層牛皮紙表層之間用液體膠水粘接,放置陰涼處晾干后使用(圖3)。

        圖3 模型筋帶制作

        根據(jù)填料的不同配比,預(yù)先在試驗場地外進行填料的拌合,而后按照分層填筑壓實的方式進行填筑。每層填筑的厚度為200 mm,填料壓實后鋪設(shè)1層筋帶,逐層填筑至設(shè)計高度,坡體外部的筋帶按照設(shè)計的坡度進行刷坡后反包壓實(圖4)。

        圖4 模型加筋邊坡填筑過程

        采用裝滿砂土石塊的編織袋在坡體上方進行堆載,每層20袋,堆置4層,轉(zhuǎn)化為作用于坡體上部的均布荷載為10.7 kPa。為模擬堆載的時間效應(yīng),4層堆載間隔24 h分級完成,全部堆放完成后靜置168 h后開始數(shù)據(jù)采集(圖5)。

        圖5 堆載及數(shù)據(jù)采集過程

        1.2 試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

        樁后土壓力的采集使用直徑為108 mm的振弦式土壓力計,共布設(shè)2排、14個測點,分別采集加筋密度為4層和8層的樁后土壓力(圖6)。

        圖6 不同加筋密度的樁后土壓力

        對比2種工況下樁后土壓力曲線可見,2組數(shù)據(jù)曲線的變化趨勢基本一致:水平向和豎向土壓力均呈現(xiàn)近樁增大、遠樁減小的趨勢。在相同位置,8層加筋土體內(nèi)土壓力較大,這是由于加筋效應(yīng)提高了土體強度、限制了土體的變形所致。由于樁基的存在限制了土體向前位移,從而以樁基為拱腳,形成樁后土拱,導(dǎo)致樁后土壓力大于樁間土壓力。隨著加筋數(shù)量的增加,樁后土壓力減小,這是由于加筋體提高了土體強度,減少了土體的沉降變形。

        彎矩是樁基設(shè)計的重要參數(shù)。根據(jù)試驗方案,4根樁基的樁后土壓力呈對稱分布,因此選擇其中的2根樁身彎矩(1號和2號),繪制彎矩曲線(圖7)。

        圖7 樁身彎矩分布曲線

        由圖7可見,樁身彎矩曲線呈現(xiàn)“U”形,在巖土分界面處達到峰值,且1號樁身彎矩最大值較大,原因是1號樁基位于排樁外側(cè),邊緣土體的限制小,變形較大導(dǎo)致樁身受力也較大。對比分析2種加筋條件下的樁身彎矩可知,8層加筋工況下樁身彎矩明顯減小,說明加筋工藝對減小樁身受力具有顯著效果。

        2 樁與加筋土相互作用數(shù)值模擬

        2.1 數(shù)值模型的建立及驗證

        數(shù)值模型中采用的填土及格柵屬性參數(shù)在實際工程典型值范圍中選取(表2)。填土選擇Mohr-Coulomb理想彈塑性模型,土工格柵采用桿單元進行模擬,設(shè)置桿單元不受壓來模擬土工格柵在土中受力的真實狀態(tài),土工格柵與土體的接觸是將格柵嵌入土體中。將樁土接觸設(shè)置為面與面接觸,其中樁設(shè)為主面,土體設(shè)為從面,切向?qū)傩圆捎昧P函數(shù)模擬,摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3,并添加法向?qū)傩?,不允許接觸面分離。

        表2 材料物理參數(shù)取值

        根據(jù)表2參數(shù)建立三維數(shù)值計算模型,分別計算4層和8層加筋工況下樁后土壓力,并將計算結(jié)果與室內(nèi)模型試驗對比繪制曲線(圖8)。從圖8可知,數(shù)值計算結(jié)果與室內(nèi)模型試驗結(jié)果在數(shù)值大小和變化趨勢上均保持較好的一致性,因此可以將數(shù)值計算結(jié)果進行對比分析。

        圖8 土壓力對比曲線

        2.2 加筋填方區(qū)土拱空間分布特征

        選擇8層加筋的工況計算結(jié)果進行分析,在y=1.025 m水平面,樁后3.75 cm(x=2.1 m)、13.75 cm(x=2.0 m)、23.75 cm(x=1.9 m)以及33.75 cm(x=1.8 m),將4樁之間水平向和縱向的土壓力值分布繪制成曲線(圖9)。

        圖9 土拱效應(yīng)分布

        從圖9可知,水平向土拱效應(yīng)在靠近樁基處極為明顯,樁后和樁間土壓力差值近7 kPa,在樁后3.75~13.75 cm區(qū)間內(nèi),土壓力隨著遠離樁基而減小,最大值相差近4 kPa。豎向上、下部土拱效應(yīng)更為明顯,下部的拱腳與拱間的壓力差可達2.5 kPa,這是由于下部土體更加密實,更容易形成穩(wěn)定土拱。

        3 加筋填方區(qū)土拱效應(yīng)影響因素

        3.1 加筋方式對土拱的影響

        將加筋層數(shù)和筋帶間距分別作為影響因子進行計算,首先分別選取4、8、12層和無筋4種工況,提取y=1.025 m水平面,樁后23.75 cm處,4樁之間的水平土壓力值進行比較。土壓力曲線見圖10。從圖10可知,隨著加筋層數(shù)增加,樁后土拱效應(yīng)逐漸增大,在4~8層筋帶之間土壓力增大較為明顯,可達200 kPa;而8~12層之間的變化較小。綜合考慮經(jīng)濟效益,8層加筋為較為合理的方式。

        圖10 加筋層數(shù)對土拱影響曲線

        選取8層加筋工況,將筋帶間距作為變量,分別計算5、10、15、20 cm的樁后23.75 cm、4樁之間的土壓力曲線(圖11)。從圖11可見,隨著筋帶間距的增大,土拱效應(yīng)顯著增強,特別是由10 cm減小到5 cm,最大土壓力提升幅度近2%,綜合考慮縱向土壓力分布規(guī)律,在加筋填方區(qū)上部應(yīng)采取減小筋帶間距的方式進行布置。

        圖11 筋帶間距對土拱影響曲線

        3.2 邊坡角度對土拱效應(yīng)影響

        選擇加筋層數(shù)為8、筋帶間距5 cm的工況,將坡腳變量設(shè)置為30°、45°、60° 3個取值。提取y=1.025 m水平面,樁后23.75 cm(x=1.9 m)處、4樁之間分布的土壓力值,繪制土壓力變化曲線(圖12)。從圖12可知,坡腳角度為45°和60°時的土壓力值相差不大,而30°時土壓力值有明顯增加,是由于坡度增大后,填方區(qū)土體減小了向前擠出的趨勢,從而降低了水平向的土壓力。3種角度下的土拱曲線趨勢基本一致。

        圖12 坡腳角度對土拱影響曲線

        3.3 填方區(qū)土體參數(shù)對土拱的影響

        填方區(qū)土體力學(xué)參數(shù)主要考慮黏聚力和內(nèi)摩擦角兩項,選擇加筋層數(shù)為8層,間距為5 cm。黏聚力分別為3、6、9、12 kPa;內(nèi)摩擦角分別為22°、32°、42°。取在y=1.025 m水平面、樁后23.75 cm(x=1.9 m)處、4樁之間的土壓力并繪制土壓力曲線(圖13)。由圖13可見,隨著土體黏聚力和內(nèi)摩擦角的增加,土壓力都呈現(xiàn)減小趨勢,且減小的幅度由大變小。所不同的是,黏聚力增大后土壓力減小至一個相對穩(wěn)定的值,且土拱效應(yīng)有所減小;而內(nèi)摩擦角增大導(dǎo)致土壓力減小,但土拱效應(yīng)并未減弱。

        圖13 土體力學(xué)參數(shù)對土拱影響曲線

        4 加筋填方區(qū)土拱效應(yīng)和樁基響應(yīng)

        土拱效應(yīng)的形成和發(fā)展與樁基響應(yīng)有著密切聯(lián)系。按照加筋層數(shù)為8層、間距5 cm、坡腳45°、黏聚力3 kPa、內(nèi)摩擦角32°的參數(shù)構(gòu)建數(shù)值計算模型。坡頂堆載分析步設(shè)定為20幀,每幀間隔加載時長為12 h。選定縱向截面y=1.025 m水平面為研究對象,計算結(jié)果見圖14。

        圖14 土拱效應(yīng)與樁基響應(yīng)

        通過觀察20幀的計算結(jié)果可見,在第1~9幀間,主要是樁間小土拱的初步形成期;在第10~15幀間小土拱逐步發(fā)展和穩(wěn)定期;在第16~18幀間以樁基為拱腳的樁后大土拱逐步形成和穩(wěn)定,是大小土拱共同作用期;在第19~20幀間樁間小土拱發(fā)生破壞,形成樁后大土拱的穩(wěn)定期。

        從樁基的剪力和彎矩曲線可見,隨著樁后土拱發(fā)展導(dǎo)致的土壓力增加,樁身內(nèi)力也不斷增大,樁基響應(yīng)是伴隨樁后土拱效應(yīng)發(fā)展而增大的一個過程。

        5 結(jié)論

        1)加筋工藝在高填方區(qū)的應(yīng)用可以改善填方土體的不均勻沉降等問題,加筋效應(yīng)可以減小因土體變形對樁基的作用力,對降低樁基水平向受力的效果顯著。

        2)加筋填方區(qū)土體內(nèi)在樁后可以形成水平向和豎向土拱效應(yīng):對水平向土拱而言,越靠近樁基越明顯;對豎向土拱效應(yīng)而言,填方區(qū)下部較上部更為明顯。

        3)加筋層數(shù)為8層、筋帶間距5 cm、坡腳45°、黏聚力3 kPa、內(nèi)摩擦角32°為最優(yōu)方案。在進行加筋土填方區(qū)設(shè)計時,應(yīng)該選擇摩擦角和黏聚力都較大的土體,要盡量達到二者最優(yōu)解,參數(shù)須結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境、通過現(xiàn)場試驗確定。

        4)綜合考慮計算結(jié)果與碼頭高填方區(qū)實際,宜將填方坡角定為30°。加筋的層數(shù)和間距應(yīng)根據(jù)工程實際開展現(xiàn)場試驗確定,求得綜合考慮工程造價和加筋效果的最優(yōu)解。

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