林彬彬，上官東來，馮英駿

（1、珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 廣東珠海 519000；2、珠海航空城工程建設(shè)有限公司 廣東珠海 519000）

0 引言

珠海作為海濱城市，濱海相沉積軟土廣泛分布，約占珠海陸地總面積的50%～60%，地基土呈現(xiàn)出低承載力、大沉降量、沉降穩(wěn)定所需時(shí)間長等特點(diǎn)［1-2］。位于濱海吹填土地區(qū)的道路工程，其力學(xué)性質(zhì)較為特殊，采用素混凝土樁對地基進(jìn)行加固是一種常用的做法［3-5］。復(fù)合地基受到車輛循環(huán)反復(fù)荷載作用，近年來對動載作用下復(fù)合地基進(jìn)行了一定程度的研究，如劉杰等人［6］通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了循環(huán)應(yīng)力比和循環(huán)次數(shù)對圓柱形樁和楔形樁兩種群樁復(fù)合地基的樁-土應(yīng)力比、永久沉降的作用規(guī)律以及樁土應(yīng)力比隨加載次數(shù)的規(guī)律；李西斌等人［7］采用有限元方法研究在高速列車荷載作用下樁承式加筋路堤的應(yīng)力變化規(guī)律，分析了路堤各部分的應(yīng)力和沉降以及最大側(cè)向位移隨各參數(shù)的變化規(guī)律；張玲等人［8］通過循環(huán)荷載作用下筋箍碎石樁單樁復(fù)合地基室內(nèi)模型試驗(yàn)探討了地基加固形式、土工格柵套筒拉伸強(qiáng)度和砂墊層厚度對復(fù)合地基動力響應(yīng)的影響；邱高林等人［9］通過三軸儀對純黏土以及水泥土復(fù)合土樣的動彈模量與阻尼比變化規(guī)律進(jìn)行了研究，探討了應(yīng)變水平、圍壓、水泥摻入比等因素對水泥土動力特性的影響。但是對交通荷載下軟土地區(qū)剛性樁復(fù)合地基的研究較少，本文以交通荷載作用下濱海吹填區(qū)素混凝土樁復(fù)合地基為研究對象，以數(shù)值模擬的方法，研究交通荷載作用下素混凝土樁復(fù)合地基受力特征、變形沉降特征。

1 工程概況

為了模擬交通荷載對素混凝土樁復(fù)合地基力學(xué)行為的影響，選取珠海某市政配套工程復(fù)合地基作為研究對象，如圖1所示，取圖1中圓圈框住位置為數(shù)值模型對應(yīng)范圍。在該區(qū)域采用素混凝土樁復(fù)合地基進(jìn)行軟基處理，淤泥很厚區(qū)域的素混凝土樁為懸浮樁。素混凝土樁設(shè)計(jì)樁長25 m，淤泥和淤泥質(zhì)土平均厚度超過40 m，樁體未貫穿。

圖1 復(fù)合地基平面Fig.1 Floor Plan of a Composite Foundation

2 交通荷載數(shù)值模擬

2.1 模型尺寸及參數(shù)的選取

在有限元軟件建模中，取道路復(fù)合地基橫斷面方向?yàn)閄軸，縱斷面方向?yàn)閅軸，鉛直方向?yàn)閆軸。根據(jù)工程總平面圖和工程地質(zhì)勘測報(bào)告，并考慮交通荷載作用導(dǎo)致的應(yīng)力重分布影響范圍，擬定模型總體尺寸為：0 m≤X≤60 m；0 m≤Y≤2.2 m；-54 m≤Z≤3.05 m。素混凝土樁間距為1.6 m，樁徑為0.4 m，平面布置方式為梅花式，樁長為25.0 m，X方向上設(shè)置13 排樁，Y方向上設(shè)置2 排樁。地層結(jié)構(gòu)從上至下依次為2.2 m 的吹填土，18.0 m 的淤泥和36.0 m 的淤泥質(zhì)土。劃分的路基網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 三維模型軸測Fig.2 Axonometric of the 3D Model

根據(jù)土層條件及工程周圍環(huán)境，定義邊界條件：模型四周固定水平位移，底部剛性約束，上部自由邊界，模型四周及底面均設(shè)置為不透水邊界。土體采用摩爾庫倫本構(gòu)，地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表如表1所示。

表1 地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表Tab.1 Parameters of Stratum and Support Structure

2.2 模擬過程

⑴先給土體施加初始重力，直到達(dá)到土體自身的地應(yīng)力平衡。

⑵在路基表面施加大小為P的交通荷載，借助有限元軟件內(nèi)部編程語言，編輯交通荷載加載命令。交通荷載是由兩個(gè)部分組成：①汽車自身振動引起的荷載；②公路路面不平整導(dǎo)致車輛上下顛簸引起的荷載。鄧學(xué)鈞［10］認(rèn)為汽車交通荷載具有兩個(gè)特征：①荷載位置隨時(shí)間改變；②荷載大小隨時(shí)間改變。在有限元軟件中采用正弦波波形來模擬交通荷載的波形。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模型的有效性，將現(xiàn)場交通荷載試驗(yàn)的工況進(jìn)行類似簡化處理后，施加到數(shù)值模型上，并將模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對比?，F(xiàn)場試驗(yàn)車型采用三軸渣土車，車輛載重為27.4 t，行駛速度為20 km/h，行駛次數(shù)為10次。在數(shù)值模型上施加的車輛荷載為2個(gè)，車輛載重對應(yīng)的接地壓力為0.25 MPa，行駛速度對應(yīng)的荷載頻率為3 Hz，循環(huán)作用此時(shí)為10 次。通過提前埋設(shè)的土壓力計(jì)進(jìn)行動態(tài)采集，其樁-土應(yīng)力峰值分布如圖3所示。

圖3 樁-土應(yīng)力分布曲線Fig.3 Pile Soil Stress Distribution Curve

在車輛荷載作用下，輪下樁頂處應(yīng)力顯著增大，輪下樁間土處應(yīng)力變化較小，與交通荷載試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律相同。上述結(jié)果驗(yàn)證了素混凝土樁復(fù)合地基數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，可進(jìn)一步開展后續(xù)的交通荷載工況研究。

3.2 樁體受力與位移分析

運(yùn)營階段模擬車輛荷載按雙向4 車道布置，同時(shí)布置4 個(gè)車輛荷載，單個(gè)車輛荷載接地面積為4 個(gè)0.22 m×0.25 m 的矩形。交通荷載頻率為10 Hz，荷載幅值取為1 MPa。監(jiān)測交通荷載作用過程中樁的軸力、豎向位移和水平位移，采用隔排監(jiān)控，素混凝土樁編號如圖3所示，研究交通荷載對素混凝土樁的影響。循環(huán)加載后樁身軸力、水平位移、豎向位移隨樁身深度分布曲線分別如圖4～圖6所示。

圖4 交通荷載作用位置Fig.4 Position of Traffic Load Action

圖6 樁體水平位移隨樁身深度分布曲線Fig.6 Distribution Curve of Pile Horizontal Displacement with Pile Depth

由圖5可知，1#樁軸力隨樁身深度增加而增加，20 m處達(dá)到最大值110.7 kN，隨后開始降低；2#樁與7#樁類似，樁體中間部位軸力較大；位于中間的3#、4#、5#、6#樁軸力分布情況類似，軸力增長到5 m位置后開始減低，最大軸力為4#樁的239.0 kN。中間位置的樁軸力較大，這與承受荷載的情況相對應(yīng)。

圖5 樁身軸力隨樁身深度分布曲線Fig.5 Pile Body Axis Force Distribution Curve with Pile Depth

由圖6 可知，水平位移隨樁身深度的增大而急劇減小，各樁在5 m 深度的水平位移都接近0，這說明交通荷載對樁水平位移的影響范圍在5 m 深度左右；由圖7可知，越靠近內(nèi)側(cè)的樁的豎向沉降越大，且4#～7#樁的豎向沉降較為接近，說明交通荷載對樁豎向位移的影響集中在中間位置。

圖7 樁體豎向位移隨樁身深度分布曲線Fig.7 Vertical Displacement of Pile Body with Pile Depth Distribution Curve

4 結(jié)語

⑴最外圍和中間的素混凝土樁軸力隨樁身深度增加而增加，20 m 深度處達(dá)到最大，隨后開始降低；兩者中間的樁承受交通荷載比例較大，軸力最大位置在5 m深度。各樁中部所受軸力較大。

⑵水平位移隨樁身深度的增大而急劇減小，各樁在5 m 深度的水平位移都接近0，交通荷載對樁水平位移的影響范圍在5 m深度左右。

⑶交通荷載對樁豎向位移的影響集中在中間位置，越靠近內(nèi)側(cè)的樁的豎向沉降越大。