時(shí)靜

（濟(jì)南市水利工程服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250099）

水工建筑物的設(shè)計(jì)中，常遇到建筑物地基地質(zhì)條件不好、豎向承載力和抗滑穩(wěn)定不滿足要求的情況。采用樁基礎(chǔ)處理地基是解決這些問(wèn)題的有效措施之一[1-5]。靜壓樁（靜壓式鋼筋混凝土預(yù)制樁）是樁基施工的一種方法，通過(guò)靜力壓樁利用自重和機(jī)架上的配重提供反力將預(yù)制樁壓入土中，具有對(duì)樁無(wú)破壞、施工無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)、無(wú)沖擊力、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水利工程中。然而在實(shí)際中，采用靜壓樁法將樁貫入地基（尤其是飽和黏土地基）期間會(huì)對(duì)周圍地基土的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致樁承載力會(huì)隨時(shí)間出現(xiàn)降低現(xiàn)象，因此研究靜壓樁法對(duì)土體應(yīng)力的影響規(guī)律具有重要意義。

當(dāng)前，學(xué)者主要采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬來(lái)研究這一問(wèn)題[6-10]，由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)費(fèi)用高昂，因此數(shù)值模擬方法成為熱點(diǎn)研究工具。通過(guò)文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)模擬通常忽略了真實(shí)安裝階段，多數(shù)案例分析只是將樁或樁組直接放置在土中的預(yù)鉆孔中，該方法的明顯缺點(diǎn)是無(wú)法獲得樁安裝引起的土體應(yīng)力變化規(guī)律。針對(duì)這一問(wèn)題，采用數(shù)值分析和試驗(yàn)結(jié)合的方法，驗(yàn)證了所建立的模型可以很好預(yù)測(cè)樁基沉樁過(guò)程以及安裝結(jié)束后對(duì)土體應(yīng)力的影響，探討了不同超固結(jié)比下沉樁過(guò)程對(duì)土體孔隙水壓力和應(yīng)力的影響，結(jié)果可為水利樁基工程提供參考。

1 工程概況

本研究的水庫(kù)工程地處黃泛沖積平原，地勢(shì)自西北向東南傾斜，平均地面坡度為0.01%，南部屬剝蝕構(gòu)造的低山殘丘，有兩大地形，即低山殘丘和黃泛平原。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)東亞季風(fēng)大陸性氣候，夏熱冬冷、寒暑交替、四季分明，春旱多風(fēng)，夏熱多雨，秋旱少雨，冬寒晴燥。降雨多集中在七八兩月，最大年降雨量1 118 mm，發(fā)生在1964年；最小年降雨量299.98 mm，發(fā)生在2002年。地基主要為第四系上更新統(tǒng)沖積層（alQ3）黏土，室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得干密度為1.38～1.81 g／cm3，孔隙比為0.486～0.971，壓縮系數(shù)為0.17～0.47，局部具中等壓縮性，飽和固結(jié)快剪強(qiáng)度值為15.2°～25.1°，自由膨脹率為42%～66%，具弱～中等膨脹性；抗剪強(qiáng)度值為18.1～48.1 kPa，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)為10～13擊。

2 數(shù)值模型與計(jì)算參數(shù)

本次建立靜壓樁數(shù)值模型為二維軸對(duì)稱模型，建模時(shí)采用四節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱單元和孔隙單元，樁端采用錐形，錐角為60°。微型錐體貫入地基的網(wǎng)格示意，如圖1所示。

圖1 靜壓樁數(shù)值模型

在Abaqus中，樁基與地基接觸算法采用主從接觸屬性，并生成接觸力以防止節(jié)點(diǎn)穿透主曲面。打樁過(guò)程中樁土相互作用采用接觸運(yùn)動(dòng)學(xué)建模。兩個(gè)曲面之間的接觸條件由法線和切線方向上的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程約束控制。當(dāng)樁與土壤之間存在間隙時(shí)，接觸處的法向應(yīng)力為零；當(dāng)樁與土壤接觸時(shí)，接觸處生成切應(yīng)力為正應(yīng)力。樁土界面處的摩擦滑動(dòng)利用庫(kù)侖摩擦接觸定律描述，界面處的最大剪應(yīng)力與法向應(yīng)力成正比。當(dāng)剪應(yīng)力小于最大值時(shí)，不會(huì)發(fā)生相對(duì)位移（滑動(dòng)）；而當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，樁基沿剪應(yīng)力方向發(fā)生滑動(dòng)。

為驗(yàn)證靜壓樁模型的正確性和數(shù)值計(jì)算參數(shù)的準(zhǔn)確性，在正常固結(jié)黏土試樣上進(jìn)行了微型壓電錐貫入試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行相同貫入試驗(yàn)，對(duì)比二者結(jié)果，進(jìn)行參數(shù)反演。試驗(yàn)分兩個(gè)階段進(jìn)行：第一步先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地基土樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，使其能夠達(dá)到原狀土的固結(jié)應(yīng)力；之后以207 kPa的平均有效應(yīng)力開(kāi)始進(jìn)行貫入試驗(yàn)。數(shù)值模型中樁基安裝結(jié)束時(shí)壓電錐周圍的孔隙水壓力分布，如圖2所示。

圖2 樁基安裝結(jié)束時(shí)壓電錐周圍的孔隙水壓力分布

壓電錐尖端和錐側(cè)處的超靜孔隙水壓力分別為525 kPa和660 kPa，而試驗(yàn)中的壓電錐貫入儀尖端和錐側(cè)的孔隙水壓力實(shí)測(cè)值分別為550 kPa和625 kPa，二者結(jié)果十分接近，因此認(rèn)為本次所建立模型合理。此外，還對(duì)比分析了數(shù)值模擬與試驗(yàn)中樁尖與樁側(cè)最大超靜孔隙水壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖3所示。隨時(shí)間增長(zhǎng)，樁尖與樁側(cè)超靜孔隙水壓力模擬數(shù)值在試驗(yàn)值附近波動(dòng)，但均在10%的誤差范圍內(nèi)，且二者隨時(shí)間均呈減小趨勢(shì)，因此認(rèn)為本次建立的數(shù)值模型合理，反演后的數(shù)值參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖3 樁基最大超靜孔隙水壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系

表1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

3 不同超固結(jié)比下黏土應(yīng)力變化

為研究不同超固結(jié)比（OCR）下樁基安裝期間和安裝之后對(duì)土壤應(yīng)力狀態(tài)的影響，采用1、3、5和10 4種不同的OCR來(lái)進(jìn)行數(shù)值分析。模型的計(jì)算參數(shù)和尺寸與之前保持一致。不同超固結(jié)比下，樁基超靜孔隙水壓力隨地基深度的變化規(guī)律如圖4所示；樁基安裝期間，地基土超靜孔隙水壓力隨時(shí)間變化規(guī)律如圖5所示。

圖4 樁基超靜孔隙水壓力隨地基深度的變化規(guī)律

圖5 地基土最大超靜孔隙水壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律

樁基安裝結(jié)束后，在樁尖附近超靜孔隙水壓力急劇增加，而在樁尖以下顯著降低，甚至小于初始超靜孔隙水壓力。因此，在地基中任意一點(diǎn)，當(dāng)樁尖端經(jīng)過(guò)該點(diǎn)時(shí)，土體超靜孔隙水壓力會(huì)顯著增加，并在樁尖通過(guò)后迅速降低。此外，隨著OCR的增大，樁基安裝所導(dǎo)致的孔隙水壓力增量反而更小，這是因?yàn)槌探Y(jié)土在外加荷載小于其先期固結(jié)壓力時(shí)土層的壓縮很微小，外加荷載一旦超過(guò)先期固結(jié)壓力，土的變形將顯著增大。此外，由于受前期固結(jié)壓力的影響，超固結(jié)軟土的孔隙性較小，含水量一般低于軟土的含水量且透水性較差。因此，當(dāng)受樁擠壓時(shí)，超固結(jié)比越大的土的超靜孔隙水壓力越小。

不同超固結(jié)比下，樁基安樁結(jié)束后地基土有效側(cè)壓力系數(shù)隨地基深度的變化趨勢(shì)如圖6所示，同時(shí)比較了90%超靜孔隙水壓力耗散所需時(shí)間。在OCR較大的地基土中安裝樁基，會(huì)導(dǎo)致有效側(cè)壓力系數(shù)增加。然而，由于超靜孔隙水壓力在徑向上的消散速度可能更快，因此與垂直有效應(yīng)力相比，徑向有效應(yīng)力之間的差異更為顯著。此外，在飽和黏土中打入的預(yù)制樁會(huì)引起地基土孔隙水壓力增大，之后隨著樁基安裝穩(wěn)定，超靜孔隙水壓力會(huì)逐漸消散，地基土再次加固，此時(shí)會(huì)引起樁基沉降，對(duì)水工建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大威脅。同時(shí)，隨著黏性土壤的OCR增加，打樁后的固結(jié)過(guò)程中有效徑向應(yīng)力和垂直應(yīng)力的增加更為顯著，即在OCR較高的土壤出現(xiàn)所謂的土壤沉降現(xiàn)象后可能導(dǎo)致更高的軸阻力。

圖6 地基土有效側(cè)壓力系數(shù)隨地基深度的變化趨勢(shì)

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值分析和試驗(yàn)結(jié)合的方法，驗(yàn)證了所建立的模型可以很好預(yù)測(cè)樁基沉樁過(guò)程以及安裝結(jié)束后對(duì)土體應(yīng)力的影響，為其他水利工程在分析類似問(wèn)題時(shí)提供了較好參考。根據(jù)數(shù)值結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，沉樁過(guò)程中樁尖附近超靜孔隙水壓力會(huì)急劇增加，而在樁尖以下顯著降低，甚至小于初始超靜孔隙水壓力，這一現(xiàn)象會(huì)引起樁基發(fā)生二次沉降，對(duì)水工建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大威脅。通過(guò)后期研究得出，隨著黏土的超固結(jié)比增大，打樁過(guò)程中樁尖與樁尖周圍的超靜孔隙水壓力差異會(huì)減小，建議采用先固結(jié)后沉樁的施工順序，能夠提高樁基承載力。