時貞祥，張瑋，李文禎，劉子超，陳煥，曹晨陽

（中國電建市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，天津 300384）

1 引言

CFG 樁，即水泥粉煤灰碎石樁，通過各種材料按比例機(jī)械混合制成的具有可變強(qiáng)度的基礎(chǔ)形式[1]，在土木建筑行業(yè)有廣泛的應(yīng)用[2-3]，尤其適用于對地基的土質(zhì)改善，滿足地基承載的要求[4]。在沿海城市，土木工程建設(shè)過程中不可避免會遇到海相淤泥質(zhì)黏土地層，淤泥質(zhì)地層不僅承載性能弱，還易隨土體間滲流流動[5]。CFG 樁施工過程中會受到淤泥侵入、樁與樁之間的相互擠壓等因素影響，施工質(zhì)量難以有效控制，無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)[6-8]。其中，潮汐作用帶來的孔壓變化將加劇淤泥質(zhì)土層對CFG 樁體質(zhì)量的影響[9]，同時，CFG 樁施工過程也改變淤泥層排水情況，地基在潮汐作用下不均勻固結(jié)沉降[10]。

趙秀紹[11]等以實際工程為例，對CFG 樁施工時的孔隙水壓力進(jìn)行監(jiān)測，并對施工過程的孔隙水壓力變化進(jìn)行了劃分。Juan 等[12]對加州橋梁改造時，監(jiān)測基礎(chǔ)在泥漿等軟土地層中施工變形情況。Hwang[13]等對在臺灣地區(qū)淤泥質(zhì)軟土中進(jìn)行樁基施工的過程進(jìn)行監(jiān)測，確定樁驅(qū)動阻力與軟土地層之間的相關(guān)性。唐世棟等[14]通過對擠土樁施工過程中實測資料的分析和理論研究，分析了飽和軟土中群樁范圍內(nèi)超孔隙水壓力的產(chǎn)生條件。吉同元等[15]通過工程現(xiàn)場CFG 樁施工所觀測的樁周超靜孔壓數(shù)據(jù)的分析和整理，系統(tǒng)研究了單樁施工產(chǎn)生的超靜孔壓的發(fā)生發(fā)展過程，分析了超靜孔壓在樁周徑向及深度上的分布，探討了超靜孔壓的消散規(guī)律。在滲流下CFG樁施工養(yǎng)護(hù)研究較為充分，但是對潮汐作用下變化滲流的研究還有所不足，本文針對在潮汐區(qū)高低水位差對CFG 樁成樁的影響，采用ABAQUS 有限元軟件模擬在固定水位差與潮汐水位情況下CFG 樁的養(yǎng)護(hù)情況，研究CFG 樁在施工后與養(yǎng)護(hù)期間的各參數(shù)變化情況與機(jī)理。

2 數(shù)值分析方法

2.1 數(shù)值模型建立

本研究依托現(xiàn)有工程福鼎市濱海大道項目，對潮汐作用下CFG 樁成樁養(yǎng)護(hù)情況進(jìn)行分析。潮汐區(qū)CFG 樁施工路段位于內(nèi)海與外海交界海域處，海域潮流屬正規(guī)半日潮，落潮速度大于漲潮速度。歷年最高潮水位為4.25 m，最低潮水位為-3.42 m，歷年平均高潮位3.86 m，平均低潮位為-1.61m，歷年平均潮差為4.17 m，平均海平面0.53 m。隨著潮汐水位的變化，內(nèi)海與外海之間的水位差呈周期波動變化，CFG 樁在施工完成后，地基周邊隨著時間的變化內(nèi)部滲流方向與流量出現(xiàn)明顯不同。根據(jù)實際情況將CFG 樁與周邊地基進(jìn)行簡化，建立CFG 樁與周圍的地基土體模型，其中地基長、寬10 m，深15 m，CFG 樁直徑0.6 m，埋深10 m。CFG 樁劃分為1 440 個單元，土體劃分為59 376 個單元。

2.2 模型力學(xué)參數(shù)

通過對現(xiàn)場土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗，得到土體基本力學(xué)參數(shù)，采用修正Drucker-Prager 帽蓋模型進(jìn)行模擬，其中，彈性模量Es=100 MPa，干密度ρd=1 800 kg/m3，黏聚力c=80 kPa，屈服面傾角β=30°，帽蓋離心率0.1，流動應(yīng)力比M=1，滲透系數(shù)k=2.5×10-10m/s，初始孔隙比e0=2，采用C3D20R 孔隙流體/ 應(yīng)力單元類型。樁體采用彈性模型，彈性模量Ep=15 GPa，密度ρ=2 500 kg/m3，采用C3D20R 三維應(yīng)力單元類型，樁土之間的摩擦系數(shù)μ=0.7。

CFG 樁施工過程中將對周邊土體進(jìn)行擠壓，甚至導(dǎo)致土體出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞，土體周邊將產(chǎn)生超孔隙水壓力，通過對CFG 樁周邊土體賦予超孔隙水壓力模擬CFG 樁施工過程中對土體的影響，并研究隨潮汐變化CFG 樁的養(yǎng)護(hù)情況[16]。

式中，a 為影響半徑的倍數(shù)；cu為土的不排水抗剪強(qiáng)度；在8 m以外的孔壓變化較小，故摩擦角φ 和黏聚力c 受損，即殘余內(nèi)摩擦角φr以及殘余黏聚力cr，引入軟化系數(shù)γ，其中φr=（1-γ）φ，cr=（1-γ）c；r′為土的有效重度；r0為樁半徑；為塑性區(qū)半徑，E 為土的彈性模量，μ 為土的泊松比；z 為埋深；?f=0.707（3Af-1）為Henkel 孔隙水壓力參數(shù)；Af為Skempton 孔隙水壓力參數(shù)，取0.85；為計算點到樁中心的距離。其中Mohr-Coulomb 模型與Drucker-Prager 模型的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

式中，β 為屈服面傾角；φ 為摩擦角；ε 為三軸拉伸強(qiáng)度與三軸壓縮強(qiáng)度之比；σ0c為初始單軸抗壓強(qiáng)度；c 為Mohr-Coulomb模型的黏聚力。

3 結(jié)果分析

3.1 CFG樁施工對地基影響分析

以排水邊界為界限分析孔壓分布情況，在潮汐高低水位差情況下，CFG 樁施工完成后，樁周邊孔隙壓力增幅較大，隨著潮水遠(yuǎn)離樁身，孔壓增幅變化逐漸降低，呈“斜向傘狀”分布，同時地基兩側(cè)具有明顯的水位差，孔壓分布呈內(nèi)海低外海高趨勢。在CFG 樁頂部，孔隙壓力增幅相對于底部較小，表明CFG 樁在沉管灌注時對底部土體擠壓作用較大，而上部影響較小，在CFG 樁底部呈現(xiàn)一個較大的局部范圍極大值，隨著CFG 樁埋深的增加，孔壓增幅也逐漸降低，埋深15 m 處CFG樁施工引起的孔壓變化可忽略不計。

3.2 CFG樁養(yǎng)護(hù)情況分析

如圖1 所示，通過ABAQUS 有限元軟件對CFG 樁周圍土體進(jìn)行滲流排水模擬，分析土體有效應(yīng)力恢復(fù)情況。通過固定水位差與周期性潮汐水位來對比分析CFG 樁養(yǎng)護(hù)情況。在埋深3.3 m 處CFG 樁周邊土壓力隨時間逐漸恢復(fù)，在養(yǎng)護(hù)前期有效應(yīng)力恢復(fù)速度較快，到達(dá)第7 d 后恢復(fù)速度降低，表明CFG 樁施工對周邊土體的影響具有可恢復(fù)性，在短時間內(nèi)恢復(fù)效果是明顯的。對比固定水位下恢復(fù)情況，潮汐變化水位對土體消散超孔隙水壓力能力有明顯的幫助，更接近樁內(nèi)側(cè)向壓力，能夠有效防止CFG 樁向外擠壓擴(kuò)散。同時，潮汐水位帶來周期性變化水位差的復(fù)雜滲流變化讓土體排水效果提升，CFG樁外部側(cè)向土壓力差由固定水位情況下3.4 kPa 降為2.5 kPa，有效改善了CFG 樁在高低水位差下的水平受力不均問題。

圖1 埋深3.3 m處側(cè)向壓力環(huán)向圖

選擇埋深5 m 處分析可知CFG 樁中部在潮汐水位下具有較強(qiáng)排水作用，如圖2 所示，在固定水位差下，土體滲流方向由外海向內(nèi)海傳遞，而潮汐水位因外海周期性變化導(dǎo)致水位差出現(xiàn)波動，甚至出現(xiàn)內(nèi)海水位高于外海水位的情況，在外海一側(cè)的地基土體承受周期變化的水壓力，排水路徑的變化直接影響遠(yuǎn)離CFG 樁處，最遠(yuǎn)端孔壓消散迅速，且隨周期水位最低處時孔壓變化出現(xiàn)明顯凹陷。在遠(yuǎn)處孔壓變化的影響下，土體滲流方向由外海至內(nèi)海轉(zhuǎn)移為CFG 樁雙向排水，從而加強(qiáng)樁周邊的排水效果。

圖2 埋深5 m處孔壓變化圖

4 結(jié)論

針對潮汐區(qū)高低水位差對CFG 樁成樁的影響，采用ABAQUS 有限元軟件模擬在固定水位差與潮汐水位情況下CFG 樁養(yǎng)護(hù)情況，研究了CFG 樁在施工后與養(yǎng)護(hù)期間的各參數(shù)變化情況與機(jī)理，主要研究結(jié)果如下。

1）CFG 樁在具有水位差的情況下沉管灌注后將出現(xiàn)“斜向傘狀”，同時樁身下部更加明顯。隨著埋深增加，樁身底端孔壓增幅會從區(qū)域最大逐漸降低。CFG 樁與周邊土體側(cè)向應(yīng)力在埋深1/4 處相等，土體土壓力呈現(xiàn)斜向分布，影響CFG 樁的養(yǎng)護(hù)情況。

2）CFG 樁在埋深較淺處潮汐變化水位能夠有效提高超孔隙水壓力消散速度，同時改善CFG 樁在高低水位差下的水平受力不均問題。而在樁身底部主要靠超量灌注樁體設(shè)計量保證CFG 樁后期養(yǎng)護(hù)效果。

3）在周期性潮汐作用下，土體中滲流方向從外海至內(nèi)海轉(zhuǎn)為CFG 樁向內(nèi)海與外海雙向排水，有效提高了CFG 樁中部排水效果，且短期排水效果明顯。