黃 強

(廣東省源天工程有限公司,廣東 廣州 511300)

0 引言

水工建筑設(shè)計不僅僅需要考慮上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,也需要對其基礎(chǔ)部分,特別是地基設(shè)計進行科學(xué)合理性探討[1-2],確保水工地基設(shè)計滿足上部結(jié)構(gòu)安全運營要求。當(dāng)?shù)鼗哂熊浫跽惩恋炔涣纪馏w時,可采用樁土復(fù)合地基、土層夯實等地基處理技術(shù),提升水工場地承載能力。因而,開展對樁土復(fù)合地基的設(shè)計研究,有助于豐富水工設(shè)計參考成果。樁土復(fù)合地基工藝設(shè)計參數(shù)會影響地基承載能力,周陽[3]、劉駿龍[4]采用FLAC3D仿真計算方法,對樁土復(fù)合地基靜荷載下沉降特征、樁身應(yīng)力特征開展對比研究,評價樁體設(shè)計參數(shù)對復(fù)合地基穩(wěn)定性影響,為樁土復(fù)合地基設(shè)計提供基礎(chǔ)依據(jù)。以上研究集中于靜荷載或物化改良,而水工場地不僅需要考慮靜荷載影響,也需要考慮地震動荷載危害,李久棟[5]、馮忠居等[6]通過地震波輸入模擬動荷載,對樁土復(fù)合地基的土體動力響應(yīng)系數(shù)、樁身動力響應(yīng)特征開展深入研究,探討樁土復(fù)合地基抗震設(shè)計方案,完善樁土復(fù)合地基設(shè)計成果。本文基于潭江擬建水利樞紐場地樁網(wǎng)復(fù)合地基工藝參數(shù)優(yōu)化,從樁土沉降位移特征以及樁體動力響應(yīng)特征對比出發(fā),評價樁體設(shè)計參數(shù)對復(fù)合地基動力響應(yīng)影響。

1 研究方法

1.1 工程概況

作為江門地區(qū)重要地表水通道,潭江具有輸供水、枯水季水位調(diào)節(jié)以及汛期泄流的作用,全長超過350 km,包括有10多條長度在10 km以上的支流,水資源較豐富,流域內(nèi)水系發(fā)育。根據(jù)對潭江流域水文資料分析得知,目前潭江共有3座梯級水利樞紐,呈階梯布置,但由于厄爾尼諾現(xiàn)象以及夏季臺風(fēng)天氣頻發(fā)等影響,潭江所在的蓬江、江海等區(qū)段內(nèi)常出現(xiàn)持續(xù)時間較長的警戒水位,最大超幅達25.5%,對兩岸防洪安全帶來較大挑戰(zhàn),也不利于三座梯級水利樞紐的安全運營。為此,潭江水利管理部門考慮在潭江開平段上游W9～W15流域內(nèi)建設(shè)一綜合樞紐,減輕下游各梯級水利樞紐泄洪壓力。目前,開平擬建樞紐所在場地主要為粉質(zhì)黏土,松散性以及沉降性均較高,含水率可達18.5%,不利于泄洪閘在較高泄流量下運營。從工程設(shè)計出發(fā),工程部門計劃對樞紐場地及逆行軟土樁網(wǎng)復(fù)合地基設(shè)計,并從動力響應(yīng)特征角度探討樁網(wǎng)復(fù)合地基的設(shè)計優(yōu)化。

1.2 動力模型分析

為確保模型計算結(jié)果可靠性,采用HS-Small模型描述樞紐工程場地土體,該模型具有動力阻尼遲滯系數(shù),可表述多次循環(huán)荷載下動力響應(yīng)系數(shù)的弱化過程,且該模型體現(xiàn)了土體以塑性剪脹破壞為主,本構(gòu)模型表達式如下[7]:

(1)

(2)

(3)

(4)

基于前述式(1)(4)進行地基土體力學(xué)本構(gòu)描述,在有限元軟件中建立起地基土體模型,如圖1所示。該模型中包括有黏土層、淤泥土以及砂土層,總影響范圍為30 m,采用軟土樁CGF樁長為20 m,初步設(shè)定樁間距為1.8 m,土體物理力學(xué)參數(shù)均采用室內(nèi)實測值。該計算模型位于開平水利樞紐溢洪道斷面Z2+122～Z2+145處,在整個樞紐工程中具有土體多元代表性特點,不論是砂土或是黏土,均采用HS-Small本構(gòu)模型進行模擬。

圖1 樁網(wǎng)復(fù)合地基示意

在該水工建筑場地設(shè)置有土工格柵,剛度為80 kN/m,在有限元平臺中采用三角形微單元進行模擬,如圖2(a)所示。軟土樁視作彈性變形樁,樁徑為0.8 m,樁間距為本文優(yōu)化參數(shù);與軟土樁CFG相對應(yīng)的是,樁帽采用同向同性彈性材料模擬,變形模量為21 GPa,直徑為1.2 m,所建立的CFG樁與樁帽模型如圖2(b)所示,包括有雙樁間土與四樁間土兩種類型,所有樁間土特征均與實際工程相匹配,樁土間接觸面強度視作低于同類土體,界面強度系數(shù)取同類型土體的2/3,同時本構(gòu)方程也與相鄰?fù)馏w一致。

圖2 樁土模型

所建立的動力計算模型X～Z向分別指代溢洪道軸向、水流方向垂向以及結(jié)構(gòu)自重方向,而模型計算范圍在三方向投影分別為20 m、5 m、30 m。基于上述本構(gòu)模型方程及建模分析,建立其軟土樁CFG樁網(wǎng)復(fù)合土體地基模型,如圖3所示。

圖3 樁網(wǎng)復(fù)合土體地基模型 圖4 廣州波時程特征

基于工程所在場地實際引入廣州地震波,其峰值響應(yīng)最大加速度為1 m/s2,圖5為該地震波在前16s的加速度時程特征,采用擬靜力法在圖4所示復(fù)合地基模型中輸入動荷載。以樁體設(shè)計參數(shù)樁間距d為研究對象,研究方案設(shè)定樁間距依次為0.6 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m、1.8 m、2.1 m、2.4 m,各方案在其他樁土參數(shù)統(tǒng)一的前提下,探討樁體設(shè)計參數(shù)影響下樁土動力響應(yīng)特征,期以為軟土樁網(wǎng)復(fù)合地基設(shè)計優(yōu)化提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2 樁體設(shè)計參數(shù)與樁土動力響應(yīng)特征

2.1 沉降位移特征

基于不同樁間距設(shè)計參數(shù)下動力響應(yīng)計算,從軟土樁網(wǎng)復(fù)合地基計算結(jié)果中提取獲得樁土沉降位移差特征,如圖5所示,包括有樁頂-樁頂土(樁土)、樁頂與雙樁間土(樁雙土)、樁頂與四樁間土(樁四土)。

分析樁土沉降差特征可知,當(dāng)樁間距愈大,不論是樁土或是樁雙土、樁四土等沉降差,均為遞增變化;當(dāng)樁間距增大0.3 m,則樁土沉降差可增大11.7%,同樣的樁雙土、樁四土沉降差分別隨之具有增幅12.4%、14.5%。即樁間距愈大,樁土沉降不均更顯著,軟土樁網(wǎng)復(fù)合地基不均勻沉降更大,地基整體承載變形能力更弱[8]。另一方面,具體分析樁頂與三個不同類型部位土體沉降位移差特征可知,樁間距與樁土沉降差的正相關(guān)變化具有節(jié)點幅度差異,當(dāng)樁間距低于1.5 m時,樁土、樁雙土、樁四土沉降差隨樁間距的變幅分別為2.2%、1.8%、1.9%,而樁間距超過該節(jié)點后,三種類型樁土沉降差均得到較大幅度提高,如樁雙土在樁間距2.4 m、2.1 m下較之間距1.8 m時分別提高了44.6%、20.4%,樁四土在超過該節(jié)點后最大變幅可達24.6%,沉降差最大可達9.6 mm。由此可知,樁間距愈大,的確是可加大樁網(wǎng)復(fù)合地基不均勻沉降特性,但不可忽視當(dāng)樁間距未超過一定界限時,樁土沉降差仍控制在較合理范疇,對提升工程建設(shè)經(jīng)濟性具有較大設(shè)計價值。

圖5 樁土沉降位移差特征 圖6 樁身動力響應(yīng)特征

2.2 樁身動力響應(yīng)特征

在廣州地震波影響下,樁間距對樁身動力響應(yīng)特征具有顯著影響,如圖6,圖中樁身高度1～17.5 m指樁頂至樁底沿程高度。當(dāng)樁間距愈大,則樁身加速度響應(yīng)水平愈大,樁體抗震愈不利。從樁身各部位加速度響應(yīng)值對比來看,以愈靠近樁底處,加速度響應(yīng)值在各樁間距方案中差幅更顯著,如樁底17.5 m處各樁間距方案中最大差幅可達72.4%,屬樁間距1.5～1.8 m方案間。由上述分析可知,樁間距愈大,對樁身整體連貫性、協(xié)調(diào)性、整體性愈不利,在地震動荷載下,樁網(wǎng)復(fù)合地基抗震效果愈差,此也與前文樁土沉降差特征有所對應(yīng)。

從各樁間距方案對比來看,在樁間距0.6 m、1.2 m、1.5 m時,樁身上加速度響應(yīng)值均呈穩(wěn)定增長,隨樁身高度的平均增幅分別為4.5%、5%、6.8%,而樁身加速度響應(yīng)平均值分別為11.8 mm/s2、18.6 mm/s2、20 mm/s2,方案間加速度響應(yīng)值增幅仍處于較小區(qū)間。當(dāng)樁間距為1.8～2.4 m時,隨樁頂至樁底,三個方案的加速度響應(yīng)值隨樁身高度分別有增幅16.5%、17.2%,此增幅顯著高于樁間距0.6～1.5 m方案,即樁間距過大,樁體動力響應(yīng)特征在樁身方向上更具擴散性。同時,樁間距1.8～2.4 m的三個方案中樁身加速度響應(yīng)值均在樁身10 m處呈不同變幅的加速度響應(yīng)變化,即樁身上動力響應(yīng)特征的雙階段性,易導(dǎo)致樁體10 m處前后段發(fā)生銜接性、過渡性較差的斷樁破壞。綜合分析認(rèn)為,控制樁間距低于1.5 m時更為可靠。

3 樁體設(shè)計參數(shù)與地基應(yīng)力特征關(guān)系

根據(jù)各樁間距設(shè)計方案下樁網(wǎng)復(fù)合地基計算,獲得樁頂、樁雙土、樁四土處在地震波荷載下應(yīng)力響應(yīng)特征,如圖7。

由圖中應(yīng)力響應(yīng)特征可知,樁頂處應(yīng)力響應(yīng)值最大,其較之樁雙土、樁四土應(yīng)力響應(yīng)值分別有差幅7.5%～2倍、62%～6倍,相比之下,樁雙土與樁四土具有緩和地震作用效果。當(dāng)樁間距愈大,應(yīng)力響應(yīng)值愈高,在樁間距0.6 m時,樁頂處應(yīng)力為174.2 kPa,而樁間距每遞增0.3 m,可導(dǎo)致樁頂處應(yīng)力響應(yīng)值增長1.3%,而在樁雙土、樁四土處應(yīng)力響應(yīng)值隨樁間距的變幅分別為21.2%、32.8%。相比之下,樁雙土、樁四土應(yīng)力響應(yīng)值較低,但受樁間距影響敏感性更大,而樁頂處應(yīng)力響應(yīng)值較大,在樁間距改變時,其應(yīng)力值的最大變幅僅為2.1%。因而,筆者認(rèn)為,考慮樁間距設(shè)計參數(shù)優(yōu)化時,應(yīng)力值水平更注重樁間土的應(yīng)力響應(yīng)值變幅,而樁體自身應(yīng)力響應(yīng)值水平控制較合適區(qū)間即可[9-10]。從樁間距方案優(yōu)選來看,若選擇樁間距1.5 m,整體樁身應(yīng)力響應(yīng)值控制在較合理區(qū)間,而樁雙土、樁四土應(yīng)力值與較低間距方案下對比差幅較小。綜合樁網(wǎng)復(fù)合地基與樁土應(yīng)力響應(yīng)值,該復(fù)合地基樁間距設(shè)計為1.5 m左右更為合理,對工程適配度更高。

圖7 樁體應(yīng)力響應(yīng)值特征

4 結(jié)語

(1)樁間距愈大,則樁土沉降差愈大,當(dāng)樁間距增大0.3 m,則樁土、樁雙土、樁四土沉降差分別可增大11.7%、12.4%、14.5%;當(dāng)樁間距低于1.5 m時,三種類型樁土沉降差隨樁間距變化的幅度較低,而超過該樁間距后,沉降差增長較大。

(2)樁間距愈大,則樁身加速度響應(yīng)愈大;愈靠近樁底,樁身動力響應(yīng)水平愈顯著;當(dāng)樁間距超過1.5 m后,樁身加速度響應(yīng)值在樁體10 m處具有變幅差異,樁體動力響應(yīng)協(xié)調(diào)性較差。

(3)樁間距愈大,應(yīng)力響應(yīng)值愈高;樁雙土、樁四土應(yīng)力響應(yīng)水平低,但隨樁間距影響變幅大,樁頂應(yīng)力與前兩者呈相反,應(yīng)力響應(yīng)值為最大。

(4)綜合樁網(wǎng)復(fù)合地基動力響應(yīng)特征與樁土沉降特征,樁間距1.5 m左右時方案更為可靠。