堆填土固结对桩基础影响的三维模拟分析

刘星

(深圳市勘察测绘院有限公司, 广东 深圳, 518000)

堆填土固结对桩基础影响的三维模拟分析

刘星

(深圳市勘察测绘院有限公司, 广东 深圳, 518000)

基于比奥固结理论, 结合已有地质资料建模, 模拟了桩基础在不同堆填距离、时间下受堆填土荷载作用后的受力和位移。结果显示, 随着堆填土离桩基础距离和固结时间的变化, 桩顶沉降、水平位移、最大剪应力和横梁应力也发生相应的变化, 随着堆填距离增加和固结时间的持续, 桩顶沉降、水平位移、最大剪应力和横梁应力出现不同规律的增大。该结果表明桩基础附近长时间堆填土体, 且堆填距离太小将造成桩基础的损坏, 因此, 堆填土对桩基础的影响是不容忽视的。

堆填土; 桩基础; 比奥固结理论; 淤泥质土

在堆填荷载作用下, 桩基础周围土体发生固结作用, 土体孔隙水压力迅速增大, 随着固结作用的持续, 土体内超孔隙水压逐渐消散, 有效应力逐渐增大, 沉降量增大, 固结逐渐完成。太沙基固结理论的原理是总应力在土体固结的过程中保持不变[1], 该理论计算简洁, 结果精确, 但假设条件适用范围窄。比奥固结理论[2–3]则认为总应力是随时间不断发生变化的, 即土体内超孔隙水压力大于原有初始孔隙水压力, 该理论虽然计算过程复杂, 甚至无法得到解析解, 但能够解决岩土工程中大量的非线性问题。用现代计算机技术将比奥固结理论和有限元计算方法结合起来, 对土体进行模拟计算能得到更加可靠的结果。本文基于比奥固结理论, 结合某沿海围垦工程, 建立了三维弹塑性有限元模型, 对桩基础在堆填土作用下的地基土固结过程进行了模拟, 研究了不同堆填土与桩基础间距下的桩土作用性状, 研究结论可以为桩基础的设计及维护提供理论依据和参考。

1 工程概况

沿海某高速公路设计采用高架桥形式通过海岸滩涂。采用跨径为50 m和30 m的预应力混凝土梁式桥, 基础形式均为钻孔灌注桩基础。钻孔资料显示: 上述桥段基础地质条件相似, 位于海边海积平原,属围垦区; 表层为软塑亚黏土, 厚度1.5～5.0 m; 上部为软土, 主要为淤泥和淤泥质黏土, 性质较差;中部主要为厚层黏土和粉质黏土, 硬塑与软塑交替出现; 下部为硬塑黏性土和砾石、卵石层[4]。

2 模型及计算

参照文献[5], 给出计算过程中的基本假定: (1) 土体为均质弹塑性体, 本构模型采用Mohr-Coulomb模型, 桩采用弹性体模型; (2) 采用总应力分析法, 即认为由建筑荷载引起超静孔压已消散; (3) 桩体为线弹性材料; (4) 不考虑地下水位的影响。

土体共分为5层, 从地表向下分别为淤泥4.5 m, 淤泥质黏土21.6 m, 粉质黏土4.7 m, 黏土24.2 m和粉质黏土11.3 m。下方为砾石层, 由于砾石层承载力较好, 作为底部约束边界考虑。选择有限元软件ADINA进行建模, 模型取平行桩基间横梁方向为X轴, 垂直横梁方向为Y轴, 重力方向为Z轴。模型X向长度为100.0 m, Y向长度为60.0 m, Z向取到地表下66.0 m。土体作为弹塑性体考虑, 本构模型采用摩尔-库伦模型, 桩采用弹性体模拟[6–8]。由于不考虑堆填土体的边坡稳定性, 采用弹性体模拟。填土密度取1 800 kg/m3。考虑到沉降变形的影响, 拟填筑3.0 m, 分6层填筑, 每层0.5 m, 每层填筑期为10 d, 总填筑期共60 d。模型底边界为Z向约束, 四周为水平向约束。底边界和四周为不排水边界, 上部地表除堆填区域外自由水位面为排水边界。各层土所采用的计算参数均来自室内试验[9], 各参数详见表1。

表1 各岩土体所采用计算参数

为了适应桩的形状, 更为真实地模拟该工程, 模型采用四面体自由剖分[10]。模型包括土体和桩体, 共剖分17 282个节点,88 814个单元, 剖分后的有限元网格见图1。

图1 有限元模型网格

3 桩基础位移和应力场综合分析

堆填间距L为3桩中心点至填土的最近距离, 本文模拟了L= 10、12、14、16 m四种工况下, 固结时间为0、200、400、600、1 000 d的位移和应力变化情况。位移和应力场的极值结果详见表2。

桩体在堆填土的作用下会发生位移, 由表2可以看出, 在堆填土荷载作用下, 桩顶沉降量并不大。当堆填土荷载离桩体中心距离L = 10 m时, 桩顶沉降值达到最大为1.24 mm, 随着L的增大桩顶沉降逐渐减小, L = 16 m时, 桩顶沉降最大值为0.68 mm。这是因为在堆填土的作用下, 地基土进一步发生固结, 带动桩体发生沉降, 随着L的增大, 堆填土的作用减小, 桩体沉降也就减小, 对桩的安全影响不大。

在堆填土的作用下, 表现很明显的是桩身水平位移。表2显示, 当L = 10 m时, 水平位移最大值达到64.41 mm; 随着L的增大桩身水平位移最大值有所减小, 当L = 16 m时, 水平位移最大值为56.26 mm。这是由于堆填土对桩周土进行了挤压, 带动桩体发生位移。随着L的增大, 堆填土对桩基的影响逐渐变小。

桩基在堆填土的作用下, 桩体的受力也发生了变化。表2显示, 当L = 10 m时, 桩身最大剪应力为1.30 MPa, 随着L的增大桩身剪应力最大值逐渐减小, 当L = 16 m时, 桩身最大剪应力为1.07 MPa, 变化不大, 不需要对已有的桩体进行加固。

横梁是联系桩保持桩基整体性的重要组成部分, 横梁的安全对桩基的稳定意义重大。由表2可知,在堆填土的作用下, 当L = 10 m时, 横梁应力最大值为3.31 MPa, 随着L的增大, 横梁应力最大值有所减小, 当L = 16 m时, 横梁应力最大值为2.67 MPa。由于横梁的应力都大于2 MPa, 容易发生拉破坏, 因此, 桩间的横梁需要加固处理以确保其稳定性。

表2 位移场的极值

4 桩体位移场和应力场变化分析

4.1 桩顶沉降

如图2所示, 当堆填土距离桩中心较近时, 桩顶沉降在靠近堆填土时有一个回弹的趋势, 随着堆填土距离继续变增大, 这种回弹趋势和幅度将会减小。随着基础的固结, 桩顶沉降回弹幅度逐渐减小, 这是由于土体超孔隙水压逐渐消散, 有效应力增大的缘故, 基础趋向安全。总体来说, 上述分析中出现的桩顶沉降不大, 对桩的整体安全影响不大。

4.2 水平位移

如图3所示, 水平位移较桩顶沉降更为明显, 最大值达63.2 mm, 这是因为在堆载作用下孔隙水压力增大, 土骨架发生变形。随着固结时间的延长, 孔隙水压力逐渐消散, 水平最大位移有回弹的趋势,并且逐渐趋向稳定, 填土对桩基础的影响也逐渐变小。

图2 桩顶沉降变化

图3 水平位移变化

4.3 桩身最大剪应力

如图4所示, 当堆填土距离桩中心较近时, 桩身最大剪应力为1.32 MPa, 随着堆填土距桩基础的距离增大, 桩身最大剪应力逐渐减小。随着固结时间的延长, 孔隙水压力逐渐消散, 水平最大剪应力有减小的趋势, 并且逐渐趋向稳定, 这种减小趋势和幅度将会减小。

4.4 横梁最大应力

多桩基础之间的横梁是桩基础的重要组成部分, 它能够加强桩基础的整体性, 减小不均匀沉降。如图5所示, 当堆填土距离桩中心较近时, 横梁上的最大应力达到3.3 MPa, 随着堆填土距桩基础的距离增大, 桩身最大剪应力逐渐减小。随着固结时间的延长, 孔隙水压力逐渐消散, 横梁最大应力有减小的趋势, 但最大应力在2 MPa以上, 影响桩基础的安全性。

图4 最大剪应力变化

图5 横梁最大应力变化

5 结论

本文基于比奥固结理论, 结合某沿海围垦工程, 对桩基础在堆填土作用下的地基土固结过程进行了模拟, 研究了堆填土与桩基础间距对桩的影响, 得到以下结论。

(1) 由于淤泥与淤泥质土的渗透系数非常小, 导致土体填筑之后大部分荷载被孔隙水压力所承担,土体颗粒承担的荷载较小, 沉降量也相对较小, 填筑完成时的沉降量基本在12.0 mm左右, 由于超孔压消散很慢, 随着固结时间的增加沉降量增量很小, 桩身处于安全状态。

(2) 土体的水平位移以向桩侧位移为主, 且随着堆填距离的增加, 水平位移逐渐减小。由于固结非常缓慢, 随着固结过程的进行, 水平位移都有轻微的减小。

(3) 桩身最大剪应力主要集中在桩与横梁交接处的桩身部位, 在堆填土荷载的各个工况下, 桩身的最大剪应力均小于1.3 MPa, 远小于桩的抗剪强度, 对桩身影响不大, 设计时不需要加大桩抗剪强度。

(4) 在各种工况乃至固结完成的条件下, 横梁的最大拉应力都超过2.0 MPa, 容易发生拉坏, 因此,桩间的横梁需要加固处理来确保其稳定性。

[1] 胡中雄. 饱和软粘土中单桩承载力随时间的增长[J]. 岩土工程学报, 1985, 7(3): 58–61.

[2] 徐书平, 刘祖德. 比奥固结理论在堆填预压加固工程场地中的应用[J]. 岩土力学, 2003, 24(2): 307–310.

[3] 陈晓平, 白世伟. 软粘土地基粘弹塑性比奥固结的数值分析[J]. 岩土工程学报, 2001, 23(4): 481–484.

[4] 卢瑾, 洪晓珍, 傅文淦. 基于ABAQUS的桩基础优化分析[J]. 工程地质计算机应, 2009(4): 26–31.

[5] 黄昊, 马成. 建筑物荷载对超长单桩基础影响的三维模拟分析[J]. 路基工程, 2014(5): 163-166.

[6] 殷宗泽, 朱泓, 许国华. 土与结构接触面的变形及其数值模拟[J]. 岩土工程学报, 1994, 16(3): 14–22.

[7] 陈昌杰, 陈吉森. 潮汐环境堆填速率对桩土作用性状影响研究[J]. 河南科技, 2015(9): 88–92.

[8] 魏纲, 陈春来. 双圆盾构施工对邻近砌体建筑物影响的数值模拟[J]. 工业建筑, 2012, 42(1): 117–122.

[9] GB50021-2001, 岩土工程勘察规范[S].

[10] 陈一民, 李超, 熊玉梅. 任意多面体的四面体剖分算法[J]. 计算机工程与应用, 2003(30): 69–71.

(责任编校: 江河)

3D simulation analysis of the landfill soil consolidation effect on pile foundation

Liu Xing
(Shenzhen Geotechnical Investigation and Surveying Institute Co Ltd, Shenzhen 518000, China)

Based on Biot’s consolidation theory, and according to the model as well as the existing geological data,the stress and displacement of the pile foundation is simulated under the load of landfill soil in different conditions.The results show that the pile top settlement, horizontal displacement, shear stress and beam stress have corresponding change with the change of the distance between pile foundation and the landfill soil and the consolidation time. With the increase of filling distance and the consolidation time, the settlement of pile top,horizontal displacement, maximum shear stress and beam stress appear to be different enlargement. It is confirmed that the influence of landfill soil on pile foundation is not to be ignored. Landfill soil with a long time will cause damage to the pile foundation.

landfill soil; pile foundation; Biot’s consolidation theory; mucky soil

TU 42

: A

1672–6146(2017)03–0079–04

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.03.017

刘星, 893489869@qq.com。

: 2017–02–18