深厚软土上新建大堤对高桩承台结构的影响分析

刘术俭，唐慧燕，顾宽海，张逸帆

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

引 言

高桩承台结构是由承台、桩基组合而成，且承台底面高于地面的一种结构型式。在深厚软土地基工程中，往往因地基土工程性质差，堆载使土体发生较大的侧向位移，从而对邻近构筑物的桩基产生较大影响，主要包括两方面：一方面在桩上发生负摩擦阻力，这增加了桩的竖向荷载并导致不均匀的沉降；另一方面，造成桩基产生较大的位移和弯矩，使上部结构功能失效甚至塌陷[1-3]。

对于这类问题，大多采用数值计算方法来进行评估计算，并己取得了不少研究成果，谢家毕[4]等人运用有限元法计算了桩基在大面积堆载情况下的地基沉降及桩身的变形情况，得出在软土地区堆载会致使地基下沉及桩身变形，引起建筑物倾斜的结论；陈星星[5]运用Geostudio软件进行分析，认为大面积堆载作用下致使桩身变形，作用在临近桩基上的水平荷载增大，对临近桩基安全有着重要影响；王剑文[2]认为桩侧软基沉降的大小对桩基位移有直接影响，桩身弯矩与堆载大小、桩长等因素关系较大。但是目前学者的研究主要集中在既有地基上水平荷载及上部堆载对桩基变形的影响，有关新建大堤前构筑物在土体不同固结度工况下的变形和内力变化情况以及不同本构模型、弹性模量、桩基斜度等对结构变形、内力的影响研究还较少。因此，其进一步的深入研究，对确保结构的使用安全具有十分重要的意义。

本文以澳门某堆填区项目为依托，基于深厚软土层，以新建大堤根部高桩承台结构为对象，运用三维有限元软件PLAXIS 3D分析新建大堤及后方堆载对高桩承台结构变形及内力的影响，并在此基础上，研究不同土体本构模型、弹性模量及桩基斜度对结构的影响，其结果可为今后类似工程设计提供参考。

1 工程概况与场地条件

澳门某堆填区邻近澳门国际机场，每年接收超过250万m3海泥，海泥属于可利用资源，可考虑为未来周边工程进行陆域回填。海泥抛填坑宽约120 m，长约280 m，一长边紧邻后方废料堆载区，其它三面是新建围堤，围堤总长640 m。为配合海泥的再利用，围堤外拟建装船机墩台3座，采用高桩承台结构，承台下设置6根钢管桩，堤侧桩基斜度为5：1，海测桩基斜度为4：1。坑内海泥堆高约6.1 m，使用期由带式输送装船机系统进行装卸、运出至驳船。

工程设计高水位为1.22 m，设计低水位为-1.08 m（以当地理论最低潮面为基准，下同），施工水位为0.07 m。拟建场地土层自上而下主要分布为Ⅰ2杂色素填土、Ⅱ1灰色淤泥、Ⅲ1-1灰黄～灰白色粉质黏土、Ⅲ2灰白～灰黄色中粗砂，根据工程地质报告，土体物理力学参数取值及其他主要材料参数取值如表1所示。

图1 海泥抛填坑平面

图2 海泥坑及后方堆载典型断面

表1 地基土体及其他材料物理力学参数

2 计算模型的建立

2.1 模型边界条件

为考虑海泥坑抛填及后方大面积堆载对新建大堤根部高桩承台结构的影响，计算模型范围取600 m×80 m，底高程取-50 m。四周边界水平向为位移限值边界，竖向为自由移动边界，底部为全约束边界。

2.2 结构参数选取

土体采用正常固结的HS模型，该模型可以考虑剪切硬化和压缩硬化，并采用摩尔库伦破坏准则。当采用HS模型时，需要土体的割线模量E50、切线模量Eoed和卸载模量Eur以及土体的有效应力强度指标。但在实际工程中，地质勘查报告往往只提供压缩模量Es、快剪指标以及固结快剪指标。根据经验方法[6]，按照土体的种类，通过压缩模量Es换算得到土体刚度参数。

当软土和淤泥压缩模量Es=2～4 MP时，Es：Eoed：E50：Eur=1：1：1.5：8；

当粘土和粉质粘土压缩模量Es=4～8 MP时，Es：Eoed：E50：Eur=1：1：1：3；

当砂土压缩模量Es＞8 MP时，Es：Eoed：E50：Eur=1：1：1：3。

土体固结快剪指标值通常小于土体的有效应力强度指标值，采用固结快剪指标值代替有效应力强度指标值计算结果偏于保守，认为是合适的。为使模型更容易计算，中粗砂、抛石材料的有效粘聚力为1 kPa[7]，具体参数取值详见表1。

承台采用板单元进行模拟，桩基采用嵌入式梁单元模拟，具体参数可见表2、3。

表2 板单元参数

表3 梁单元参数

2.3 工况模拟

根据土体固结度不同，将计算模型分为三种工况，每种工况均将施工过程划分为若干荷载步进行模拟，三维模型示意如图3。具体工况如下：

1）大堤完全未固结时打桩，计算流程为：

生成初始应力→碎石桩加固地基→建立高桩承台结构→分三层激活新建大堤→淤泥抛填→后方废料回填。

2）大堤固结度为80%时打桩，计算流程为：

生成初始应力→碎石桩加固地基→激活两层新建大堤→建立高桩承台结构→激活新建大堤第三层→淤泥抛填→后方废料回填。

3）大堤完全固结时打桩，计算流程为：

生成初始应力→碎石桩加固地基→分三层激活新建大堤→建立高桩承台结构→淤泥抛填→后方废料回填。

图3 三维模型示意

3 计算结果

3.1 模型验证

在本工程后方有一条已建的北大堤，其断面型式、后方使用要求、地质条件等与本工程相似。北大堤堤身长期变形监测成果显示，大堤前方堤脚处的水平位移为0.3 m。运用本模型模拟北大堤及后方堆载情况，计算结果为0.28 m，与实测结果较为接近，证明本模型是合理的。

3.2 桩基结果分析

本次研究的高桩承台结构下设6根钢管桩，针对主体结构不变而土体固结度发生变化条件下，拟提取堤侧中间部位桩进行针对性研究，不同工况下桩基变形和内力的分布结果如图4、图5所示。

图4 不同工况下桩基水平位移

图5 不同工况下桩基弯矩分布

可见，单桩最大弯矩和位移发生在灰色淤泥层中，且随着土体固结度的提高，桩基最大水平位移及变形程度逐渐减小，最大弯矩及变化程度也逐渐减小。

在土体完全未固结状态下打桩，桩顶位移即承台位移超过30 mm，不满足工程使用要求，且桩基变形及桩身弯矩过大，桩身结构易破坏。土体固结一段时间后打桩，承台水平位移急剧减小，结构趋于安全，当土体固结度达80%时打桩，承台变形位移能满足工程使用要求，桩基结构较为安全可靠。

4 影响因素分析

软弱地基沉降的大小对桩基变形有直接影响，桩身弯矩与堆载大小、位置、桩长、弹性模量、净空高度、软土层厚度和桩顶荷载等因素都密切相关。本节重点研究固结度达80%时，堤侧中间部位桩的变形和内力变化，分析本构模型、弹性模量及桩基斜度对结构变形和内力的影响。由于承台与桩基固接，认为桩顶位移即承台位移。

4.1 本构模型的影响

土体本构模型选取摩尔库伦（MC）模型，主要材料物理力学参数参照上述HS模型，其他条件不变，两种本构模型的结果对比如表4所示。由表可知，相比于HS模型，MC模型中土体及桩基的位移变形大幅减小。这是由于MC模型不能很好地处理土体卸载特性引起的，很大程度上不能模拟现实土体的变形情况。同时，MC模型中桩基变形和内力的结果也明显偏小，结构偏于危险。因此，设计选用HS模型更为合理。

表4 不同本构模型计算结果

4.2 弹性模量的影响

在主体结构及土体其他参数不变的条件下，改变土体弹性模量计算桩基变形及内力，结果如图6、7所示。由图可知，桩基最大水平位移随着土体弹性模量的增大而减小，相对而言，桩顶位移变化不大；桩基最大弯矩随着土体弹性模量的增大而减小。弹性模量对桩基的水平位移及弯矩影响较大，而对承台水平位移影响相对较小。

图6 不同弹模下桩基水平位移

图7 不同弹模下桩基弯矩分布

4.3 桩基斜度的影响

在土体参数及其他条件不变的情况下，仅改变主体结构的桩基斜度，计算桩基的变形及内力结果如图8、9所示。由图可知，在深厚软土地基上，桩基斜率对承台水平位移影响较大。当采用直桩时，桩顶位移过大，易导致上部结构失稳破坏，不能满足结构使用要求。因此，为保证上部结构的安全可靠，在桩身刚度足够大的情况下，须多方案分析验算，方可最终确定经济、合理的设计斜度。

图8 不同斜度下桩基水平位移

图9 不同斜度下桩基弯矩分布

5 结 语

1）深层软土地基上新建大堤，土体完全未固结或固结度较低时，在堤根部打桩施工结构难以满足结构安全和使用要求，若要满足其相关要求，需待大堤建好后过一段时间再进行施工打桩，以确保结构安全可靠。

2）相比于MC模型，HS模型能更大程度上模拟现实土体的变形情况，结果更为安全可靠；土体弹性模量对桩基的最大水平位移及弯矩影响较大，对承台水平位移影响相对较小。

3）在深厚软土地基上新建大堤，其根部打设高桩承台结构，桩基斜度对承台水平位移影响较大，直桩难以满足结构使用要求。为保证上部结构的安全可靠，在桩身刚度足够大的情况下，宜采用斜桩。