不同地基处理桩对邻近桩基承载特性及沉降的影响

刘晓岩

(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司,北京 通州 101100)

随着我国经济的快速发展,许多城市陆续开始修建地铁,长三角一带的地质条件较差且地基较软弱,为提高地铁车辆段的地基承载力,在修建车辆段主要桩基前需要进行大量的地基加固处理,包括PHC管桩、高压旋喷桩和水泥搅拌桩[1]。因为一般地铁车辆段的桩基穿越的土层多、工程量大且工后沉降控制标准严,所以研究地基处理桩对邻近桩基(多为钻孔灌注桩)的承载特性、沉降变形以及对周围土体的影响具有重要意义。到目前为止,已有许多学者开展了相关研究:付涛等[2]利用ABAQUS有限元软件分析了高压旋喷桩加固大直径超长钻孔灌注桩的影响,结果表明加固后桩基的竖向承载力和桩侧阻力均有所增大,桩身轴力从桩顶至桩底呈逐渐减小趋势;朱利明等[3]利用ABAQUS分析了高压旋喷桩对高铁桥梁桩基的内力和位移的影响;黄俊谦等[4]利用Midas GTS对高压旋喷桩旋喷长度和数量对邻近桥梁桩基的影响进行了有限元分析,结果表明在堆载下增加旋喷桩的长度,桥梁桩基的水平位移呈现逐渐减小的趋势,最大弯矩呈现先增大后减小的趋势;陈维静等[5]通过研究发现选择合适的水泥搅拌桩加固宽度可以有效降低对邻近桩基的影响,降低基坑开挖的风险;王鹏[6]利用ABAQUS研究发现地铁车辆段软土地基中深层搅拌桩的排数越多,沉降量和位移量越小,且减少量有降低的趋势;汤梅芳等[7]通过实际工程实例分析发现预应力管桩加固软土地基效果较好;章磊等[8]通过监测数据分析了在已有建筑物周边进行PHC管桩施工时挤土的影响范围;杨思谋等[9]通过数值模拟研究发现预制桩沉桩时应尽量保证既有结构在10倍塑性区半径以外的位置;刘金波等[10]分析了预制桩桩间距对桩基础沉降变形的影响,发现挤土桩桩间距不应小于4倍的桩径,增大桩间距可以有效减小挤土效应;陈超群等[11]通过数值模拟发现管桩静压对邻近桩竖向位移的影响要大于水平位移,在设计及施工过程中应严格控制桩间距。

笔者以杭州某地铁车辆段地基工程为依托,结合现场地质勘查报告和设计资料,采用PLAXIS 3D有限元软件建立不同地基处理桩型及被加固钻孔灌注桩的单桩有限元模型,通过理论计算与有限元计算的对比分析,验证数值仿真计算的正确性,随后通过改变加固桩型的排列方式和桩间距,分析PHC管桩和高压旋喷桩对邻近钻孔灌注单桩和群桩基础的加固效果,研究结果对同类地基工程的处理具有参考价值。

1 工程概况与理论计算

以杭州某地铁车辆段为工程背景,由于该工程施工场地地基较软弱,桩基穿越土层多、工程量大且工后沉降控制标准严,为提高地基承载力,需要进行大量地基加固处理,主要地基加固处理桩型包括PHC管桩和高压旋喷桩。根据工程地质条件,该场地土层从上到下分别为素填土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土夹粉土、粉细砂和含砾中粗砂,下覆土层为全风化、强风化及中等风化砂砾岩。

该工程选用的钻孔灌注桩桩长L=48 m,桩径D=1 m,桩间距S=3 m,桩端进入中等风化砂砾岩持力层深度H=1 m,对应土层侧阻力特征值参数Qsik为10～165 kPa,对应持力层端阻力特征值参数Qpk=6 000 kPa,依托工程设计参数计算得钻孔灌注桩的单桩极限承载力Quk=12 190.73 kN,承载力特征值Ra=6 095.4 kN。选用的PHC管桩桩长L=30 m,桩径d=0.4 m,桩间距S=1.6 m,桩端进入粉细砂持力层深度H=1 m,对应土层侧阻力特征值参数Qsik为10～55 kPa,对应持力层端阻力特征值参数Qpk=3 600 kPa,计算得PHC管桩的单桩极限承载力Quk=1 797.8 kN,承载力特征值Ra=898.9 kN。选用的高压旋喷桩桩长L=24 m,桩径d=0.5 m,桩间距S=1.5 m,复合地基面积置换率m=10.1%,计算得高压旋喷桩的单桩极限承载力Quk=490.8 kN,复合地基承载力fspk=164 kPa。

2 有限元建模及结果分析

首先,采用PLAXIS 3D有限元软件建立钻孔灌注桩和地基处理桩的单桩模型,通过力—桩顶沉降曲线(P—s曲线)分别获得上述桩型的极限承载力,并与理论计算值作对比,验证有限元模型的正确性;然后,建立考虑地基处理桩加固的灌注桩单桩模型和群桩模型,以分析不同地基处理桩的加固效果。在有限元模型中,土体采用实体单元离散,本构模型采用小应变土体硬化模型(HS-Small模型),钻孔灌注桩、PHC管桩以及高压旋喷桩均采用Embedded桩单元模拟,该单元类型自带桩土界面功能,可设置极限侧阻力和极限端阻力,适用于桩土相互作用模拟,承台采用板单元模拟,材料考虑为线弹性。模型四侧面水平约束设为水平方向固定、竖直方向自由,模型底面的三向自由度均固定。

其中HS-Small本构模型参数参考文献[12]:γ0.7=2-4,νur=0.2,pref=100 kPa,Rf=0.9,其他参数如表1所示。

表1 土层HS-Small模型参数Table 1 Parameters of HS-Small model of soil layers

根据地铁车辆段设计资料,桩与承台的模型参数如表2所示。

表2 桩与承台参数Table 2 Parameters of piles and cap

2.1 单桩承载力有限元分析

笔者建立钻孔灌注桩和地基处理桩(PHC管桩和高压旋喷桩)的单桩模型,通过力—桩顶沉降曲线(P—s曲线)获得上述桩型的极限承载力,并与理论计算值作对比,验证有限元模型的正确性。3种桩型工况较为相似,在桩长和桩径上有所不同,3种桩型有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型Fig.1 Finite element model

土体竖向位移断面图如图2所示,钻孔灌注桩沉降压缩量与桩顶荷载关系曲线如图3所示,钻孔灌注桩在极限承载力作用下周围土体最大竖向位移s=22.08 mm。由图3可知:钻孔灌注桩(D=1 m)随着桩顶荷载的增加,桩顶沉降量呈非线性增长,当桩顶荷载不断增加并达到一定值时,土体发生坍塌,单桩有限元模型发生破坏,该破坏值的前一阶段加载值即为其单桩极限承载力,由有限元分析得到其单桩极限承载力Quk=12 600 kN。此外,在桩顶荷载较小的情况下,桩端沉降量很小,桩身压缩量较大,当荷载增大到极限承载力的60%左右后,桩端沉降量增加比较快,桩身压缩量总体呈线性增加,表明桩顶沉降量开始主要由桩身的压缩变形组成,而当桩顶荷载达到一定值后,桩顶沉降量由桩身压缩量和桩端沉降量两部分组成。

图2 钻孔灌注桩周围土体位移Fig.2 The settlement of soils around the bored cast-in-place pile

图3 钻孔灌注桩沉降压缩量与桩顶荷载关系曲线Fig.3 The settlement and compression of the bored cast-in-place pile versus the pile top load

PHC管桩(d=0.4 m)和高压旋喷桩(d=0.5 m)荷载与沉降量关系如表3所示。由表3可知:在极限承载力作用下周围土体最大竖向位移分别为11.090,20.020 mm。土体竖向位移断面图如图4,5所示。不同地基处理桩型沉降与桩顶荷载关系曲线如图6所示。由图6可知:两种桩型的P—s曲线变化规律与钻孔灌注桩类似,同样根据有限元分析确定PHC管桩单桩极限承载力Quk=1 800 kN,高压旋喷桩单桩极限承载力Quk=450 kN。

表3 两种桩型荷载与沉降关系Table 3 Relationship between the load and settlement of two types of piles

图4 PHC管桩周围土体位移Fig.4 The settlement of soils around the pre-stressed high-strength concrete pipe pile

图5 高压旋喷桩周围土体位移Fig.5 The settlement of soils around the high-pressure jet grouting pile

图6 不同地基处理桩型沉降与桩顶荷载关系曲线Fig.6 The settlement of different ground treatment pile types versus the pile top load

3种桩型的极限承载力对比如表4所示,单桩极限承载力理论计算值与有限元计算值的误差较小,验证了有限元模型的正确性。

表4 3种承载力对比Table 4 Comparison of ultimate bearing capacity of three types of piles

2.2 地基处理与邻近桩基有限元分析

2.2.1 单桩基础

为分析地基处理桩对邻近灌注单桩承载力和沉降变形的影响,首先给出了灌注单桩在未加固状态下桩端阻力与桩顶荷载的关系曲线,结果如图7所示;然后建立了地基处理桩加固邻近灌注单桩有限元模型,不同工况下PHC管桩与高压旋喷桩的桩长和桩间距有所不同,结果如图8所示。由图7可知:在桩顶荷载较小的情况下,桩端阻力比较小,当荷载达到极限承载力的60%左右后,桩端阻力明显增大,这与图3桩端沉降量的规律一致,因此单桩的荷载传递方式是先通过桩身的侧阻力来承担桩顶荷载,然后桩端阻力发挥作用且发挥作用的速度较快。

图7 钻孔灌注桩桩端阻力与桩顶荷载关系曲线Fig.7 The pile end resistance of the bored cast-in-place pile versus the pile top load

图8 地基处理桩加固邻近单桩模型(工况3)Fig.8 The model of ground treatment piles used for strengthening the adjacent single pile (case 3)

PHC管桩和高压旋喷桩地基处理下几种典型工况的分析结果如表5所示。表5中:为钻孔灌注桩,直径为D;为PHC管桩或高压旋喷桩,直径为d。对比表5中不同工况可知:在灌注单桩附近对称布置8根PHC管桩(工况3),承载力可提升13.1%,若进一步增大加固范围(工况4，5),承载力增幅有限,因此采用PHC管桩加固灌注单桩,其加固措施使用在距灌注单桩中心约2.30D的范围内效果最佳。在灌注单桩附近对称布置8根高压旋喷桩(工况3),即加固措施使用在距灌注单桩中心约2.10D的范围内加固效果最优(承载力提升达12.4%)。

表5 地基处理桩型排列方式对邻近灌注单桩基础影响表Table 5 Influence of arrangement of ground treatment piles on adjacent bored cast-in-place pile

为研究地基处理桩间距对邻近灌注桩的加固效果,笔者还通过有限元模型分析了不同地基处理桩间距下灌注单桩承载力的变化规律,结果如图9所示。由图9可知:当PHC管桩桩间距约为4.5d时,灌注单桩极限承载力提高13.3%,若进一步减小桩间距,其极限承载力反而有所下降,若增大桩间距,则其呈非线性下降趋势,且在大于8.75d后,加固效果不再明显,因此可以看出PHC管桩最优加固桩间距为4.5d。高压旋喷桩最优加固桩间距为3.2d,相应的灌注单桩极限承载力提高12.7%。

图9 灌注单桩极限承载力与地基处理桩型桩间距关系曲线Fig.9 The ultimate bearing capacity of bored cast-in-place pile versus the spacing of ground treatment piles

对钻孔灌注单桩周围进行不同地基处理,在相同桩顶荷载P=12 600 kN作用下的计算结果如图10,11所示。由图10可知:当加固桩数小于8 根时,PHC管桩和高压旋喷桩均引起灌注单桩桩侧阻力的显著上升,相反对应的桩端阻力下降,总的承载力显著提升(表5),因此不同地基处理桩型主要是提高了邻近灌注单桩的桩侧阻力。当加固桩数大于8根时,对灌注单桩的桩端及桩侧阻力影响较小,因此进一步增加地基加固桩的根数(或范围),加固效果不再明显。由图11可知:灌注单桩在相同桩顶荷载下,随着周围加固桩根数的增加,桩端沉降量、桩顶沉降量和桩身压缩量总体均呈下降趋势,当加固桩根数大于8根时,影响很小,这与表5的单桩极限承载力的变化规律一致。桩端阻力和桩侧阻力的发挥均源于桩土变形,灌注单桩的桩端沉降量变化较小,地基处理桩的加固原理主要在于影响邻近灌注单桩的桩身压缩量,从而改变桩身侧阻分布。观察图11还可以发现:当灌注单桩周围布置2根PHC管桩或高压旋喷桩时,对比未加固工况,土体最大竖向位移分别减小了11.7%和11.3%,当周围布置14根PHC管桩或高压旋喷桩时,土体最大竖向位移分别减小了18.0%和15.1%,加固效果显著,且高压旋喷桩的加固效果相对PHC管桩稍差。

图10 相同荷载下钻孔灌注桩桩端和桩侧阻力与地基处理桩根数关系曲线Fig.10 The pile end resistance, and side friction versus the number of ground treatment piles under the same load

图11 相同荷载下灌注桩沉降变形与地基处理桩根数关系曲线Fig.11 The settlementdeformation of bored cast-in-place pile versus the number of ground treatment piles under the same load

2.2.2 四桩基础

为分析地基处理桩对群桩基础承载力和沉降变形的影响,笔者建立了地基处理桩加固四桩承台基础的有限元模型,结果如图12所示。由图12可知:不同工况下PHC管桩与高压旋喷桩的桩长和桩间距有所不同。其中四桩承台长l=5 m,宽b=5 m,高h=2.6 m。PHC管桩和高压旋喷桩加固下几种典型工况的承载力计算结果如表6所示。表6中：为钻孔灌注桩;为PHC管桩或高压旋喷桩;□为承台。由表6可知:随着四桩基础每条边上加固桩数的增加,四桩基础极限承载力总体呈上升趋势,在每条边对称布置3根PHC管桩或4根高压旋喷桩时,四桩基础极限承载力达到一个较大值,相比未加固工况分别提高9.1%和5.8%,若进一步增加桩数,影响很小。

图12 地基处理桩加固邻近群桩基础模型(工况5)Fig.12 The model of ground treatment piles used for strengthening the adjacent group pile foundation (case 5)

表6 地基处理桩型排列方式对邻近四桩基础影响表Table 6 Influence of arrangement of groundtreatmentpiles on adjacent four pile foundation

基于表6中工况3的加固桩型排列方式如图13所示。通过对比分析PHC管桩和高压旋喷桩与四桩基础侧边桩间距的数值分析计算结果可知:使用PHC管桩时,侧边桩间距为4d,四桩基础极限承载力提高最多,相应提高4.5%,若进一步减小间距,其极限承载力反而有所下降,若增大间距,则其呈非线性下降趋势,且在大于11.25d后,加固效果可忽略不计;使用高压旋喷桩时,随着侧边桩间距增大,四桩基础极限承载力呈单调的非线性减小趋势,且在大于6d后,加固效果不再明显。

图13 四桩基础极限承载力与侧边桩间距关系曲线Fig.13 The ultimate bearing capacity of four pile foundation versus the spacing of side piles

取接近于四桩基础极限承载力的竖向荷载P=58 000 kN进行相同荷载下四桩基础的沉降变形分析,结果如图14所示。由图14可知:加固桩数越多,四桩基础承台顶和基桩的沉降压缩量相应越小,对四桩基础周围土体的加固效果越好,土体竖向位移及地表沉降越小,当周围布置4根PHC管桩或高压旋喷桩时,土体最大竖向位移分别减小了8.2%和4.2%,当周围布置12根PHC管桩或高压旋喷桩时,土体最大竖向位移分别减小了14.3%和8.4%,在加固桩数大于12根后,四桩基础及周围土体的沉降变形量将趋于稳定,对比两者差异可知,高压旋喷桩的加固效果相对PHC管桩要差。

图14 相同荷载下四桩基础沉降变形与地基处理桩数关系曲线Fig.14 The settlement deformation of four pile foundation versus the number of ground treatment piles under the same load

3 结 论

以杭州某地铁车辆段为案例,采用PLAXIS 3D有限元软件分析了不同地基处理加固桩型的排列方式、桩间距等对邻近钻孔灌注单桩及典型四桩承台基础的承载特性和沉降变形规律的影响,得到以下结论:1) 钻孔灌注桩、PHC管桩和高压旋喷桩的单桩极限承载力理论计算值和有限元分析值较为接近,验证了有限元分析的正确性;2) 在相同竖向荷载下,随着钻孔灌注单桩周围加固桩数的增加,单桩基础沉降、压缩量均呈下降趋势且趋于稳定,其中主要影响桩身压缩量,桩端沉降量变化较小,不同的地基处理桩主要提高了灌注桩的桩侧阻力,对端阻力影响较小;3) 在钻孔灌注单桩周围对称布置地基处理桩时效果最好,当PHC管桩加固范围约为2.3倍的钻孔灌注单桩直径时最优,桩间距建议取4.5倍的PHC管桩直径,当高压旋喷桩加固范围约为2.1倍的钻孔灌注单桩直径时最优,桩间距建议取3.2倍的高压旋喷桩直径;4) 在四桩基础周围对称布置地基处理桩时效果最好,每边布置3根PHC管桩为最优,侧边桩间距建议取4倍的PHC管桩直径,每边布置4根高压旋喷桩为最优,且侧边桩间距增大,对应极限承载力呈非线性减小趋势。