潮汐区CFG桩施工成桩影响分析

时贞祥，张玮，李文祯，刘子超，陈焕，曹晨阳

（中国电建市政建设集团有限公司，天津 300384）

1 引言

CFG 桩，即水泥粉煤灰碎石桩，通过各种材料按比例机械混合制成的具有可变强度的基础形式[1]，在土木建筑行业有广泛的应用[2-3]，尤其适用于对地基的土质改善，满足地基承载的要求[4]。在沿海城市，土木工程建设过程中不可避免会遇到海相淤泥质黏土地层，淤泥质地层不仅承载性能弱，还易随土体间渗流流动[5]。CFG 桩施工过程中会受到淤泥侵入、桩与桩之间的相互挤压等因素影响，施工质量难以有效控制，无法达到预期目标[6-8]。其中，潮汐作用带来的孔压变化将加剧淤泥质土层对CFG 桩体质量的影响[9]，同时，CFG 桩施工过程也改变淤泥层排水情况，地基在潮汐作用下不均匀固结沉降[10]。

赵秀绍[11]等以实际工程为例，对CFG 桩施工时的孔隙水压力进行监测，并对施工过程的孔隙水压力变化进行了划分。Juan 等[12]对加州桥梁改造时，监测基础在泥浆等软土地层中施工变形情况。Hwang[13]等对在台湾地区淤泥质软土中进行桩基施工的过程进行监测，确定桩驱动阻力与软土地层之间的相关性。唐世栋等[14]通过对挤土桩施工过程中实测资料的分析和理论研究，分析了饱和软土中群桩范围内超孔隙水压力的产生条件。吉同元等[15]通过工程现场CFG 桩施工所观测的桩周超静孔压数据的分析和整理，系统研究了单桩施工产生的超静孔压的发生发展过程，分析了超静孔压在桩周径向及深度上的分布，探讨了超静孔压的消散规律。在渗流下CFG桩施工养护研究较为充分，但是对潮汐作用下变化渗流的研究还有所不足，本文针对在潮汐区高低水位差对CFG 桩成桩的影响，采用ABAQUS 有限元软件模拟在固定水位差与潮汐水位情况下CFG 桩的养护情况，研究CFG 桩在施工后与养护期间的各参数变化情况与机理。

2 数值分析方法

2.1 数值模型建立

本研究依托现有工程福鼎市滨海大道项目，对潮汐作用下CFG 桩成桩养护情况进行分析。潮汐区CFG 桩施工路段位于内海与外海交界海域处，海域潮流属正规半日潮，落潮速度大于涨潮速度。历年最高潮水位为4.25 m，最低潮水位为-3.42 m，历年平均高潮位3.86 m，平均低潮位为-1.61m，历年平均潮差为4.17 m，平均海平面0.53 m。随着潮汐水位的变化，内海与外海之间的水位差呈周期波动变化，CFG 桩在施工完成后，地基周边随着时间的变化内部渗流方向与流量出现明显不同。根据实际情况将CFG 桩与周边地基进行简化，建立CFG 桩与周围的地基土体模型，其中地基长、宽10 m，深15 m，CFG 桩直径0.6 m，埋深10 m。CFG 桩划分为1 440 个单元，土体划分为59 376 个单元。

2.2 模型力学参数

通过对现场土样进行室内试验，得到土体基本力学参数，采用修正Drucker-Prager 帽盖模型进行模拟，其中，弹性模量Es=100 MPa，干密度ρd=1 800 kg/m3，黏聚力c=80 kPa，屈服面倾角β=30°，帽盖离心率0.1，流动应力比M=1，渗透系数k=2.5×10-10m/s，初始孔隙比e0=2，采用C3D20R 孔隙流体/ 应力单元类型。桩体采用弹性模型，弹性模量Ep=15 GPa，密度ρ=2 500 kg/m3，采用C3D20R 三维应力单元类型，桩土之间的摩擦系数μ=0.7。

CFG 桩施工过程中将对周边土体进行挤压，甚至导致土体出现结构性破坏，土体周边将产生超孔隙水压力，通过对CFG 桩周边土体赋予超孔隙水压力模拟CFG 桩施工过程中对土体的影响，并研究随潮汐变化CFG 桩的养护情况[16]。

式中，a 为影响半径的倍数；cu为土的不排水抗剪强度；在8 m以外的孔压变化较小，故摩擦角φ 和黏聚力c 受损，即残余内摩擦角φr以及残余黏聚力cr，引入软化系数γ，其中φr=（1-γ）φ，cr=（1-γ）c；r′为土的有效重度；r0为桩半径；为塑性区半径，E 为土的弹性模量，μ 为土的泊松比；z 为埋深；∂f=0.707（3Af-1）为Henkel 孔隙水压力参数；Af为Skempton 孔隙水压力参数，取0.85；为计算点到桩中心的距离。其中Mohr-Coulomb 模型与Drucker-Prager 模型的转换关系为：

式中，β 为屈服面倾角；φ 为摩擦角；ε 为三轴拉伸强度与三轴压缩强度之比；σ0c为初始单轴抗压强度；c 为Mohr-Coulomb模型的黏聚力。

3 结果分析

3.1 CFG桩施工对地基影响分析

以排水边界为界限分析孔压分布情况，在潮汐高低水位差情况下，CFG 桩施工完成后，桩周边孔隙压力增幅较大，随着潮水远离桩身，孔压增幅变化逐渐降低，呈“斜向伞状”分布，同时地基两侧具有明显的水位差，孔压分布呈内海低外海高趋势。在CFG 桩顶部，孔隙压力增幅相对于底部较小，表明CFG 桩在沉管灌注时对底部土体挤压作用较大，而上部影响较小，在CFG 桩底部呈现一个较大的局部范围极大值，随着CFG 桩埋深的增加，孔压增幅也逐渐降低，埋深15 m 处CFG桩施工引起的孔压变化可忽略不计。

3.2 CFG桩养护情况分析

如图1 所示，通过ABAQUS 有限元软件对CFG 桩周围土体进行渗流排水模拟，分析土体有效应力恢复情况。通过固定水位差与周期性潮汐水位来对比分析CFG 桩养护情况。在埋深3.3 m 处CFG 桩周边土压力随时间逐渐恢复，在养护前期有效应力恢复速度较快，到达第7 d 后恢复速度降低，表明CFG 桩施工对周边土体的影响具有可恢复性，在短时间内恢复效果是明显的。对比固定水位下恢复情况，潮汐变化水位对土体消散超孔隙水压力能力有明显的帮助，更接近桩内侧向压力，能够有效防止CFG 桩向外挤压扩散。同时，潮汐水位带来周期性变化水位差的复杂渗流变化让土体排水效果提升，CFG桩外部侧向土压力差由固定水位情况下3.4 kPa 降为2.5 kPa，有效改善了CFG 桩在高低水位差下的水平受力不均问题。

图1 埋深3.3 m处侧向压力环向图

选择埋深5 m 处分析可知CFG 桩中部在潮汐水位下具有较强排水作用，如图2 所示，在固定水位差下，土体渗流方向由外海向内海传递，而潮汐水位因外海周期性变化导致水位差出现波动，甚至出现内海水位高于外海水位的情况，在外海一侧的地基土体承受周期变化的水压力，排水路径的变化直接影响远离CFG 桩处，最远端孔压消散迅速，且随周期水位最低处时孔压变化出现明显凹陷。在远处孔压变化的影响下，土体渗流方向由外海至内海转移为CFG 桩双向排水，从而加强桩周边的排水效果。

图2 埋深5 m处孔压变化图

4 结论

针对潮汐区高低水位差对CFG 桩成桩的影响，采用ABAQUS 有限元软件模拟在固定水位差与潮汐水位情况下CFG 桩养护情况，研究了CFG 桩在施工后与养护期间的各参数变化情况与机理，主要研究结果如下。

1）CFG 桩在具有水位差的情况下沉管灌注后将出现“斜向伞状”，同时桩身下部更加明显。随着埋深增加，桩身底端孔压增幅会从区域最大逐渐降低。CFG 桩与周边土体侧向应力在埋深1/4 处相等，土体土压力呈现斜向分布，影响CFG 桩的养护情况。

2）CFG 桩在埋深较浅处潮汐变化水位能够有效提高超孔隙水压力消散速度，同时改善CFG 桩在高低水位差下的水平受力不均问题。而在桩身底部主要靠超量灌注桩体设计量保证CFG 桩后期养护效果。

3）在周期性潮汐作用下，土体中渗流方向从外海至内海转为CFG 桩向内海与外海双向排水，有效提高了CFG 桩中部排水效果，且短期排水效果明显。