基于PHC管桩复合地基处理桥头软基数值模拟分析

张定权

[上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海市 200092]

0 引 言

我国的地质条件错综复杂,分布有大量工程性质较差的软土,当软土以建筑环境或地基夹层存在时,会对工程建设造成安全隐患。软土的工程性质较差,具有承载力低、受荷后变形大、欠固结等特征,通常不被作为天然地基[1],地基土固结和蠕变的耦合效应导致了软土变形,当土体具有良好的排水条件和较大固结压力时,土体的蠕变效应可以被固结效应弱化,总变形可在固结过程中完成,降低加荷速率能减小土体变形的时效性和提高土体稳定性[2],在工程建设前期,必须考虑软土的变形特性[3]。桥头构筑物中,台背与桥台路面是两个差异性较大的结构体系,由于台背与桥台路面较大的刚度差异,行车荷载使得基层、垫层的压实度快速增大,路面结构压缩明显,而桥台的固结沉降稳定,二者的沉降差易造成桥头跳车的危害。[4]

国外对过渡段的桥头病害进行了研究,提出了控制沉降差、缓解路桥刚柔突变等措施[5],国内学者认为路桥过渡段设计应保证路基具有足够大的刚度同时适当降低路面刚度,路基反应模量应大于20 MPa/m[6],或可通过回填膨胀性混合土来修复路桥过渡段病害[7]。目前,常见的软土地基处治方式主要有强夯法、抛石挤淤、堆载预压、排水固结法、复合地基法等,其中管桩复合地基因具有施工速度快、承载力高等优势被广泛应用于软土地区。[8]PHC管桩承载能力高,竖向荷载较小时,桩身侧摩阻力承担了桩顶荷载,当超过侧摩阻力所能提供的极限值时,桩身会被刺穿,通过对软土地基进行预加固处理,可以有效提高桩基的竖向承载力。[9]地基土的固结状态也会影响桩基动刚度的变化,固结围压较大、固结度较高时,小振幅的循环荷载能够使得桩周土体硬化,动刚度增加,桩土系统抗弱化能力提高。[10]为了保证桥头构筑物的稳定,减轻桥头病害影响,本文通过有限元数值模拟分析了复合地基沉降变形特性,为软基的处理提供了依据。

1 工程概况

西洞庭湖区高速公路项目所在地带为洞庭湖平原地貌,地形起伏小,相对高差为2～5 m,地面高程一般为27.9～32.3 m,软土分布广泛 主要土层中,粉质黏土、粉砂、泥质粉砂岩(中风化)的fa0值分别为180 kPa、110 kPa、400 kPa。

本文依托西洞庭湖区高速公路工程,项目沿线土质分布主要为软土、致密粉砂、泥质粉砂岩(中风化),其中,中风化泥质粉砂岩力学性质较好,承载能力较高,作为端承桩的基础持力层。软土工程性质较差,在震动作用下,易产生侧移、不均匀沉降等病害,会对路基及构筑物安全性产生较大的影响,因此对软土地基的处理是尤为重要的。

2 有限元模型建立

2.1 模型参数

ABAQUS有限元软件中包含孔压单元,能较好分析土的应力耦合、渗流问题,同时考虑土的侧向变形。目前,在有限元软件中利用实体群桩单元实现含结构物的软基高速沉降与固结特性分析较为困难,需对复合地基参数取值进行简化,通过侧限压缩和三轴压缩试验数值模拟得到PHC管桩复合地基等效修正剑桥参数。本文将台后50 m划分为桥头加密区与桥头过渡区。所用PHC管桩的桩长、桩间距和桩径分别为20 m、2.2 m、0.3 m和20 m、2.4 m、0.3 m。通过侧限压缩和三轴压缩数值模拟试验简化得到PHC管桩复合地基等效修正剑桥参数,考虑到文章篇幅,试验过程不做具体赘述。模型所用其他材料参数:①垫层,E=5×104kPa,μ=0.25;②搭板,E=3×107kPa,μ=0.3;③台后回填土,E=1.75×104kPa,μ=0.3,c=28.6 kPa,φ=31.5;④路基填土,E=1.18×104kPa,μ=0.3,c=26.2 kPa,φ=26.3。

2.2 软土地基沉降计算理论

软土地基沉降计算,包括沉降量计算和固结理论。沉降量按变形分为初始沉降、固结沉降和次固结沉降。初始沉降是由于土骨架畸变和土瞬时压缩产生;固结沉降是土体在荷载作用下孔隙水被挤出而产生渗透固结的效果;次固结沉降是地基孔隙水基本停止挤出后,土颗粒和结合水之间剩余应力调整而引起的沉降。

太沙基固结理论只在一维情况下是精确的,对二维、三维问题并不精确。比奥(Biot)1840年从连续介质的基本方程出发,从较严格的固结机理出发推导了准确反映孔隙压力消散与土骨架变形相互关系的三维固结方程,一般称为真三维固结理论。比奥固结理论直接从弹性理论出发,满足土体的平衡条件、弹性应力-应变关系的变形协调条件,此外还考虑了水流连续条件。比奥固结理论是描述沉降与时间关系的理论,包括了太沙基固结理论和Biot固结理论,Biot固结理论全面地考虑了水的渗流和土的变形二者耦合问题,是较完善的多维固结理论。

本文有限元模型的建立主要依据比奥固结理论、软土地基沉降计算理论,采用有限元法计算固结沉降,计算公式如下:

S(t)=Sd(t)+Sc(t)+Ss(t)

(1)

式中:S(t)为路基在t时刻的总沉降量;Sd(t)为路基在t时刻的初始沉降量;Sc(t)为路基在t时刻的固结沉降量;Ss(t)为路基在t时刻的次固结沉降量。

2.3 模型建立

依托实际工程,建立路桥过渡段三维模型,台后采用倒梯形结构形式,台后软土地基分桥头过渡段和桥头加密段进行处理。模型中土体划分为路基、垫层、PHC管桩复合地基、粉砂层、泥质粉砂岩。换填区底面宽3 m,顶部宽15 m,台身总高度为6.7 m,承台高度为1.5 m,桥桩长取50 m,路面层厚度为0.7 m,路基换填高度取6 m。

本文模拟现场分层填筑过程,考虑到模型复杂程度,分3层进行填筑,每层土填完后,预留足够时间固结,为了更贴合实际,本文预压时间取6个月。在模型中,将地基底部施加全约束,其余部分施加水平约束,顶部为自由面,只考虑上部填土引起的应力位移变化,假定地基顶部排水,底部与两侧均不排水。

2.4 初始应力状态分析

桥台结构物在自重条件下会出现沉降现象,此时的状态不是平衡状态,利用有限元进行模拟之前,需要先进行初始应力状态分析,对桥台结构物的初始应力状态进行分析。岩土介质中的应力,是在长期重力作用下逐渐固结沉降后形成,其初始变形状态与建立模型之时不同,因此在利用有限元数值模拟软土固结沉降时,应先赋予模型一个初始应力,以保证变形不会过大,使地基在加荷之前处于稳定状态。

3 数值模拟分析

3.1 竖向位移分析

对台后过渡段不同处理参数下纵横向变形特性进行分析前,选取台后7 m、27 m、47 m三个位置断面,即y=7 m、27 m、47 m,分析不同处理参数下地基及路基的纵横向沉降变形特。路基沉降主要是由于地基的下沉所导致,在填筑期间,填土荷载作用使得地表中心产生较大沉降,随着填筑的进行,沉降由地基中心位置向两侧逐渐减小,位于路肩两侧地基沉降值最小。距离台背位置不同,沉降差值也不同,距离桥台结构物越远,沉降差值越大。距离台背7 m处差异沉降为2.9 cm,距离台背47 m位置差异沉降为3.99 cm,二者相差1.09 cm,在可控范围之内。

地基沉降主要产生在路基土分级加载下,各施工阶段沉降变化趋势大致相同,填筑开始至施工结束沉降增长较快,运营期间沉降增长较缓。路基沉降变化曲线以路基中部为对称轴,左右两侧沉降数据大致呈成对称分布,整体表现出“盆形”趋势,能发现距离台背越近沉降值越小,表明靠近桥头加密区的软基处理效果更佳。

3.2 水平位移分析

在外荷载作用下,地基会产生一定水平位移。绘制水平位移随深度变化的曲线,如图1所示。

图1 坡脚下不同深度水平位移变化曲线

地基整体水平位移变化呈现“弓形”趋势,地基最大水平位移出现在坡脚下6.8 m处,这与现场实测一致。填筑期随着填土荷载增加,土中应力也逐渐接近地基土的极限抗剪强度,塑性变形加快,水平位移逐渐增大,最大值为5.46 cm,预压完成时最大水平位移为6.67 cm,水平位移增长了22.16%,工后15年最大水平位移达到了6.99 cm。从数值看,水平位移逐渐趋于稳定,表明PHC管桩复合地基能有效减小软土地基的水平位移。

3.3 桥台及桩基础应力、弯矩分析

路基土填筑会对桥台及桩基础产生一定扰动,地基土侧向流动会对其产生沿向桥台前方的推挤,对桥台桩基础的受力变形产生一定影响。为了便于分析,对桥台桩基进行编号,靠近路基填土一侧为前排桩,编号从左至右依次为1、2、3、4,远离路基一侧为后排桩,编号依次为5、6、7、8,桥台及桩基础的应力、弯矩变化如图2、图3所示。

图2 水平应力沿台身高度分布曲线

图3 桩身弯矩变化曲线

在填筑过程中,台背整体处于受压状态,沿着台身高度从下往上台背侧向土压力逐渐减小,承台底部水平应力最大,填筑荷载增加,底部水平位移向上扩展,而上部土体压缩较弱,荷载主要传递到承台底部,从而水平应力表现出底部向上逐渐减小,施工完成后,水平应力继续发展,行车荷载使得土体持续压缩,水平应力增大。

在台后路基填筑荷载作用下,前排桩最大弯矩值位于1号和4号桩,后排桩最大弯矩值位于5号和8号桩。前排桩临近路基填土一侧,桩身弯矩较大值集中在顶部软土区域内,由于桩基顶部有承台约束,桩顶弯矩会逐渐减小,中风化泥质粉砂岩区域在土体挤压下桩身弯矩逐渐趋于平稳,桩底部进入了持力层,在持力层约束作用下桩身弯矩变化会出现拐点。对比前后排桩桩身弯矩差异值,可见前排桩顶部软弱土区域内弯矩最大值要小于后排桩,而桩身中部弯矩值前排桩大于后排桩。

4 结 论

本文采用数值模拟的方法,分析了PHC管桩复合地基处理桥头软基的沉降变形特性,结论有:

(1) 有限元能较好模拟软土的流固耦合及渗流问题,为软基的处理提供了技术依据。

(2) 台后路基土在填筑荷载作用下,软土地基固结时间较长,路基填筑初期,路基顶面沉降变化速率较大,横断面方向沉降呈现“盆形”变化,地基土水平位移表现出“弓形”变化。

(3) 地基土受到路基填筑荷载作用而产生侧向流动,对桩基产生推挤,危害了桥台安全。临近路基填土一侧前排桩受到的影响大于后排桩,前排桩对地基土侧移具有一定阻碍作用,减小了对后排桩的推挤。

(4) 桥台水平应力沿着台身高度向上逐渐减小,最大水平应力位于承台底部。为保证结构物安全,应控制土体压缩沉降,以加强对软弱土地基处理效果。