黃 朝 煊

(浙江省水利水電勘測設計院，杭州 310002)

0 前 言

伴隨沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，沿海地區(qū)交通道路、灘涂開發(fā)以及城建開發(fā)等工程大量實施，而濱海地區(qū)多為深厚淤泥地基，其淤泥土具有含水率高、孔隙比大、壓縮性大以及承載力低等特點，處理深厚淤泥土地基一般常采用排水固結法和樁基處理法。排水固結法處理軟土地基經(jīng)濟實用，但施工進度慢且工后沉降量較大，而樁基結構處理軟土地基工后沉降量小且承載力高，但造價比排水固結法更貴。濱海地區(qū)深厚淤泥地基中剛性結構(如鉆孔灌注樁結構、PHC樁結構等)和相鄰柔性結構(采用排水固結法處理的土石海堤)之間經(jīng)常出現(xiàn)較大的差異沉降，輕則影響工程外觀，重則嚴重影響整體結構安全，如濱海地區(qū)軟土地基路面與橋臺之間的差異沉降、圍墾工程中土石海堤與樁基框架海堤之間的差異沉降以及海堤與軟基水閘之間的差異沉降等。

李惠玲[1]、彭良泉等[2]對堤防結構與橋梁樁基之間安全影響進行了數(shù)值模擬計算研究；魏汝龍[3]、閆澍旺等[4]利用有限元軟件對堆載影響下橋墩樁基沉降和水平變位進行了計算研究；王志亮等[5]利用非線性有限元法對鄧肯-張本構模型中影響軟基路堤沉降的參數(shù)分別進行數(shù)值敏感分析；Kousik Deb[6]通過數(shù)學建模對加筋樁網(wǎng)結構中樁土應力比等進行了研究，Chonglei Zhang等[7]基于相關工程案例結合實際監(jiān)測資料對加筋樁網(wǎng)結構中“土拱效應”進行了研究。黃朝煊等[8-10]基于軟土地基排水固結理論，對土石海堤中塑料排水板處理地基固結理論進行研究，給出了新的軟土地基總固結度解析式。

雖然國內(nèi)外專家學者及相關工程人員對地基基礎中剛、柔結構之間差異沉降的不利影響已高度重視，一些處理措施和方法雖對差異沉降控制取得了一定的效果，如采用攪拌樁加固法和簡支搭板結構等，但仍有不少工程出現(xiàn)差異沉降過大以至于導致拉裂破壞、滲漏破壞等問題，因此，本文結合我院實際工程案例，利用大型有限元軟件ABAQUS分別對幾種新型地基處理結構進行計算對比分析，優(yōu)化比選合適的地基處理方案，為類似工程提供技術參考。

1 工程概況

某圍墾工程圍墾面積0.173 萬hm2，為Ⅳ等工程，主要建筑物海堤長15.9 km，防潮標準為20 a一遇，其海堤地基影響深度范圍內(nèi)土體主要為Ⅱ?qū)佑倌?、淤泥質(zhì)黏土，其厚度大，壓縮性大，對工程有較大影響[11]。

某大橋及接線工程在工程區(qū)縣內(nèi)的路線長度19.858 km，兩大工程平面存在局部交叉，大橋沿樁基框架海堤跨中上方正交穿過。

為了控制海堤對某大橋負摩擦阻力的不利影響，交叉段海堤(樁號6+402 m～6+702 m)采用樁基礎混凝土框架結構，其余堤段采用土石海堤結構。

土石海堤結構見圖1，堤頂防浪墻頂高程7.1 m，墻高0.8 m，堤頂高程為6.3 m。堤頂總寬6.0 m，堤身外坡自堤頂高程起以1∶0.4的C25混凝土灌砌塊石擋墻至高程4.2 m寬3.5 m的消浪平臺，平臺以下以1∶3的斜坡到鎮(zhèn)壓層一級平臺，鎮(zhèn)壓層一級平臺總寬30 m，并以1∶2的斜坡順接至涂面。土石海堤的子堤與堤身之間采用閉氣土方閉氣。子堤堤頂高程3.0 m寬8 m，外海側與閉氣土相接以1∶1.2的斜坡到涂面。土石海堤堤身基礎以及子堤均采用C型排水插板進行地基處理，正方形布置，間距1.4 m。

圖1 土石海堤結構示意(單位：m)

交叉段樁基框架海堤(樁號6+402 m～6+702 m)結構見圖2，樁基框架海堤長度為300 m，其中兩端各有約25m深入土石海堤的銜接段內(nèi)，每隔30 m長設置伸縮縫?？蚣艿撞?即灌注樁樁頂處)沿海堤軸線方向設2根150 cm×120 cm的縱梁；沿海堤軸向每隔4 m在2根縱梁間設置1根1.0 m×1.2 m的連系梁拉結，每根聯(lián)系梁上設一高3.1 m、寬0.6 m的C35橫向肋板；框架外海側設C35的80 cm厚鋼筋混凝土擋墻，頂部高程7.1 m；框架內(nèi)側設C35的60 cm厚鋼筋混凝土擋墻?？蚣芟碌鼗休^厚的淤泥層，設計采用長度為20 m短樁和32 m長樁處理，長短樁間隔布置，樁徑1.0 m，短樁、長樁中心間距均為2.2 m。在樁基框架海堤的下部長短灌注樁的周圍采用水泥土攪拌樁對地基進行處理，攪拌樁直徑60 cm，間距50 cm，即采用滿堂梅花形布置，處理深度10 m。

圖2 樁基框架海堤結構示意圖(單位：m)

2 有限元建模及計算

2.1 非線性本構模型

本文采用鄧肯-張E-μ模型計算，該模型在工程界被普遍應用，使用簡便，參數(shù)確定經(jīng)驗豐富，其切線彈性模量Et和泊松比vt分別表示為[12]：

(1)

(2)

(3)

對卸荷情況，彈性模量用下式計算：

(4)

式中：c為土體凝聚力；φ為土體內(nèi)摩擦角；Pa為大氣壓力；Rf、K、n、G、F、D、Kur為模型參數(shù)，取Kur=2K；σ1、σ3分別為第1、第3主應力。

土石海堤堤身拋石料的強度采用非線性的強度公式：

φ=φ0-Δφlg (σ3/Pa)

(5)

模型計算中地基土及土石海堤材料采用鄧肯-張E-μ模型，其計算模型參數(shù)見表1。對于混凝土材料采用線彈性模型，其計算模型參數(shù)見表2。

表1 三維有限元計算材料鄧肯-張E-μ模型參數(shù)

表2 彈性材料模型參數(shù)

2.2 三維固結理論(Biot固結)

三維固結是指土體在外荷載下三向排水、三向變形的固結過程，由比奧(M．A．Biot)于1941年提出三維固結理論，該理論涉及土體的應力～應變特性、平衡條件、變形協(xié)調(diào)條件和水流連續(xù)條件，其基本微分方程如下：

(6)

(7)

方程(6)、(7)中包含4個未知變量pw、ux、uy、uz，它們是坐標x,y,z和時間t的函數(shù)，結合初始條件和邊界條件即可解出這4個變量，其中式(6)反映出變形與滲流的耦合關系，pw均是指超靜孔隙水壓力，其余參數(shù)意義同上文。

2.3 銜接段地基處理方案計算比選

對剛性結構(樁基框架海堤)與柔性結構(土石海堤)之間差異沉降銜接過渡段采用3種不同技術方案對比分析[13]，其中剛柔結構銜接過渡段平面布置見圖3。

方案一：采用攪拌樁由深至淺方案，即A區(qū)(靠近樁基框架海堤)采用置換率50%、深20 m的攪拌樁處理，B區(qū)采用采用置換率33%、深15 m的攪拌樁處理，其余C、D、E區(qū)則均采用置換率23%、深10 m的攪拌樁處理(見圖3)。

方案二：采用等深度不同置換率的攪拌樁方案，即A區(qū)(靠近樁基框架海堤)采用置換率50%、深10 m的攪拌樁處理，B區(qū)采用采用置換率35%、深10 m的攪拌樁處理，其余C、D、E區(qū)則均采用置換率25%、深10 m的攪拌樁處理(見圖3)。

方案三：采用加筋樁網(wǎng)結合攪拌樁方案，即A區(qū)(靠近樁基框架海堤)采用樁徑0.8 m深30 m的鉆孔灌注樁(中心間距4 m)處理，并在其上鋪設1 m厚碎石墊層+雙向土工格柵加筋(20 t/m)，其余B、C、D、E區(qū)則均采用置換率25%、深10 m的攪拌樁處理(見圖3)。

通過以上3種地基處理技術方案投資對比分析，認為方案一投資比方案二、方案三投資稍貴，而方案二、方案三投資基本一致。

圖3 剛柔結構銜接過渡段地基處理分區(qū)

2.4 網(wǎng)格劃分及加載計算

依據(jù)海堤結構及地質(zhì)資料建立大型三維有限元模型，混凝土鉆孔灌注樁為劃分網(wǎng)格方便，按面積相等和慣性矩相等的原則在平面上等價為厚1.2 m的矩形單元；有限元模型共劃分143 602 個結點，153 119個單元，其中整體三維有限元網(wǎng)格見圖4，樁基框架海堤上部框架肋板結構網(wǎng)格劃分見圖5，剛柔結構銜接過渡段地基處理結構區(qū)網(wǎng)格劃分見圖6。

圖4 三維有限元網(wǎng)格

圖5 樁基框架海堤三維有限元網(wǎng)格

圖6 方案一銜接過渡段地基處理區(qū)三維有限元網(wǎng)格

樁基框架海堤施工流程按下述順序：先攪拌樁基礎 →灌注樁 →上部梁板結構 →土方回填，計劃總工期10個月，相鄰工序之間的間隔時間為1個月。

土石海堤施工與樁基框架海堤施工同步進行，土石海堤計劃總工期12個月，其土石方具體加載過程見圖7。

圖7 土石海堤加載曲線

三維有限元計算按上述施工工序模擬海堤施工。通過有限元軟件中生死單元的用法，即在INP輸入文件中使用語句*MODEL CHANGE，REMOVE，TYPE = ELEMENT和*MODEL CHANGE，ADD，TYPE = ELEMENT來實現(xiàn)樁基施工及海堤的分層填筑過程。土體的力學特性通過采用鄧肯-張E-μ模型來模擬，滲透采用Forchheimer滲透定律模擬。在INP輸入文件中采用*Soils，Consolidation分析步來實現(xiàn)三維固結有限元的計算[14]。

3 計算成果分析

利用大型有限元軟件分別對3種不同的剛柔結構之間銜接段布置結構進行計算，其中3種不同方案下剛柔結構沉降變位成果見表3，其伸縮縫及止水部位的差異變位成果見表4。

表3 不同方案下海堤沉降值 cm

表4 不同方案下剛柔銜接段差異變位 cm

表3成果表明，剛柔結構銜接過渡段地基處理采用方案二時，土石海堤完建10 a時工后沉降量為52.60 cm，比海堤完建20 a時僅小2.8 cm，說明海堤完建10 a時地基固結已經(jīng)基本完成。

從地基處理的效果看，框架端部附近的過渡段的A區(qū)采用灌注樁處理的方案三比攪拌樁處理的方案一、方案二對減小框架端部工后沉降效果更好，海堤完工20 a時方案三樁基框架海堤靠近土石堤側端部最大工后沉降16.02 cm，比方案二中最大工后沉降19.90 cm減小了3.88 cm，比方案一中最大工后沉降20.04 cm減小4.02 cm。由圖8可知，采用方案三后，樁基框架海堤與土石海堤之間的沉降差過渡更平順，即樁基框架海堤端部沉降量減小。

圖8 方案二、三海堤沿軸線工后沉降對比

表4給出了各方案下沿海堤頂軸線樁基框架海堤靠近A區(qū)處與土石海堤拋石段接觸縫兩側，在樁基框架海堤施工完成10 a時的工后變形和變形差，其中方案三中縫間兩側差異沉降值僅0.07 cm，比方案一中縫間兩側差異沉降值0.12 cm、方案二中縫間兩側差異沉降值0.26 cm均要小，從工后位移和位移差看，方案三優(yōu)于方案一和方案二。采用方案三時樁基框架海堤整體完整性較好，其伸縮縫、止水材料均未被拉壞，因此從工后沉降、沉降差以及投資優(yōu)化等方面綜合考慮，方案三最優(yōu)，推薦方案三----加筋樁網(wǎng)結合攪拌樁處理方案。

采用方案三時，土石海堤、銜接過渡段以及樁基框架海堤在工后10 a時的沉降分區(qū)云圖見圖9，其中樁基框架海堤在工后10 a時的位移矢量圖見圖10。由圖9、圖10可知，雖然采用方案三時，土石海堤沉降負摩擦阻力 “下拉效應”對樁基框架海堤的不利影響有所削弱，但仍有一定影響，因此樁基框架海堤整體呈現(xiàn)兩端沉降大中間沉降小的變化趨勢。

圖9 方案三海堤完工10 a時工后沉降云圖

圖10 方案三樁基框架海堤10 a工后位移矢量圖

4 實際沉降監(jiān)測及分析

工程施工加載過程中，需要對交叉段樁基框架海堤結構的實際沉降進行跟蹤監(jiān)測，其中樁基框架海堤靠近土石海堤端頭部的沉降曲線見圖11。

通過實際沉降監(jiān)測資料顯示(見圖11)，樁基框架海堤靠近土石海堤端的實測沉降最大值為14.73 cm，比有限元模擬計算值稍大，但銜接段差異沉降控制基本滿足設計要求，其伸縮縫、止水材料均基本完好無損，達到預期設計效果。

圖11 樁基框架海堤端部(靠近A區(qū))沉降曲線

5 結論與建議

本文依托于某工程案例，對濱海地區(qū)深厚淤泥地基基礎中剛、柔性結構差異沉降優(yōu)化控制問題進行了探討，對剛柔結構銜接段分別采用3種不同處理方案，基于大型有限元軟件計算對比分析，得出主要結論如下。

(1) 依托于相關工程案例，對與橋梁交叉段海堤采用剛性結構(樁基框架海堤)，以保證橋梁結構安全。但海堤工程自身剛柔結構差異沉降控制問題需慎重考慮，基于此本文對剛性樁基海堤結構與柔性土石海堤結構之間采用新型地基處理結構過渡銜接。

(2) 利用大型有限元計算軟件，對剛柔結構銜接過渡段采用3種不同地基處理方案，對拋石體、地基土等采用鄧肯-張E-μ模型，對于混凝土材料采用線彈性模型，結合比奧三維固結理論，對土石海堤、銜接過渡段及樁基框架海堤等整體有限元建模計算分析，并分別給出了銜接段3種不同地基處理方案下的沉降、分縫處的差異變位等成果。

(3) 根據(jù)不同方案下的有限元計算成果， 表明方案三中樁基框架海堤端部(A區(qū)附近)工后20 a時最大工后沉降為16.02 cm，分別比方案一、方案二中工后沉降減小4.02、3.88 cm。其中方案三中縫間兩側差異沉降值僅0.07 cm，分別比方案一、方案二中縫間兩側差異沉降值減少0.05、0.19 cm。從工后位移和位移差看，方案三均優(yōu)于方案一和方案二，采用方案三時樁基框架海堤整體完整性較好，其伸縮縫、止水材料均未被拉壞。因此從工后沉降、沉降差以及投資優(yōu)化等方面綜合考慮，方案三優(yōu)于方案一和方案二，推薦方案三——加筋樁網(wǎng)結合攪拌樁處理方案。最后通過實際工程監(jiān)測資料，表明采用方案三設計達到預期差異沉降控制效果。

值得說明的是，關于加筋樁網(wǎng)的樁徑、布置間距以及樁頂小承臺等參數(shù)仍值得進一步深入優(yōu)化研究，以便于加筋樁網(wǎng)方案在剛柔結構差異沉降控制中應用推廣。