靳志超, 陳志堅(jiān)

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京 211100)

軟土廣泛分布在我國(guó)沿海及三角洲等區(qū)域,通常具有含水率高、壓縮模量大、抗剪強(qiáng)度低、透水性差、承載力低等特點(diǎn)[1],給上部工程帶來各種各樣的危害,對(duì)施工和運(yùn)營(yíng)都造成很大影響。因此在軟土地基上施工之前,需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理,使其固結(jié),提高強(qiáng)度[2-3],處理方法有堆載預(yù)壓法、真空預(yù)壓法、反壓護(hù)道法、化學(xué)加固法、換填墊層法等[4]。曾芳金等[5]通過模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法來模擬沉井在被不同真空預(yù)壓程度處理后的軟土地基中的下沉,結(jié)果顯示土體含水率由61.2%下降到40.6%后,軟土地基對(duì)沉井的自重載荷提高了250%。黃朝煊[6]推求了超固結(jié)淤泥質(zhì)地基土任意固結(jié)度下地基土總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)解析計(jì)算式,表明了任意固結(jié)度下地基土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨固結(jié)度的增加而增加。齊永正等[7]分析排水預(yù)壓加固軟基強(qiáng)度增長(zhǎng)理論的研究現(xiàn)狀,推導(dǎo)出了只含有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)的強(qiáng)度增長(zhǎng)計(jì)算式,該式計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)測(cè)值相符。閆澍旺等[8]應(yīng)用有效應(yīng)力法分析了土體固結(jié)引起強(qiáng)度增長(zhǎng)的機(jī)制和計(jì)算,提出不排水條件下考慮土體強(qiáng)度增長(zhǎng)的地基承載力分析方法。

對(duì)于大型沉井來說,其自重和規(guī)模都較大,若地基未經(jīng)過處理,則難以滿足施工要求[9],一般都會(huì)采用砂墊層結(jié)合砂樁處理的方法對(duì)其進(jìn)行加固[10],如江陰長(zhǎng)江大橋北錨碇沉井、南京長(zhǎng)江四橋北錨碇沉井、馬鞍山長(zhǎng)江大橋南北錨碇沉井以及本文研究的龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋南錨碇沉井。在沉井接高過程中,底部土體及砂樁改良地基在上部載荷的作用下會(huì)產(chǎn)生一定的固結(jié),超靜孔隙水壓力消散,有效應(yīng)力提高,土體強(qiáng)度也隨之提高[11],為下一級(jí)沉井的接高施工提供條件。

眾多學(xué)者都在研究沉井地基特性方面取得重要成果。許增會(huì)[12]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),對(duì)高置換率擠密砂樁加固軟土地基單樁承載力進(jìn)行分析計(jì)算,發(fā)現(xiàn)其承載力高于普通砂樁,超靜孔隙水壓力消散更快。陳培帥等[13]對(duì)某大型沉井砂樁復(fù)合地基的承載力進(jìn)行計(jì)算結(jié)果表明,砂樁復(fù)合地基固結(jié)完成后的承載力分別比天然地基提高了68%和80%。王正振等[14]以某巨型沉井為研究對(duì)象,針對(duì)不同的墊層材料、墊層厚度和砂樁間距共進(jìn)行了9組靜載試驗(yàn),結(jié)果表明,厚墊層-砂樁加固軟土地基效果十分理想。張治成等[15]運(yùn)用ABAQUS軟件中的顯式動(dòng)態(tài)法模擬了沉井的突沉行為結(jié)果表明,沉井突沉是由于局部土體損傷失效帶動(dòng)周圍大面積土體損傷演化所產(chǎn)生的。

綜上所述,之前的研究都未將具體工程與數(shù)值模擬相結(jié)合計(jì)算實(shí)際的地基強(qiáng)度增長(zhǎng)量。因此,本文借助有限元軟件對(duì)龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋南錨碇特大型沉井前3節(jié)接高過程進(jìn)行模擬,研究計(jì)算軟土地基在施加附加應(yīng)力后,超靜孔壓的增長(zhǎng)與消散情況,以及固結(jié)后地基強(qiáng)度的增長(zhǎng)情況,對(duì)比有效應(yīng)力法和規(guī)范法的計(jì)算結(jié)果差異,可為大型沉井接高過程中考慮地基固結(jié)強(qiáng)度提高及優(yōu)化施工方案提供一定的參考借鑒。

1 抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)理論

我國(guó)對(duì)軟土強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律的研究可以追溯到20世紀(jì)60年代初期,分別由曾國(guó)熙等[16]和沈珠江[17]提出了有效應(yīng)力法和規(guī)范法(有效固結(jié)壓力法)。兩者均基于Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則,是一種由強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算土體抗剪強(qiáng)度的方法,但由于計(jì)算原理不同,兩者在強(qiáng)度指標(biāo)、應(yīng)力增量等方面的選取存在較大差異[18]。

1.1 有效應(yīng)力法

地基中某一時(shí)刻的抗剪強(qiáng)度τf可表示為[19]

τf=τ0+Δτfc-Δτfτ。

(1)

式中:τ0為地基中某點(diǎn)的天然抗剪強(qiáng)度; Δτfc為因固結(jié)產(chǎn)生的抗剪強(qiáng)度增量; Δτfτ為因剪切蠕變產(chǎn)生的抗剪強(qiáng)度衰減量。

事實(shí)上,由于剪切蠕變產(chǎn)生的抗剪強(qiáng)度衰減量目前還難以計(jì)算,因此將其省略并加上折減系數(shù)η,可將式(1)改寫為

τf=η(τ0+Δτfc)。

(2)

式中,η為考慮剪切蠕變等因素對(duì)抗剪強(qiáng)度造成影響的折減系數(shù),η值與土的性質(zhì)有關(guān),工程實(shí)踐中,一般η=0.75～0.90,地基中某點(diǎn)的剪應(yīng)力越大,剪切蠕變的作用就越為顯著,則η就取較低值,反之則需取較高值。

通常地基土的抗剪強(qiáng)度可表示為

τf=σ′tanφ′。

(3)

式中:φ′為土的有效內(nèi)摩擦角;σ′為剪切面上的有效壓應(yīng)力。

式(3)可化為與有效最大主應(yīng)力σ′1的關(guān)系:

(4)

由于地基固結(jié)增長(zhǎng)的強(qiáng)度

(5)

式中:Δu為因上部載荷引起地基某點(diǎn)的孔隙水壓力增量;Δσ1為載荷所引起的地基中某一點(diǎn)的最大主應(yīng)力增量;U為地基中某點(diǎn)的固結(jié)度,可用平均固結(jié)度代替。

將式(5)代入式(2)得:

τf=η[τ0+kUΔσ1]。

(6)

1.2 規(guī)范法

規(guī)范法源于沈珠江[17]最初提出的有效固結(jié)壓力法,公式為

Δτ=Δσ′ctanφc。

(7)

式中:Δτ為地基土的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)量;Δσ′c為地基中某點(diǎn)在破壞前的有效固結(jié)壓力增量;φc為有效固結(jié)壓力法對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角。

式(7)可改寫為

Δτ=Δσ′1tanφcu=ΔσUtanφcu。

(8)

式中:Δσ′1為豎向有效應(yīng)力增量;Δσ為豎向附加應(yīng)力增量;φcu為固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)得到的地基土內(nèi)摩擦角。

式(8)是《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)推薦的公式[19],基于有效固結(jié)壓力法在土體不等向固結(jié)條件下推導(dǎo)而來[20],用于計(jì)算正常飽和黏性土地基某點(diǎn)某一時(shí)間的抗剪強(qiáng)度。

土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的測(cè)定一般采用室內(nèi)試驗(yàn)以及原位試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)會(huì)在取土過程中造成擾動(dòng),影響結(jié)果,而在沉井接高過程中,又很難進(jìn)行原位實(shí)驗(yàn)直接獲得土體抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)量[21]。因此,本文借助有限元軟件導(dǎo)出計(jì)算土體抗剪強(qiáng)度所需數(shù)據(jù),為研究土體強(qiáng)度變化規(guī)律提供新的思路,給類似的工程建設(shè)提供參考。

2 工程概況

南錨碇沉井共分9節(jié),第1節(jié)為鋼殼混凝土沉井(圖1),平面尺寸為73.8 m×57.0 m,高8 m,井壁厚度2.2 m,隔墻厚度1.4 m,中間按5×6的排列方式共設(shè)置了30個(gè)矩形井孔;第2～第9節(jié)均為鋼筋混凝土沉井,井壁厚度2.3 m,隔墻厚度2.0 m,平面尺寸為73.4 m×56.6 m,第2～第3節(jié)高6 m,第4～第6節(jié)高5 m,第7～第8節(jié)高4 m,第9節(jié)高7 m。

圖1 第1節(jié)沉井結(jié)構(gòu)示意

圖2 南錨錠處地層剖面

3 有限元建模

因沉井接高前3節(jié)后進(jìn)行下沉工作,所以本文研究范圍為第1～第3節(jié)的接高制作階段。沉井結(jié)構(gòu)與地基有限元模型如圖3所示。X軸方向?yàn)轫槝蛳?正方形朝南,Y軸方向?yàn)闄M橋向,正方形朝東,Z軸方向?yàn)樨Q直方向,正方形朝上。

圖3 沉井結(jié)構(gòu)與地基土體有限元模型

沉井前3節(jié)共分5次制作接高,第1次為第1節(jié)鋼殼混凝土澆筑,第2次、第3次對(duì)角澆筑第2節(jié)沉井,第4次、第5次對(duì)角澆筑第3節(jié)沉井。不同批次澆筑的混凝土之間均采用綁定接觸。除第1節(jié)混凝土澆筑5 d后養(yǎng)護(hù)40 d之外,第2節(jié)、第3節(jié)混凝土每次對(duì)角澆筑均只有2 d后養(yǎng)護(hù)7～10 d不等。沉井結(jié)構(gòu)采用八節(jié)點(diǎn)六面體三維應(yīng)力單元(C3D8),共有3 294個(gè)實(shí)體單元。

考慮滲流固結(jié)的影響,地基土體規(guī)模設(shè)置為400 m×400 m,基于比奧固結(jié)理論和修正劍橋模型的流固耦合模型進(jìn)行模擬計(jì)算。沉井底部向下12 m,向四周外擴(kuò)10 m均為砂樁改良地基。地基土體的網(wǎng)格劃分采用八節(jié)點(diǎn)六面體孔壓?jiǎn)卧?C3D8P),共劃分有11 718個(gè)實(shí)體單元。約束地基模型四周的水平位移以及底面的豎向位移,地基頂面為自由面。同時(shí)將地表及四周設(shè)為排水面,底部邊界不透水。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告以及鄰近工程獲取的經(jīng)驗(yàn)值,地基土體計(jì)算參數(shù)如表1所示,表中c為土體黏聚力,φ為摩擦角,M為臨界狀態(tài)線在p-t(平均應(yīng)力-時(shí)間)平面上的斜率,λ為等向固結(jié)壓縮曲線在e-lnp(e為地基土孔隙度)上的斜率,к為多孔介質(zhì)彈性對(duì)數(shù)體積模量,ν為泊松比,e0為初始孔隙比,p0為初始平均應(yīng)力。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 地基滲透性影響

沉井所處的地基屬軟土地基,為保障接高期間地基土體不被破壞,規(guī)范中要求兩次混凝土澆筑的間隔期地基超靜孔壓需消散70%以上。選取沉井中間區(qū)域埋深分別為10、20、30、40、50 m的5個(gè)觀測(cè)點(diǎn),得到接高期間超靜孔壓變化如圖4所示。

圖4 地基土體超靜孔壓變化

從圖4中可以看到,5次澆筑開始時(shí),點(diǎn)2(埋深20 m)至點(diǎn)5(埋深50 m)的超靜孔壓在2 d內(nèi)均會(huì)快速上升,達(dá)到2 kPa以上,且深度越深,超靜孔壓增長(zhǎng)越小,臨近澆筑完成后超靜孔壓增長(zhǎng)速度才有所下降,并于澆筑完成后達(dá)到最高點(diǎn)。之后的養(yǎng)護(hù)中,超靜孔壓開始下降,速度由快至緩。但點(diǎn)1(埋深10 m)位于滲透性較好的砂樁改良地基內(nèi)排水路徑較短,因此相對(duì)于其他點(diǎn)其超靜孔壓在整個(gè)接高期間變化不明顯?？傮w來看,每次養(yǎng)護(hù)期間地基土體的超靜孔壓消散程度均滿足規(guī)范要求,且都能在下次澆筑時(shí)消散95%以上。

由于砂樁改良地基良好的滲透性,大量的孔隙水都從其中排出,為了使結(jié)論具有普適性,本節(jié)偏保守將周圍天然粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)作為砂樁改良地基的滲透系數(shù),研究混凝土澆筑的時(shí)間間隔是否會(huì)受到超靜孔壓消散過程的控制。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 地基土體(無砂樁)超靜孔壓變化

從圖5中可以看到,在沒有砂樁改良地基的情況下,超靜孔壓的變化規(guī)律與圖4相類似,但沉井澆筑完成后,超靜孔壓的消散速度相對(duì)較小,點(diǎn)1(埋深10 m)與點(diǎn)2(埋深20 m)的超靜孔壓也出現(xiàn)較大幅度增長(zhǎng),其余觀測(cè)點(diǎn)的超靜孔壓增幅則相對(duì)較小。

5次養(yǎng)護(hù)期間,點(diǎn)1的超靜孔壓在澆筑完成后的2 d內(nèi)均能消散70%以上,點(diǎn)5的超靜孔壓在澆筑完成后的3 d內(nèi)均能消散70%以上,其余3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的超靜孔壓消散速度位于二者之間。因此,每次混凝土養(yǎng)護(hù)期間,地基土體的超靜孔壓消散程度仍可在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到規(guī)范要求。

綜上所述,在沉井前3節(jié)的混凝土澆筑過程中,由于沉井底面地基土尚未被封底混凝土封閉,地基土排水通暢,對(duì)于粉質(zhì)黏土地基,每次混凝土澆筑完成后,在3 d內(nèi)超靜孔隙水壓力消散程度即可滿足規(guī)范要求。故沉井混凝土澆筑的時(shí)間間隔不受超靜孔隙水壓力消散過程控制,而是主要受控于沉井混凝土的齡期和強(qiáng)度形成情況。

4.2 基于有效應(yīng)力法的地基強(qiáng)度計(jì)算

利用式(6)對(duì)該沉井地基抗剪強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。 土體力學(xué)參數(shù)參照表1, 最大主應(yīng)力增量取值從有限元軟件計(jì)算結(jié)果中導(dǎo)出, 均選取各層土體中部位置。 由于此模型附加剪應(yīng)力較小, 暫將η設(shè)置為0.9來計(jì)算。 沉井共分5次接高, 分別用1、 2-1、 2-2、 3-1、 3-2代表沉井首節(jié)接高后、第2節(jié)第1次接高后、 第2節(jié)第2次接高后、 第3節(jié)第1次接高后、 第3節(jié)第2次接高后。地基強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 有效應(yīng)力法地基強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

地基抗剪強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果顯示: 隨著沉井的接高,不同深度土層的抗剪強(qiáng)度均不斷提高, 其中砂樁改良地基與粉質(zhì)黏土夾粉土層抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)率較大, 截止到沉井前3節(jié)接高完畢后抗剪強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了67.3%和53.6%。 由于折減系數(shù)η的影響, 粉細(xì)砂層和中粗砂層在沉井接高后強(qiáng)度出現(xiàn)小幅度的下降, 將第1節(jié)沉井澆筑后作為初始強(qiáng)度, 這2層土層抗剪強(qiáng)度均有所提升, 截止到沉井前3節(jié)澆筑完畢后, 粉細(xì)砂層和中粗砂層抗剪強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了11.8%和4.6%。 若將η取值為1, 即不考慮剪切蠕變等因素對(duì)抗剪強(qiáng)度值造成的影響, 則該2層土體抗剪強(qiáng)度總是呈現(xiàn)上升趨勢(shì), 與土體天然初始強(qiáng)度相比, 抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)率也分別達(dá)到了16.4%和7.0%。 除中粗砂層外,隨著沉井的接高, 每一次接高后抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)量均有小幅度提升, 這是由于上部載荷不斷增大, 對(duì)土體擠密壓實(shí)的效果越來越好。 而對(duì)于底部的中粗砂層來說, 本就處于較大的天然應(yīng)力場(chǎng)中, 已經(jīng)得到充分的固結(jié), 上部附加應(yīng)力也很難傳遞到該層中, 所以無論是每次接高后抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)量還是前3節(jié)全部澆筑完畢后的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)量均較小。

4.3 基于規(guī)范法的地基強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)進(jìn)行計(jì)算,不同地基土體中心處的豎向附加應(yīng)力從模擬結(jié)果中導(dǎo)出,φcu由三軸不排水實(shí)驗(yàn)測(cè)定。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 規(guī)范法地基強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

隨著沉井的接高,各層地基強(qiáng)度也在提高。截止到接高施工結(jié)束,各層地基強(qiáng)度相較于初始天然強(qiáng)度,分別達(dá)到了192.0%、48.9%、23.8%、14.5%。其中,砂樁改良地基強(qiáng)度的提升最為明顯,這與它位于地表最淺層接受沉井壓實(shí)作用最強(qiáng)有關(guān)。砂樁地基與中粗砂層的強(qiáng)度增長(zhǎng)量在每次接高后均有下降,但其余2層土體該現(xiàn)象并不明顯。

4.4 有效應(yīng)力法與規(guī)范法計(jì)算結(jié)果討論

將有效應(yīng)力法與規(guī)范法計(jì)算結(jié)果置于圖6中,由圖6可以看出,隨著沉井的接高,兩種方法計(jì)算出的地基強(qiáng)度均隨之增大,不同的是,除粉質(zhì)黏土夾粉土層外,規(guī)范法得出的抗剪強(qiáng)度以及強(qiáng)度增長(zhǎng)量在不同接高階段均大于有效應(yīng)力法,這與有效應(yīng)力法中的折減系數(shù)和φ′、φcu的區(qū)別有關(guān)。強(qiáng)度增長(zhǎng)較大的土層為砂樁改良地基和粉質(zhì)黏土夾粉土層,而深度土層強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較小,即上部載荷向土層深度傳遞時(shí)存在衰減效應(yīng)。有效應(yīng)力法中粉細(xì)砂層和中粗砂層的抗剪強(qiáng)度在沉井首次接高后出現(xiàn)小幅度下降,這是因?yàn)檎蹨p系數(shù)的取值過小。規(guī)范法中粉質(zhì)黏土夾粉土層的抗剪強(qiáng)度在首次接高后出現(xiàn)下降,并且其強(qiáng)度在首節(jié)沉井接高后便始終低于砂樁改良地基,這是由于砂樁改良地基作為沉井的主要承載地基和優(yōu)良的排水通道,在承擔(dān)上部附加應(yīng)力時(shí)發(fā)揮了重要的作用。

圖6 兩種計(jì)算方法的地基強(qiáng)度結(jié)果對(duì)比

5 結(jié) 論

本文利用有限元軟件,對(duì)龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋南錨碇沉井前3節(jié)接高施工過程進(jìn)行模擬,觀察其超靜孔壓消散情況,采取有效應(yīng)力法和規(guī)范法對(duì)沉井地基抗剪強(qiáng)度的增長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)兩種方法得出的結(jié)果進(jìn)行討論,得出結(jié)論如下:

1) 隨著沉井的接高澆筑,土體含水率降低,地基發(fā)生固結(jié),沉井下部土層抗剪強(qiáng)度得到提升。載荷向地基深部傳遞存在衰減效應(yīng),淺部的土層強(qiáng)度提升較大,深部土層強(qiáng)度提升有限。

2) 在每次混凝土澆筑完成后的70 h內(nèi),超靜孔隙水壓力消散70%以上,滿足規(guī)范要求,故沉井混凝土澆筑的時(shí)間間隔不受超靜孔隙水壓力消散過程控制,而是主要受控于沉井混凝土的齡期和強(qiáng)度形成情況。

3) 規(guī)范法得出的抗剪強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果比有效應(yīng)力法大,在工程實(shí)踐中若為保守取值,可以選擇有效應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算。