软土地基条件下桩基框架结构堤防施工阶段分析

张 晔，胡晓明

（1.浙江省水利水电工程质量与安全监督管理中心，浙江 杭州 310012；2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020）

浙江省瓯江、椒江等强潮河口段堤防建设普遍面临堤前滩地窄，岸坡较陡，冲刷严重，地基土软弱且土层深厚等不利条件。自2000年以来，以温州市瓯江两岸为代表，桩基础钢筋混凝土框架结构堤防得以逐步实践运用[1]，特别是透空平台式框架结构堤对比传统土石堤具有断面小、沉降小，且基本不影响行洪、航运等优点，有利于减少拆迁，方便岸线开发和利用。目前现行的GB 50286 — 2013《堤防工程设计规范》、GB 51015 — 2014《海堤工程设计规范》等规范对桩基框架结构堤防的受力和变形计算未做明确的规定和说明，设计往往忽略桩、上部结构及土体的相互作用和影响，工程实践中出现了一些如结构变形大、裂缝等现象。因此，有必要开展软土地基条件下桩基框架结构堤防的受力、变形研究。本文以温州市某桩基框架结堤防工程为例，结合已有的研究成果[2-5]，运用Midas NX有限元软件建模，模拟施工阶段流程，整体分析堤防的受力和变形特点，并提出相应设计建议。

1 工程概况

某桩基框架结构堤防建于软土地基滩涂面上，建基面高程-6.00 ～ -3.00 m（1985国家高程基准），涂面以下分别为：粉砂夹淤泥、淤泥、淤泥质黏土、含砂淤泥质黏土和卵石层，软土层厚度40 ～ 50 m。堤防工程等级为II级，防潮标准为100 a一遇。其断面设计方案如下：堤防建设结合市政道路和绿化，堤断面结构从外江侧至内陆侧分3部分，分别为：桩基础框架结构堤身主体、高桩平台市政道路和桩基础L型挡墙及后侧回填土。框架结构堤身分为景观平台和绿化平台，基础均采用φ800 mmC35混凝土钻孔灌注桩，桩长50 m，纵向桩间距8 m，其中景观平台区域桩顶高程1.50 m与C35承台梁连接，承台梁上部为框架柱至6.90 m高程平台，宽7.50 m的平台作为堤顶道路兼市民休闲观景平台。景观平台内侧为20.00 m宽的绿化带，桩顶高程4.00 m与C35横向承台梁连接，承台梁上部铺设0.6 m厚C35预制空心板，上覆0.6 m厚绿化种植土，顶高程6.40 m。绿化平台内侧为28.00 m宽双向4车道市政道路，基础采用φ1000 mmC35混凝土钻孔灌注桩，桩长50 m，纵向桩间距20 m，桩顶高程4.00 m接C40盖梁，上部为1.00 m高C50预制空心板及路面铺装，路面高程6.40 m。市政道路内侧接L型挡墙，基础采用φ800 mmC35混凝土钻孔灌注桩，桩长45 m，纵向桩间距5 m，桩顶高程1.10 m接L型挡墙底板，L型挡墙内侧为防渗闭气土方及二期吹填砂，顶高程4.50 m。由于建基面高程较低，L型挡墙建于一期吹填砂上，一期吹填砂顶高程1.50 m，外侧为0.80 m高U型板桩，桩长32.00 m，板桩外侧为吹填砂及抛石护面镇压平台，宽15 m，顶高程-1.50 m，外侧为1∶4抛石护坡至堤脚。断面结构见图1。

图1 桩基框架结构堤防典型断面图 单位：cm

2 材料参数及工况模拟

考虑结构对称性，模型沿堤轴线方向宽度取45 m，横断面方向长度取220 m，地基土共分5层，总厚度55 m。绿化平台种植土、路面铺装层、栏杆等按荷载输入，模型见图2。

模型中灌注桩采用1D梁单元，预制板桩采用2D板单元，其余土体及上部结构采用3D实体单元，土体材料采用摩尔-库伦土体本构模型，其余材料假定为线弹性体。模型参数参考工程地质勘察报告见表1。地基土层采用地面支撑约束，其他结构和土体采用对称约束，灌注桩建立竖向绕度约束。为模拟桩土相互作用，建立接触单元。模型按实际施工流程划分为6个阶段（见表2）。

图2 模型简图

表1 模型主要材料参数表

表2 施工加载阶段划分表

3 计算结果分析

3.1 堤防变形情况

各施工阶段堤防变形见表3，其中水平变形负值代表向内陆侧变形，竖向变形负值代表沉降。堤身主体实施后（施工阶段3）堤防变形见图3、4。从图3、4和表3可知，堤防的水平变形主要发生于施工阶段1（一期吹填砂实施）和施工阶段3（闭气土方和二期吹填砂填筑），框架堤身区域地基土主要表现为向外江侧挤压，二期吹填砂区域地基土主要表现为向内陆侧挤压。施工阶段5（后期地面填筑）由于距离堤身主体较远，对堤身地基土主要产生向外江侧的挤压作用，因此后期地面填筑后反而使土体向内陆侧挤压变形值有所下降。施工阶段2即灌注桩、上部结构的实施，带动地基土竖向沉降2.0 cm，水平向变形0.1 cm，施工阶段4即景观绿化覆土、人行、车辆荷载的施加，带动地基土竖向沉降和水平向变形0.1 cm，说明灌注桩打入卵石层的情况下，桩基、上部结构的实施以及上部荷载的施加对堤防变形基本没有影响。各施工阶段水平向最大变形均发生在板桩处，且板桩左右土体水平变形分布差异较大，说明板桩隔离和阻止土体水平变形的效果较为明显。

图3 施工阶段3堤防水平变形云图

表3 各施工阶段堤防变形表 m

图4 施工阶段3堤防竖向变形云图

3.2 板桩的受力与变形

设计U型板桩桩长32.00 m，厚0.80 m，打入淤泥质黏土层。板桩桩顶及相邻内外侧土体单元的竖向位移见表4。由表4可知，板桩的沉降主要发生在施工阶段1，达到0.331 m，为总沉降的95.39%。距离板桩30 m的闭气土方填筑和距离板桩60 m的后期地面填土，对板桩沉降基本无影响。由于板桩隔离了内外侧土体，板桩两侧土体沉降差异较大，而板桩顶部与内陆侧相邻土体单元沉降差达0.453 m，表现为板桩与周围土体明显的“拉开”效应，与工程实际情况相符合。从堤防竖向变形云图上也可发现，在填土堆载作用下，表层土体的沉降大于板桩，表现出土体对板桩的“下拉”作用，而在板桩底部区域，由于深层土体的沉降较小，表现出板桩对周围土体的“下拉”作用，形成“桩土锲型尖端”区域。

表4 板桩顶部及相邻土体竖向位移表 m

各施工阶段板桩水平位移见图5。从图5可知，板桩的水平位移主要发生在施工阶段1，达到0.392 m，为总水平位移的64.8%，在闭气土方及二期吹填砂实施后，板桩最大水平位移达0.532 m，为总水平位移的88.3%。闭气土方及后方填土加载对板桩水平变形的影响远大于对板桩的竖向变形影响，说明在软基条件下填土加荷对周围构件的横向挤压作用相对显著。板桩沿深度方向的水平位移呈现出中间大、两端小的特点，发生了“弯曲”，最大水平位移基本位于桩深9 ～ 15 m区域。

施工阶段1（一期吹填砂实施后），板桩最大主应力11.59 N/mm2，位于板桩中部，最大剪应力5.70 N/mm2，位于板桩中部。施工阶段5（完工后），板桩最大主应力15.51 N/mm2，最大剪应力7.57 N/mm2，分布位置同施工阶段1。说明施工阶段1是板桩受力的最主要阶段。通过板桩主应力求得板桩最大弯矩为1640 kN · m，弯矩偏大，建议类似工程中适当加大板桩厚度及加强配筋，提高板桩刚度。

图5 各施工阶段板桩水平位移图

图6 板桩最大主应力云图 单位：N/mm2

3.3 灌注桩内力与变形

为便于分析比较，在桥梁、绿化平台和景观平台的中间跨各取1根桩，在L型挡墙的中间跨前后排各取1根桩，共5根桩做对比分析。

桩基剪力见表5。由表5可知，施工阶段3（闭气土方及二期吹填砂实施）是桩基受剪的最主要阶段，特别是L型挡墙内排桩，桩基剪力达到124.00 kN，而L型挡墙外排桩剪力为89.00 kN，差距明显，说明在共同承担闭气土压力的基础上，内排桩额外承担了地基土变形所产生的侧向挤压力。L型挡墙、桥梁、绿化平台和景观平台紧贴布置，但各部分为独立的受力体系，水平力并没有相互传递、共同分担，值得设计人员注意。

表5 各施工阶段灌注桩剪力表 kN

灌注桩在打入卵石层后，沉降值较小，最大沉降4.3 cm。各种加载工况下，桩基竖向变形不大。桩基水平位移见表6。由表6可知，堤防灌注桩及上部结构施工完毕后，基本无水平位移。堤后闭气土方及二期吹填砂实施（施工阶段3）后，受地基土整体侧向变形的带动作用，各部分灌注桩均产生一定的水平位移，靠近闭气土方的L型挡墙，桩基水平位移最大，达0.230 m，发生于桩深15 m处。

表6 各施工阶段灌注桩最大水平位移表 m

3.4 上部结构

后期回填土实施后，L型挡墙等效应力最大值2.53 N/mm2，位于挡墙直立墙外江侧，最小值0.12 N/mm2，位于挡墙底板内侧。景观平台框架结构等效应力最大值1.77 N/mm2，位于框架结构外江侧柱身，最小值0.02 N /mm2，位于纵向承台梁。总体来看各阶段加载后，上部结构应力较小。L型挡墙与桥梁盖梁及空心板侧面的接触区域、框架结构承台梁与框架柱连接处存在一定的应力集中现象，后续设计中可考虑适当的构造加强措施。

图7 L型挡墙等效应力云图 单位：N/mm2

4 结论和建议

（1）深厚软土地基条件下，背水坡填筑是桩基框架结构堤防水平变形的最主要因素，施工时应严格控制加载速率，加强观测。

（2）板桩对隔离附加应力传递，抵抗地基土水平变形有显著的效果。填土后板桩的变形、受力均较大，设计可适当加大板桩厚度及配筋，提高板桩刚度和整体性。

（3）填土作用下地基土的侧向挤压作用主要由邻近的L型挡墙内陆侧桩基承担，类似工程在设计中可优化桩基布置。

（4）上部结构梁柱连接处、挡墙与盖梁接触面存在局部应力集中，设计中可采用构造加强措施。