深厚淤泥地基刚柔结构衔接段差异沉降优化控制分析

黄 朝 煊

(浙江省水利水电勘测设计院，杭州 310002)

0 前 言

伴随沿海地区经济发展，沿海地区交通道路、滩涂开发以及城建开发等工程大量实施，而滨海地区多为深厚淤泥地基，其淤泥土具有含水率高、孔隙比大、压缩性大以及承载力低等特点，处理深厚淤泥土地基一般常采用排水固结法和桩基处理法。排水固结法处理软土地基经济实用，但施工进度慢且工后沉降量较大，而桩基结构处理软土地基工后沉降量小且承载力高，但造价比排水固结法更贵。滨海地区深厚淤泥地基中刚性结构(如钻孔灌注桩结构、PHC桩结构等)和相邻柔性结构(采用排水固结法处理的土石海堤)之间经常出现较大的差异沉降，轻则影响工程外观，重则严重影响整体结构安全，如滨海地区软土地基路面与桥台之间的差异沉降、围垦工程中土石海堤与桩基框架海堤之间的差异沉降以及海堤与软基水闸之间的差异沉降等。

李惠玲[1]、彭良泉等[2]对堤防结构与桥梁桩基之间安全影响进行了数值模拟计算研究；魏汝龙[3]、闫澍旺等[4]利用有限元软件对堆载影响下桥墩桩基沉降和水平变位进行了计算研究；王志亮等[5]利用非线性有限元法对邓肯-张本构模型中影响软基路堤沉降的参数分别进行数值敏感分析；Kousik Deb[6]通过数学建模对加筋桩网结构中桩土应力比等进行了研究，Chonglei Zhang等[7]基于相关工程案例结合实际监测资料对加筋桩网结构中“土拱效应”进行了研究。黄朝煊等[8-10]基于软土地基排水固结理论，对土石海堤中塑料排水板处理地基固结理论进行研究，给出了新的软土地基总固结度解析式。

虽然国内外专家学者及相关工程人员对地基基础中刚、柔结构之间差异沉降的不利影响已高度重视，一些处理措施和方法虽对差异沉降控制取得了一定的效果，如采用搅拌桩加固法和简支搭板结构等，但仍有不少工程出现差异沉降过大以至于导致拉裂破坏、渗漏破坏等问题，因此，本文结合我院实际工程案例，利用大型有限元软件ABAQUS分别对几种新型地基处理结构进行计算对比分析，优化比选合适的地基处理方案，为类似工程提供技术参考。

1 工程概况

某围垦工程围垦面积0.173 万hm2，为Ⅳ等工程，主要建筑物海堤长15.9 km，防潮标准为20 a一遇，其海堤地基影响深度范围内土体主要为Ⅱ层淤泥、淤泥质黏土，其厚度大，压缩性大，对工程有较大影响[11]。

某大桥及接线工程在工程区县内的路线长度19.858 km，两大工程平面存在局部交叉，大桥沿桩基框架海堤跨中上方正交穿过。

为了控制海堤对某大桥负摩擦阻力的不利影响，交叉段海堤(桩号6+402 m～6+702 m)采用桩基础混凝土框架结构，其余堤段采用土石海堤结构。

土石海堤结构见图1，堤顶防浪墙顶高程7.1 m，墙高0.8 m，堤顶高程为6.3 m。堤顶总宽6.0 m，堤身外坡自堤顶高程起以1∶0.4的C25混凝土灌砌块石挡墙至高程4.2 m宽3.5 m的消浪平台，平台以下以1∶3的斜坡到镇压层一级平台，镇压层一级平台总宽30 m，并以1∶2的斜坡顺接至涂面。土石海堤的子堤与堤身之间采用闭气土方闭气。子堤堤顶高程3.0 m宽8 m，外海侧与闭气土相接以1∶1.2的斜坡到涂面。土石海堤堤身基础以及子堤均采用C型排水插板进行地基处理，正方形布置，间距1.4 m。

图1 土石海堤结构示意(单位：m)

交叉段桩基框架海堤(桩号6+402 m～6+702 m)结构见图2，桩基框架海堤长度为300 m，其中两端各有约25m深入土石海堤的衔接段内，每隔30 m长设置伸缩缝。框架底部(即灌注桩桩顶处)沿海堤轴线方向设2根150 cm×120 cm的纵梁；沿海堤轴向每隔4 m在2根纵梁间设置1根1.0 m×1.2 m的连系梁拉结，每根联系梁上设一高3.1 m、宽0.6 m的C35横向肋板；框架外海侧设C35的80 cm厚钢筋混凝土挡墙，顶部高程7.1 m；框架内侧设C35的60 cm厚钢筋混凝土挡墙。框架下地基有较厚的淤泥层，设计采用长度为20 m短桩和32 m长桩处理，长短桩间隔布置，桩径1.0 m，短桩、长桩中心间距均为2.2 m。在桩基框架海堤的下部长短灌注桩的周围采用水泥土搅拌桩对地基进行处理，搅拌桩直径60 cm，间距50 cm，即采用满堂梅花形布置，处理深度10 m。

图2 桩基框架海堤结构示意图(单位：m)

2 有限元建模及计算

2.1 非线性本构模型

本文采用邓肯-张E-μ模型计算，该模型在工程界被普遍应用，使用简便，参数确定经验丰富，其切线弹性模量Et和泊松比vt分别表示为[12]：

(1)

(2)

(3)

对卸荷情况，弹性模量用下式计算：

(4)

式中：c为土体凝聚力；φ为土体内摩擦角；Pa为大气压力；Rf、K、n、G、F、D、Kur为模型参数，取Kur=2K；σ1、σ3分别为第1、第3主应力。

土石海堤堤身抛石料的强度采用非线性的强度公式：

φ=φ0-Δφlg (σ3/Pa)

(5)

模型计算中地基土及土石海堤材料采用邓肯-张E-μ模型，其计算模型参数见表1。对于混凝土材料采用线弹性模型，其计算模型参数见表2。

表1 三维有限元计算材料邓肯-张E-μ模型参数

表2 弹性材料模型参数

2.2 三维固结理论(Biot固结)

三维固结是指土体在外荷载下三向排水、三向变形的固结过程，由比奥(M．A．Biot)于1941年提出三维固结理论，该理论涉及土体的应力～应变特性、平衡条件、变形协调条件和水流连续条件，其基本微分方程如下：

(6)

(7)

方程(6)、(7)中包含4个未知变量pw、ux、uy、uz，它们是坐标x,y,z和时间t的函数，结合初始条件和边界条件即可解出这4个变量，其中式(6)反映出变形与渗流的耦合关系，pw均是指超静孔隙水压力，其余参数意义同上文。

2.3 衔接段地基处理方案计算比选

对刚性结构(桩基框架海堤)与柔性结构(土石海堤)之间差异沉降衔接过渡段采用3种不同技术方案对比分析[13]，其中刚柔结构衔接过渡段平面布置见图3。

方案一：采用搅拌桩由深至浅方案，即A区(靠近桩基框架海堤)采用置换率50%、深20 m的搅拌桩处理，B区采用采用置换率33%、深15 m的搅拌桩处理，其余C、D、E区则均采用置换率23%、深10 m的搅拌桩处理(见图3)。

方案二：采用等深度不同置换率的搅拌桩方案，即A区(靠近桩基框架海堤)采用置换率50%、深10 m的搅拌桩处理，B区采用采用置换率35%、深10 m的搅拌桩处理，其余C、D、E区则均采用置换率25%、深10 m的搅拌桩处理(见图3)。

方案三：采用加筋桩网结合搅拌桩方案，即A区(靠近桩基框架海堤)采用桩径0.8 m深30 m的钻孔灌注桩(中心间距4 m)处理，并在其上铺设1 m厚碎石垫层+双向土工格栅加筋(20 t/m)，其余B、C、D、E区则均采用置换率25%、深10 m的搅拌桩处理(见图3)。

通过以上3种地基处理技术方案投资对比分析，认为方案一投资比方案二、方案三投资稍贵，而方案二、方案三投资基本一致。

图3 刚柔结构衔接过渡段地基处理分区

2.4 网格划分及加载计算

依据海堤结构及地质资料建立大型三维有限元模型，混凝土钻孔灌注桩为划分网格方便，按面积相等和惯性矩相等的原则在平面上等价为厚1.2 m的矩形单元；有限元模型共划分143 602 个结点，153 119个单元，其中整体三维有限元网格见图4，桩基框架海堤上部框架肋板结构网格划分见图5，刚柔结构衔接过渡段地基处理结构区网格划分见图6。

图4 三维有限元网格

图5 桩基框架海堤三维有限元网格

图6 方案一衔接过渡段地基处理区三维有限元网格

桩基框架海堤施工流程按下述顺序：先搅拌桩基础 →灌注桩 →上部梁板结构 →土方回填，计划总工期10个月，相邻工序之间的间隔时间为1个月。

土石海堤施工与桩基框架海堤施工同步进行，土石海堤计划总工期12个月，其土石方具体加载过程见图7。

图7 土石海堤加载曲线

三维有限元计算按上述施工工序模拟海堤施工。通过有限元软件中生死单元的用法，即在INP输入文件中使用语句*MODEL CHANGE，REMOVE，TYPE = ELEMENT和*MODEL CHANGE，ADD，TYPE = ELEMENT来实现桩基施工及海堤的分层填筑过程。土体的力学特性通过采用邓肯-张E-μ模型来模拟，渗透采用Forchheimer渗透定律模拟。在INP输入文件中采用*Soils，Consolidation分析步来实现三维固结有限元的计算[14]。

3 计算成果分析

利用大型有限元软件分别对3种不同的刚柔结构之间衔接段布置结构进行计算，其中3种不同方案下刚柔结构沉降变位成果见表3，其伸缩缝及止水部位的差异变位成果见表4。

表3 不同方案下海堤沉降值 cm

表4 不同方案下刚柔衔接段差异变位 cm

表3成果表明，刚柔结构衔接过渡段地基处理采用方案二时，土石海堤完建10 a时工后沉降量为52.60 cm，比海堤完建20 a时仅小2.8 cm，说明海堤完建10 a时地基固结已经基本完成。

从地基处理的效果看，框架端部附近的过渡段的A区采用灌注桩处理的方案三比搅拌桩处理的方案一、方案二对减小框架端部工后沉降效果更好，海堤完工20 a时方案三桩基框架海堤靠近土石堤侧端部最大工后沉降16.02 cm，比方案二中最大工后沉降19.90 cm减小了3.88 cm，比方案一中最大工后沉降20.04 cm减小4.02 cm。由图8可知，采用方案三后，桩基框架海堤与土石海堤之间的沉降差过渡更平顺，即桩基框架海堤端部沉降量减小。

图8 方案二、三海堤沿轴线工后沉降对比

表4给出了各方案下沿海堤顶轴线桩基框架海堤靠近A区处与土石海堤抛石段接触缝两侧，在桩基框架海堤施工完成10 a时的工后变形和变形差，其中方案三中缝间两侧差异沉降值仅0.07 cm，比方案一中缝间两侧差异沉降值0.12 cm、方案二中缝间两侧差异沉降值0.26 cm均要小，从工后位移和位移差看，方案三优于方案一和方案二。采用方案三时桩基框架海堤整体完整性较好，其伸缩缝、止水材料均未被拉坏，因此从工后沉降、沉降差以及投资优化等方面综合考虑，方案三最优，推荐方案三----加筋桩网结合搅拌桩处理方案。

采用方案三时，土石海堤、衔接过渡段以及桩基框架海堤在工后10 a时的沉降分区云图见图9，其中桩基框架海堤在工后10 a时的位移矢量图见图10。由图9、图10可知，虽然采用方案三时，土石海堤沉降负摩擦阻力 “下拉效应”对桩基框架海堤的不利影响有所削弱，但仍有一定影响，因此桩基框架海堤整体呈现两端沉降大中间沉降小的变化趋势。

图9 方案三海堤完工10 a时工后沉降云图

图10 方案三桩基框架海堤10 a工后位移矢量图

4 实际沉降监测及分析

工程施工加载过程中，需要对交叉段桩基框架海堤结构的实际沉降进行跟踪监测，其中桩基框架海堤靠近土石海堤端头部的沉降曲线见图11。

通过实际沉降监测资料显示(见图11)，桩基框架海堤靠近土石海堤端的实测沉降最大值为14.73 cm，比有限元模拟计算值稍大，但衔接段差异沉降控制基本满足设计要求，其伸缩缝、止水材料均基本完好无损，达到预期设计效果。

图11 桩基框架海堤端部(靠近A区)沉降曲线

5 结论与建议

本文依托于某工程案例，对滨海地区深厚淤泥地基基础中刚、柔性结构差异沉降优化控制问题进行了探讨，对刚柔结构衔接段分别采用3种不同处理方案，基于大型有限元软件计算对比分析，得出主要结论如下。

(1) 依托于相关工程案例，对与桥梁交叉段海堤采用刚性结构(桩基框架海堤)，以保证桥梁结构安全。但海堤工程自身刚柔结构差异沉降控制问题需慎重考虑，基于此本文对刚性桩基海堤结构与柔性土石海堤结构之间采用新型地基处理结构过渡衔接。

(2) 利用大型有限元计算软件，对刚柔结构衔接过渡段采用3种不同地基处理方案，对抛石体、地基土等采用邓肯-张E-μ模型，对于混凝土材料采用线弹性模型，结合比奥三维固结理论，对土石海堤、衔接过渡段及桩基框架海堤等整体有限元建模计算分析，并分别给出了衔接段3种不同地基处理方案下的沉降、分缝处的差异变位等成果。

(3) 根据不同方案下的有限元计算成果， 表明方案三中桩基框架海堤端部(A区附近)工后20 a时最大工后沉降为16.02 cm，分别比方案一、方案二中工后沉降减小4.02、3.88 cm。其中方案三中缝间两侧差异沉降值仅0.07 cm，分别比方案一、方案二中缝间两侧差异沉降值减少0.05、0.19 cm。从工后位移和位移差看，方案三均优于方案一和方案二，采用方案三时桩基框架海堤整体完整性较好，其伸缩缝、止水材料均未被拉坏。因此从工后沉降、沉降差以及投资优化等方面综合考虑，方案三优于方案一和方案二，推荐方案三——加筋桩网结合搅拌桩处理方案。最后通过实际工程监测资料，表明采用方案三设计达到预期差异沉降控制效果。

值得说明的是，关于加筋桩网的桩径、布置间距以及桩顶小承台等参数仍值得进一步深入优化研究，以便于加筋桩网方案在刚柔结构差异沉降控制中应用推广。