滩涂促淤对围垦区内超长桩影响的三维模型分析

卫乾 ，陈吉森

(1.杭州市勘测设计研究院，浙江 杭州 310012; 2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024)

1 引 言

随着经济发展，我国沿海地区滩涂围垦工程不断兴起，垦区内桥梁桩基础位于深厚的软弱土层中，促淤、堆填造地及桥梁附近的大型建筑物荷载等导致的桩周土体固结、沉降等将直接导致桥梁基础的沉降和变位，上部结构的受力状况也将发生相应的变化，若处理不当将会影响桥梁结构整体安全［1］。因此，有必要对此类位于软土地基上，并在使用过程中地质环境发生变化的桥梁基础的整体安全性进行研究和论证，为设计提供科学可靠的依据［2］。

由于现场试验费用高、耗时久，解析算法在考虑实际工程中复杂的工况和地层条件时又受到限制，而有限元法不仅能解决上述问题，还可以考虑土体非线性本构关系及复杂的接触条件和边界条件，因此有限元法相对于上述方法更有利［3］。本文采用有限元软件ABAQUS 对促淤环境作用下桩周土固结沉降和桩侧摩阻力变化规律进行建模并做了分析。

2 有限元计算模型

2.1 工程背景

以尚处在设计规划阶段的浙江沿海高速公路某跨海大桥为例，工程区为海岸滩涂，属围垦区;表层为软塑的亚粘土，厚度 1.5 m ～3.0 m。上部为软土，厚度可达5 m ～33 m，主要为淤泥和淤泥质粘土，性质较差，中部主要为厚层的亚粘土和粘土，硬塑与软塑交替出现，下部为硬塑的粘性土和砾石、卵石层。基础形式均为2×2 大直径钻孔灌注桩承台基础。

2.2 有限元模型建立

模型桩基视为线弹性体，桩径为 2 m，桩心距n=6.8 m，跨径m=30 m，桩长为88.6 m，桩顶无约束且出露地表 20 m。单桩桩顶设计荷载值Q=4 700 kN。桩基与淤泥质粘土、粘土和亚粘土、圆砾和粉砂的摩擦系数分别设为0.1、0.3、0.5，计算参数见表1所示。土层和桩基均采用六面体八节点实体单元离散，土层计算范围取水平表面长宽各200 m，深 100 m 进行计算，在桩顶施加最大设计荷载4 700 kN 的压力。网格模型的4 个土层侧面边界采用水平约束，底面边界采用固定约束。根据工程区附近区域滩涂面变化监测数据，计算模型促淤荷载假定为5年3.35 m，促淤土体密度为 1 720 kg/m3，计算模型如图1所示。

图1 有限元计算模型图

2.2 有限元计算的基本假定

模型计算假设符合以下条件［4］:①孔隙水的流动符合达西定律，即水、土为流固耦合体;②计算过程中采用比奥固结理论，水体不可压缩;③土体的渗透系数随土体孔隙比线性变化，考虑了土体渗透系数在不同方向的差异;④桩周土体完全饱和;⑤桩体及圆砾石层为线弹性本构关系;土体本构模型采用Mohr－Coulomb弹塑性模型;⑥桩土接触面采用主从接触面之间的“硬接触”，不考虑桩土接触面的渗流作用。

表1 桩、土参数

3 模型计算结果分析

3.1 沉降位移场分析

图2为桩周土沉降分布情况，从图上可以看出在促淤条件下，190 d 以前地表沉降量很小，在190 d 以后沉降量的增长变得明显。土层沉降分布情况如下:5年后淤积厚度为 3.35 m 时，最终沉降量最大处为地表，为 21.6 cm，粘土层次之，其顶面最终沉降量为7.71 cm。而圆砾层受到的影响为最小，其顶面最终沉降量为0.76 cm。

图2 基础土层分层沉降－时间关系

桩周土固结沉降对基桩产生下拉荷载使得基桩发生沉降，促淤初期桩顶无明显的位移，190 d 位移开始明显增长，1 825 d 后桩顶最大位移为3.519 mm。

3.2 基础孔隙水压力情况分析

图3反映的是不同深度孔压随着时间的变化曲线。从图上可以看出孔压随着深度的增加而逐渐增大。因为透水面设在土体的顶面，土层距离透水面越近，该土层孔隙水渗透的速度越快，土层的孔压增加值也越小。最大孔压发生在②粘土层，1 825 d 后最终孔压为31.34 kPa。在附加应力的作用下，有效应力和孔隙水压力同时增加，两者之和等于附加应力值。

图3 基础不同深度超静孔压－时间关系

3.3 桩身侧摩阻力情况分析

图4为不同时间桩侧摩阻力随深度变化曲线。从图中可以看出因桩周土体固结沉降在桩的上部产生下拉荷载(即负摩阻力)，并且随固结过程增大，负摩阻力范围和数值也随之增大。同时桩身中性点位置也不断向下移动，如图5所示。在1 825 d 以后，中性点位置在深度59 m 左右。桩侧负摩阻力和正摩阻力最大值分别出现在 40.6 m 和 64.9 m 埋深处，达到了8.6 kPa 和6.8 kPa。荷载引起的最大桩侧负摩阻力为1 400 kN 左右，最大桩侧正摩阻力为 1 100 kN左右，表明中性点以下的土体提供的正摩阻力并不足以抵消中性点以上的负摩阻力，因此还需由桩端持力层提供一部分反力支持。降低了桩基的承载力。

图4 桩身侧摩阻力分布－时间关系

图5 桩身中性点位置－时间关系

4 结 论

(1)桩基穿过深厚软弱淤泥层时，滩涂促淤围垦工程将对桩基础产生影响。促淤条件下单位桩侧摩阻力变化值不大，但是大直径超长桩与地基土接触面积很大，计算工况中最大负摩阻力达到了1 400 kN 左右，虽然可由下部桩侧正摩阻力和桩端反力抵消，但是降低了桩基的承载力，在实际工程中需考虑这方面的影响。

(2)由于促淤引起桩土之间的相对位移，导致出现中性点，中性点的位置随着促淤时间的增长而逐渐下移，变化范围在30 m ～60 m 之间，范围较大。

(3)模型只模拟了促淤工况下对桥梁桩基础的影响，而实际上，围垦工程后续的围区造地堆填、基础处理及周边大型建筑物建设都将产生更大的附加荷载，势必对桥梁基础产生更大的影响。因而滩涂围垦对桩土作用的影响不容忽视，另外模型并未包含上部桥梁结构，因此只能作出受拉或受压的状态判断，无法给出实际数值，值得进一步研究。

［1］吴继敏，魏继红，孙少锐．沿海围垦区建筑荷载下邻近超长桩三维模型［J］．工程地质计算机应用，2009(1) ．

［2］魏继红．大直径灌注桩荷载传递机理及数值模拟研究［D］．河海大学，2008．

［3］聂如松，冷伍明．软土地区桥台桩基负摩阻力试验研究［J］．岩土工程学报，2005(6) : 642 ～645．

［4］陈福全，杨敏．地面堆载作用下邻近桩基性状的数值分析［J］．岩土工程学报，2005，27(11) : 1286 ～1290．

［5］黄泽珍．软土地基上大面积堆载下桥梁桩基负摩阻力分析［J］．公路交通技术，2004(3) :55 ～57．