吳懷娜，馬慶雷，孟凡衍?，朱云祥，屠鋒，劉騏煒

（1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007）

我國東南沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，近年來建設(shè)了大量的變電站以應(yīng)對日益增長的電力需求.然而，沿海地區(qū)廣泛分布著軟土地層，土體具有“三高三低”的顯著特點(diǎn)，即高含水量、高壓縮性、高靈敏度、低密度、低強(qiáng)度、低滲透性[1-2]，一旦發(fā)生擾動(dòng)，地基極易產(chǎn)生較大整體沉降和不均勻沉降，導(dǎo)致上方建筑結(jié)構(gòu)變形，嚴(yán)重影響電力設(shè)備運(yùn)行.因此，變電站建設(shè)之初進(jìn)行合理的地基處理極為重要.

托板樁是一種有效的軟基處理方法，它利用了承載能力較大的樁體分擔(dān)上覆荷載，減小了土體壓縮，達(dá)到減小地基沉降的效果.托板樁與加筋體的聯(lián)合應(yīng)用，又利用加筋體的提拉作用進(jìn)一步減小了樁間土壓力和壓縮量，從而減小了樁與樁間土的差異沉降，這種方法在公路、鐵路建設(shè)上得到廣泛的應(yīng)用和研究[3-8]，工程中稱之為樁承式加筋路堤.陳仁朋等[9]將單樁處理范圍及上部路堤等效為圓柱體，用有限元法研究了瞬時(shí)加載后地基中超靜孔隙水壓力、路堤沉降、樁體荷載分擔(dān)比等隨時(shí)間的變化規(guī)律和土工格柵的受力特性，并分析了樁長、樁間距及樁托板大小對樁體荷載分擔(dān)比和路堤沉降的影響.樁體荷載分擔(dān)比能直觀地反映土拱效應(yīng)，對研究托板樁及地基土的受力特性有重要作用，Hewlett 等[10]、EBGEO[11]、CUR 226[12]、Chen 等[13]是樁體荷載分擔(dān)比的4 種計(jì)算方法，其中Chen 等是針對一維路堤荷載情況，考慮了填土、樁托板、樁、地基土的相互作用所提出的一種解析方法.除了公路、鐵路的地基處理上，托板樁法還被應(yīng)用在其他工程建設(shè)中.戴洪軍等[14]在圓形煤場的地基處理方案中同樣使用了樁托板和土工格柵，并對該煤場進(jìn)行了原體試驗(yàn)研究，分析了逐級加荷下樁土應(yīng)力、應(yīng)變、樁身軸力等變化情況，但未對這些關(guān)鍵參數(shù)隨固結(jié)時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行研究.

本文以浙江某500 kV 變電站為工程背景，通過現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值分析研究了灘涂極軟地基上托板樁的工作特性，得到了地基土沉降、土壓力、超孔壓、樁體荷載分擔(dān)比、土工格柵拉力、樁身軸力在填筑和固結(jié)階段隨填高和固結(jié)時(shí)間的變化規(guī)律.

1 工程地質(zhì)概況

1.1 變電站場地地質(zhì)條件

某500 kV 變電站位于杭州灣南岸出?？?，屬濱海相淤積海灘圍墾區(qū).土層分布及其各層土物理力學(xué)參數(shù)如圖1 所示.場地自上而下分布有淤泥、黏質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂.由圖1 可知，此灘涂地區(qū)地基土性質(zhì)極差，孔隙率、壓縮性較大，擬采用托板樁法對地基進(jìn)行加固處理.

1.2 地基加固設(shè)計(jì)及監(jiān)測布置

圖2 為場地平面及傳感器布置示意圖.托板樁采用預(yù)制混凝土管樁（PHC），邊坡區(qū)域采用PHCAB400 （AB 型直徑400 mm 的預(yù)制混凝土管樁），壁厚95 mm，樁長28 m，樁端位于粉質(zhì)黏土層，極限承載力為3 000 kN；其余區(qū)域采用PHC-AB500，壁厚125 mm，樁長36 m，樁端位于粉細(xì)砂層，極限承載力為4 000 kN.托板尺寸為1.8 m×1.8 m×0.5 m.正方形布樁，間距為3 m.托板上方0.1 m、0.2 m 分別布置一層土工格柵，格柵強(qiáng)度為83 kN/m，最大允許應(yīng)變5%.

圖1 土層物理力學(xué)指標(biāo)Fig.1 Physical mechanics indices of each soil layer

圖2 場地平面及傳感器布置示意圖Fig.2 Layout of the site and sensors

場地填土頂寬18 m，邊坡坡比（V ∶H）為1 ∶2（V為豎直向，H 為水平向），高3.25 m，分20 d 填筑完成，施工進(jìn)程見圖3.填土由碎石（占60%）和黏性土、中細(xì)砂組成，黏聚力為1 kPa，內(nèi)摩擦角為35°，重度為22 kN/m3.

圖3 場地填土施工Fig.3 Construction process of the site

為研究托板樁的工作性狀及驗(yàn)證現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法，現(xiàn)場布設(shè)了沉降板和土壓力盒.如圖2 所示，沉降板S1、S3 分別布置在樁A、樁B 的托板上表面，S2沉降板布置在樁間土中間；4 個(gè)土壓力盒P1～P4 布置在樁C 的托板上表面，分別位于托板中心、1/4 處、邊緣和樁間土中間，土壓力盒及沉降板均在場地填土前布設(shè)完畢.采用測斜儀測量埋設(shè)在放坡坡腳處的測斜管，觀測坡腳附近土體的水平位移.

2 有限元模擬

2.1 模型邊界及網(wǎng)格劃分

圖4 有限元網(wǎng)格及邊界條件Fig.4 FEM mesh and boundary conditions

本研究托板樁法處理地基的填筑為三維問題，考慮到三維建模的復(fù)雜性，為簡化計(jì)算，采用Plaxis 2D 有限元軟件建立了二維平面應(yīng)變模型.模型中填土和托板樁的設(shè)計(jì)與實(shí)際幾何尺寸相同，有限元網(wǎng)格劃分見圖4.為盡量減小模型邊界的影響，分析寬度取100 m，相當(dāng)于場地邊長的3 倍；最深樁端位于地下36 m，模型深度為77.4 m，大于最深樁端的2倍.地下水位設(shè)為地基表面（y=0），靜水壓力隨深度線性增加.模型底面下設(shè)為剛性不透水層，即模型底面（y=-77.4 m）豎向位移限定為0，且不允許水排出.將模型左邊界（x=0）和右邊界（x=100 m）橫向位移限定為0，滲流邊界條件均設(shè)為不排水.

2.2 模型參數(shù)

前四層地基土（淤泥、黏質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土）采用修正劍橋模型（Modified Cam Clay，MCC）.填土及其余地基土（粉細(xì)砂、砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土和細(xì)砂） 采用摩爾-庫侖模型（Mohr-Coulomb，MC）.土層參數(shù)均根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)反演獲得，見表1.樁體及托板采用線彈性模型，彈性模量E 取30 GPa，泊松比ν 取0.2.土工格柵采用線彈性模型，抗拉剛度取1 660 kN/m.

2.3 模型正確性驗(yàn)證

圖5、圖6 分別為地表沉降和樁頂土壓力的實(shí)測與模擬值的比較.由圖5 可知，填筑前期樁間土（S2）與樁頂（S1、S3）沉降差異較小，隨著填筑高度和固結(jié)時(shí)間的增加，樁間土沉降大輻增加，樁頂沉降幾乎不變，200 d 后樁間土沉降達(dá)到36 mm，樁頂沉降僅有6 mm.由圖6 可知，填筑期樁頂土壓力（P1、P2、P3）隨填高快速增加，樁間土壓力（P4）在填筑初期隨填高而增加，填高達(dá)到一定高度后減??；固結(jié)期間樁頂土壓力小幅增加后趨于穩(wěn)定，樁間土壓力小幅減小后趨于穩(wěn)定.此結(jié)果表明在填筑階段，差異沉降對土拱效應(yīng)影響較大，隨著差異沉降的不斷增加，填土內(nèi)產(chǎn)生的土拱效應(yīng)越來越明顯，不斷將填土荷載傳遞到樁體，樁間土只承擔(dān)小部分荷載；之后隨著固結(jié)時(shí)間增加，沉降及樁土差異沉降均有所發(fā)展，土拱效應(yīng)達(dá)到極限狀態(tài)，差異沉降對土拱效應(yīng)的影響減弱，樁頂與樁間土壓力趨于穩(wěn)定.

表1 有限元模型參數(shù)Tab.1 Constitutive parameters of soils in the FE model

圖5 地表沉降的實(shí)測與模擬值Fig.5 Measured and computed ground settlements

圖6 樁頂土壓力的實(shí)測與模擬值Fig.6 Measured and computed earth pressures

從圖5、圖6 中可以發(fā)現(xiàn)，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合度較好，表現(xiàn)出的托板樁的受力、變形特性與Chen 等人[15]的實(shí)測結(jié)果基本一致.雖然本研究模型將三維問題考慮為二維平面應(yīng)變問題，可能導(dǎo)致計(jì)算沉降量偏大，但由于填筑面積大、高度小，監(jiān)測點(diǎn)位于填筑區(qū)域中心位置，因此二維計(jì)算引起的誤差可以忽略.數(shù)值模型及所選土層參數(shù)可以認(rèn)為是正確合理的.

3 托板樁工作特性分析

3.1 超靜孔隙水壓力分布

在模型中選取樁A、樁B 之間分別為-11.2 m、-25.4 m、-33.4 m、-39.8 m、-46.3 m、-60.0 m 處為監(jiān)測點(diǎn)，得到不同時(shí)間、不同深度的超靜孔隙水壓力（超孔壓）.由圖7 可知，填筑期間-39.8 m 處超靜孔隙水壓力增長幅度最大，并且向上下兩個(gè)方向遞減；填筑完成后，-39.8 m 處超孔壓消散速度最快，其次是-46.3 m、-33.4 m、-60.0 m，而-25.4 m、-11.2 m 處超孔壓小幅增加，在200 d 時(shí)超孔壓穩(wěn)定，形成沿深度逐漸增大的分布狀態(tài).超靜孔隙水壓力的變化過程表明：填筑過程中，土拱效應(yīng)將大部分上覆荷載傳遞至樁上，進(jìn)而通過樁體傳遞至樁端持力層，導(dǎo)致持力層超孔壓大幅增加，且深層土體超孔壓普遍大于淺層土體超孔壓，形成由下而上的滲流，所以填筑完成后深層土體超孔壓逐漸消散而淺層土體超孔壓略有增加，最終由于水的自重，超孔壓呈沿深度遞增的分布規(guī)律.因此，在用托板樁法處理灘涂極軟地基時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程沉降要求慎重選擇樁端持力層.若持力層為軟土，則在工程填筑完成后，持力層的固結(jié)將會(huì)導(dǎo)致較大的基礎(chǔ)整體沉降.

3.2 填土內(nèi)土壓力及樁體荷載分擔(dān)比

在模型中選取10 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，如圖2 所示.P1～P4與現(xiàn)場土壓力盒布置點(diǎn)一致，在P2、P4 正上方選取P5～P10 監(jiān)測點(diǎn)，其中P5、P6 在上層格柵處（樁頂上0.2 m），P7、P8 在樁頂上1 m 處，P9、P10 在樁頂上2 m 處.通過P1、P2、P3、P5、P7、P9 計(jì)算樁頂土壓力，將P4、P6、P8、P10 作為樁間土壓力，繪制不同時(shí)間填土內(nèi)部土壓力沿填土高度的分布曲線，如圖8 所示.為便于分析，筆者將填土自重也繪于圖中.結(jié)合圖6 可知，在填筑前期樁頂與樁間土壓力差距很小，隨著填高和固結(jié)時(shí)間的增加，差距逐漸增大；但在圖8（e）與8（f）的比較中發(fā)現(xiàn)，隨著固結(jié)時(shí)間繼續(xù)增長，樁頂土壓力略有減小而樁間土壓力略有上升.這一特性與Iglesia 等[16]的離心模型試驗(yàn)和Han 等人[17]的縮尺模型試驗(yàn)結(jié)果相一致，即在填筑和固結(jié)初期，土拱效應(yīng)隨差異沉降的增加而逐漸增強(qiáng)，隨著固結(jié)時(shí)間的進(jìn)行，差異沉降逐漸增大，土拱效應(yīng)隨差異沉降的增加逐漸減弱，此現(xiàn)象的機(jī)理仍需進(jìn)一步研究.圖8 還顯示，填土內(nèi)部土壓力沿高度增大方向逐漸逼近填土的自重應(yīng)力，說明土拱效應(yīng)有一定的作用范圍，傳遞荷載的能力沿高度增大方向逐漸減弱.

圖7 超靜孔隙水壓力隨時(shí)間的變化曲線Fig.7 Evolution of excess pore water pressure with time

通過樁頂土壓力計(jì)算樁體承擔(dān)的荷載，除以上覆荷載得到樁體荷載分擔(dān)比，圖9 給出了用模擬和實(shí)測土壓力計(jì)算出的樁體荷載分擔(dān)比，以及用Hewlett 等[10]、EBGEO[11]、CUR 226[12]、Chen 等[13]4 種計(jì)算方法得到的結(jié)果.由圖9 可知，在75 d 時(shí)，實(shí)測樁土荷載分擔(dān)比有一定幅度的增加，而模擬值已經(jīng)趨于穩(wěn)定，結(jié)合圖5 和2.3 節(jié)對地表沉降的分析，模擬與實(shí)測樁體荷載分擔(dān)比的差異是由于實(shí)際工程中75 d 前樁土差異沉降較小，土拱效應(yīng)不明顯，樁間土承擔(dān)了較大荷載并產(chǎn)生較大壓縮，使樁土差異沉降增大，土拱效應(yīng)將上覆荷載傳遞至樁體，樁體荷載分擔(dān)比隨即增大.由圖9 可知，實(shí)測的樁體荷載分擔(dān)比在填筑階段迅速增大，填筑完成時(shí)達(dá)到了72%，然后隨固結(jié)時(shí)間先逐漸增大至83%后略微減小，200 d 時(shí)樁體荷載分擔(dān)比為80.4%.其中Chen 等[13]的計(jì)算結(jié)果（81.7%）與最終實(shí)測荷載分擔(dān)比吻合度較高，EBGEO（84.4%）與CUR 226（86.6%）偏大，而Hewlett等（78.3%）略微偏小.

中西方科學(xué)模式的差異來自思維方式的差異。我國傳統(tǒng)哲學(xué)的整體思維方式基于“有機(jī)論”的觀點(diǎn)，即把自然界看成各部分相互關(guān)聯(lián)的有機(jī)整體，最典型的代表就是中醫(yī)學(xué)。中醫(yī)學(xué)理論是建立在整體觀基礎(chǔ)上的整體論模式。其實(shí)，與中國古典哲學(xué)相類似，希臘早期也是整體論哲學(xué)。比如講萬物起源，中國有所謂陰陽、五行，希臘則有水、火、土、氣和以太。但是，進(jìn)入近代初期，歐洲出現(xiàn)了揚(yáng)棄整體論的，以分解分析為特征的“新哲學(xué)”，哲學(xué)史上稱之為“哲學(xué)革命”。中國近代則未發(fā)生類似的哲學(xué)革命。

圖8 填土內(nèi)部土壓力沿高度的分布曲線Fig.8 Evolution of internal earth pressure of soil fill along the height

圖9 樁體荷載分擔(dān)比與規(guī)范值比較Fig.9 Pile load sharing ratios calculated by criterions and measured results

3.3 沉降發(fā)展規(guī)律及其組成

在模型中取樁A、樁B 的樁頂、樁底及樁間土共6 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)（S1～S6），得到沉降隨時(shí)間的變化曲線，如圖10 所示.由圖10 可知，填筑期間S1、S3、S4、S6沉降隨填高增加而不斷增大，填筑完成后小幅增加并趨于穩(wěn)定；200 d 時(shí)S1、S3 沉降約6 mm，S4、S6 沉降約5 mm，S5 與S4（S6）沉降差約為0.5 mm.說明隨著填高和固結(jié)時(shí)間的增加，樁間土與樁頂差異沉降不斷增大，土拱效應(yīng)和拉膜效應(yīng)不斷將上覆荷載通過樁體傳遞到樁端持力層，導(dǎo)致下臥層被壓縮；200 d 時(shí)，樁頂與樁底的沉降差為1 mm，即樁體壓縮變形，S5 與S4（S6）的沉降差是樁端刺入持力層的位移，為0.5 mm.樁頂沉降由下臥層沉降、樁端刺入持力層的位移、樁體自身壓縮組成.

圖10 沉降隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Evolution of settlement with time

在模型中取樁A 的樁頂（S1）、樁底（S4）、正上方填土頂（S7）3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，得到沉降沿深度的變化曲線，如圖11 所示.由圖11 可知，填筑完成后，S7 沉降隨固結(jié)時(shí)間增加而增大，200 d 后穩(wěn)定在22 mm，樁底和樁頂?shù)某两祫t小于7 mm.說明樁體正上方填土頂?shù)某两凳怯商钔磷冃魏蜆俄敵两到M成，其中填土變形占主要部分.此結(jié)果表明，在灘涂極軟地基的處理過程中，填土材料對后期沉降特性存在較大的影響，對于沉降要求嚴(yán)格的工程，應(yīng)采用級配良好的填料，并且嚴(yán)格控制填筑密實(shí)度.

圖11 沉降沿深度變化曲線Fig.11 Evolution of settlement along the depth

3.4 格柵拉力及樁身軸力變化過程

以樁A 附近土工格柵為研究對象，繪制不同時(shí)間的格柵拉力分布圖，如圖12 所示.由圖12 可知，托板邊緣格柵拉力較大，樁間格柵拉力較小，沿地基土呈倒三角分布，與現(xiàn)有研究[18-19]一致；格柵拉力隨填高的增加而增大，最大格柵拉力約為4 kN/m，僅為土工格柵抗拉強(qiáng)度（83 kN/m）的5%左右.說明土工格柵傳遞荷載的能力有限，所以土拱效應(yīng)是使荷載向樁頂傳遞的主要原因.

以樁A 為研究對象，繪制不同時(shí)間樁身軸力沿深度的變化曲線，如圖13 所示.由圖13 可知，樁側(cè)摩阻力自上而下呈現(xiàn)了明顯的3 個(gè)區(qū)段，即負(fù)摩阻力區(qū)、負(fù)正摩阻力過渡區(qū)和正摩阻力區(qū).樁身軸力沿深度先增大后減小，呈中間大兩頭小的分布狀態(tài).隨著填高的增加，中性點(diǎn)位置基本不發(fā)生變化，各個(gè)深度的樁身軸力逐漸增大；填筑完成后，隨著固結(jié)時(shí)間繼續(xù)增加，中性點(diǎn)逐漸上移，中性點(diǎn)以下樁身軸力略微減小，中性點(diǎn)以上樁身軸力先增大后基本不變.根據(jù)樁端軸力與樁頂軸力得出：在填筑及固結(jié)期間，樁端阻力與樁側(cè)摩阻力分別承擔(dān)樁體所受荷載的30%和70%.這一現(xiàn)象說明：填筑初期，淺層地基土沉降大于樁體沉降，因此樁體產(chǎn)生負(fù)摩阻，樁身軸力在這個(gè)淺層地基土區(qū)域（即負(fù)摩阻區(qū)）沿深度增大；在填筑后期及固結(jié)初期，負(fù)摩阻區(qū)存在于淤泥、黏質(zhì)粉土和小部分淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，隨著土拱效應(yīng)不斷將荷載傳遞到樁體，樁體變形逐漸增加，負(fù)摩阻區(qū)逐漸減小，樁身軸力也因負(fù)摩阻力減小而略有減小，到固結(jié)后期，負(fù)摩阻區(qū)僅存在于淤泥和黏質(zhì)粉土層中.

圖12 樁A 附近土工格柵拉力分布Fig.12 Tension of geogrid over pile A

圖13 樁A 軸力沿深度的變化曲線Fig.13 Axial force of pile A along the depth

3.5 地基土水平位移

參照實(shí)際水平位移觀測點(diǎn)的布置，在模型中的邊坡坡腳設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，得到下方0.5 m、1.5 m、2.5 m、3.5 m、4.5 m 處不同時(shí)期的地基土水平位移，與實(shí)測結(jié)果一同繪制圖14.由圖14 可知，堆載加荷使土體壓縮向外側(cè)向變形，填土期間水平位移隨填土高度的增加而增大，實(shí)測水平位移最大不超過3 mm，模擬結(jié)果偏保守，最大位移不超過5 mm；填筑完成后測斜管被損壞，根據(jù)模擬結(jié)果，固結(jié)期間地基土水平位移逐漸恢復(fù)，固結(jié)200 d 時(shí)，最大水平位移為2.5 mm，這是由于固結(jié)期間樁間土承擔(dān)的荷載向樁體轉(zhuǎn)移，對于樁間土相當(dāng)于卸載，在側(cè)向土壓力的作用下水平位移逐漸減小.實(shí)測水平位移沿深度出現(xiàn)波動(dòng)，但總體呈現(xiàn)隨深度增加而減小的趨勢.

圖14 地基土水平位移沿深度的變化曲線Fig.14 Horizontal displacement of foundation soil along the depth

4 結(jié)論

本文建立了二維平面應(yīng)變模型輔助研究托板樁的工作特性.首先進(jìn)行了模型的正確性驗(yàn)證，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，該有限元模型計(jì)算值與實(shí)測的樁頂沉降、土壓力值能較好地吻合，說明該模型選取的參數(shù)是合理的；然后分析了托板樁處理灘涂極軟地基的幾個(gè)重要特性，總結(jié)如下：

2）在填筑期和固結(jié)期內(nèi)，樁頂土壓力逐漸增大后趨于穩(wěn)定，樁間土壓力先增大后減小并趨于穩(wěn)定，樁頂土壓力始終大于樁間土壓力；固結(jié)后期隨著時(shí)間繼續(xù)增加，樁頂土壓力略有減小而樁間土壓力略有增大.樁體荷載分擔(dān)比在填筑期間迅速增大，填筑完成時(shí)約為70%，在固結(jié)期間先增大后趨于穩(wěn)定，隨著固結(jié)時(shí)間繼續(xù)增加，樁體荷載分擔(dān)比略微減小，最終在80%左右；Chen 等[13]的計(jì)算結(jié)果與200 d 后的荷載分擔(dān)比吻合度較高.

3）樁體上方填土頂?shù)某两涤商钔磷冃魏蜆俄敵两到M成，其中填土變形占主要部分，改善填土級配、提高壓實(shí)度可有效減小填土頂?shù)某两担粯俄敵两涤上屡P層沉降、樁體壓縮和樁端刺入下臥層的位移組成.

4）土工格柵傳遞荷載的能力有限，土拱效應(yīng)是荷載更多向樁頂傳遞的主要原因.由于淺層土體對樁體的負(fù)摩阻，樁身軸力沿深度先增大后減??；樁身軸力隨填高增加而迅速增大，填筑完成后趨于穩(wěn)定并隨負(fù)摩阻區(qū)的減小而略有減小.

5）托板樁法可有效控制地基土水平位移，填土完成時(shí)水平位移最大，且未超過3 mm.