林彬彬，上官東來，馮英駿

（1、珠海市規(guī)劃設計研究院 廣東珠海 519000；2、珠海航空城工程建設有限公司 廣東珠海 519000）

0 引言

珠海作為海濱城市，濱海相沉積軟土廣泛分布，約占珠海陸地總面積的50%～60%，地基土呈現(xiàn)出低承載力、大沉降量、沉降穩(wěn)定所需時間長等特點［1-2］。位于濱海吹填土地區(qū)的道路工程，其力學性質(zhì)較為特殊，采用素混凝土樁對地基進行加固是一種常用的做法［3-5］。復合地基受到車輛循環(huán)反復荷載作用，近年來對動載作用下復合地基進行了一定程度的研究，如劉杰等人［6］通過室內(nèi)模型試驗，研究了循環(huán)應力比和循環(huán)次數(shù)對圓柱形樁和楔形樁兩種群樁復合地基的樁-土應力比、永久沉降的作用規(guī)律以及樁土應力比隨加載次數(shù)的規(guī)律；李西斌等人［7］采用有限元方法研究在高速列車荷載作用下樁承式加筋路堤的應力變化規(guī)律，分析了路堤各部分的應力和沉降以及最大側(cè)向位移隨各參數(shù)的變化規(guī)律；張玲等人［8］通過循環(huán)荷載作用下筋箍碎石樁單樁復合地基室內(nèi)模型試驗探討了地基加固形式、土工格柵套筒拉伸強度和砂墊層厚度對復合地基動力響應的影響；邱高林等人［9］通過三軸儀對純黏土以及水泥土復合土樣的動彈模量與阻尼比變化規(guī)律進行了研究，探討了應變水平、圍壓、水泥摻入比等因素對水泥土動力特性的影響。但是對交通荷載下軟土地區(qū)剛性樁復合地基的研究較少，本文以交通荷載作用下濱海吹填區(qū)素混凝土樁復合地基為研究對象，以數(shù)值模擬的方法，研究交通荷載作用下素混凝土樁復合地基受力特征、變形沉降特征。

1 工程概況

為了模擬交通荷載對素混凝土樁復合地基力學行為的影響，選取珠海某市政配套工程復合地基作為研究對象，如圖1所示，取圖1中圓圈框住位置為數(shù)值模型對應范圍。在該區(qū)域采用素混凝土樁復合地基進行軟基處理，淤泥很厚區(qū)域的素混凝土樁為懸浮樁。素混凝土樁設計樁長25 m，淤泥和淤泥質(zhì)土平均厚度超過40 m，樁體未貫穿。

圖1 復合地基平面Fig.1 Floor Plan of a Composite Foundation

2 交通荷載數(shù)值模擬

2.1 模型尺寸及參數(shù)的選取

在有限元軟件建模中，取道路復合地基橫斷面方向為X軸，縱斷面方向為Y軸，鉛直方向為Z軸。根據(jù)工程總平面圖和工程地質(zhì)勘測報告，并考慮交通荷載作用導致的應力重分布影響范圍，擬定模型總體尺寸為：0 m≤X≤60 m；0 m≤Y≤2.2 m；-54 m≤Z≤3.05 m。素混凝土樁間距為1.6 m，樁徑為0.4 m，平面布置方式為梅花式，樁長為25.0 m，X方向上設置13 排樁，Y方向上設置2 排樁。地層結構從上至下依次為2.2 m 的吹填土，18.0 m 的淤泥和36.0 m 的淤泥質(zhì)土。劃分的路基網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 三維模型軸測Fig.2 Axonometric of the 3D Model

根據(jù)土層條件及工程周圍環(huán)境，定義邊界條件：模型四周固定水平位移，底部剛性約束，上部自由邊界，模型四周及底面均設置為不透水邊界。土體采用摩爾庫倫本構，地層與支護結構參數(shù)表如表1所示。

表1 地層與支護結構參數(shù)表Tab.1 Parameters of Stratum and Support Structure

2.2 模擬過程

⑴先給土體施加初始重力，直到達到土體自身的地應力平衡。

⑵在路基表面施加大小為P的交通荷載，借助有限元軟件內(nèi)部編程語言，編輯交通荷載加載命令。交通荷載是由兩個部分組成：①汽車自身振動引起的荷載；②公路路面不平整導致車輛上下顛簸引起的荷載。鄧學鈞［10］認為汽車交通荷載具有兩個特征：①荷載位置隨時間改變；②荷載大小隨時間改變。在有限元軟件中采用正弦波波形來模擬交通荷載的波形。

3 計算結果分析

3.1 模型驗證

為了驗證數(shù)值模型的有效性，將現(xiàn)場交通荷載試驗的工況進行類似簡化處理后，施加到數(shù)值模型上，并將模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)相對比?，F(xiàn)場試驗車型采用三軸渣土車，車輛載重為27.4 t，行駛速度為20 km/h，行駛次數(shù)為10次。在數(shù)值模型上施加的車輛荷載為2個，車輛載重對應的接地壓力為0.25 MPa，行駛速度對應的荷載頻率為3 Hz，循環(huán)作用此時為10 次。通過提前埋設的土壓力計進行動態(tài)采集，其樁-土應力峰值分布如圖3所示。

圖3 樁-土應力分布曲線Fig.3 Pile Soil Stress Distribution Curve

在車輛荷載作用下，輪下樁頂處應力顯著增大，輪下樁間土處應力變化較小，與交通荷載試驗結果規(guī)律相同。上述結果驗證了素混凝土樁復合地基數(shù)值模型的準確性，可進一步開展后續(xù)的交通荷載工況研究。

3.2 樁體受力與位移分析

運營階段模擬車輛荷載按雙向4 車道布置，同時布置4 個車輛荷載，單個車輛荷載接地面積為4 個0.22 m×0.25 m 的矩形。交通荷載頻率為10 Hz，荷載幅值取為1 MPa。監(jiān)測交通荷載作用過程中樁的軸力、豎向位移和水平位移，采用隔排監(jiān)控，素混凝土樁編號如圖3所示，研究交通荷載對素混凝土樁的影響。循環(huán)加載后樁身軸力、水平位移、豎向位移隨樁身深度分布曲線分別如圖4～圖6所示。

圖4 交通荷載作用位置Fig.4 Position of Traffic Load Action

圖6 樁體水平位移隨樁身深度分布曲線Fig.6 Distribution Curve of Pile Horizontal Displacement with Pile Depth

由圖5可知，1#樁軸力隨樁身深度增加而增加，20 m處達到最大值110.7 kN，隨后開始降低；2#樁與7#樁類似，樁體中間部位軸力較大；位于中間的3#、4#、5#、6#樁軸力分布情況類似，軸力增長到5 m位置后開始減低，最大軸力為4#樁的239.0 kN。中間位置的樁軸力較大，這與承受荷載的情況相對應。

圖5 樁身軸力隨樁身深度分布曲線Fig.5 Pile Body Axis Force Distribution Curve with Pile Depth

由圖6 可知，水平位移隨樁身深度的增大而急劇減小，各樁在5 m 深度的水平位移都接近0，這說明交通荷載對樁水平位移的影響范圍在5 m 深度左右；由圖7可知，越靠近內(nèi)側(cè)的樁的豎向沉降越大，且4#～7#樁的豎向沉降較為接近，說明交通荷載對樁豎向位移的影響集中在中間位置。

圖7 樁體豎向位移隨樁身深度分布曲線Fig.7 Vertical Displacement of Pile Body with Pile Depth Distribution Curve

4 結語

⑴最外圍和中間的素混凝土樁軸力隨樁身深度增加而增加，20 m 深度處達到最大，隨后開始降低；兩者中間的樁承受交通荷載比例較大，軸力最大位置在5 m深度。各樁中部所受軸力較大。

⑵水平位移隨樁身深度的增大而急劇減小，各樁在5 m 深度的水平位移都接近0，交通荷載對樁水平位移的影響范圍在5 m深度左右。

⑶交通荷載對樁豎向位移的影響集中在中間位置，越靠近內(nèi)側(cè)的樁的豎向沉降越大。