水位升降变化对湖区软基桩基础沉降影响研究

水位升降变化对湖区软基桩基础沉降影响研究

陈卡拉， 杨仲进

(浙江温州沈海高速公路有限公司, 浙江 温州 325000)

[摘 要] 水位升降环境下的湖区软基发生固结会对该区域内的桩基础工作性能产生较大影响。为探究水位升降对桩基础影响，本文以某湖区高速公路高填方路段桩基础为研究对象，基于有限元软件ADINA计算结果，对沉桩过程、沉桩扰动产生的土体固结过程以及后期水位变化引起的土体沉降过程分3个步骤进行了数值模拟并结合观测数据进行了分析，结果显示沉桩完成时，桩侧的孔隙水压力沿径向呈双曲线分布,受水位的影响较大的部分为近桩处土体，随与桩体间距离的增大，土体沉降量逐步减小；同时，在水位变化的影响下，沉降稳定需要更长时间，需要采取适当措施来保证桩体工作性能。

[关键词] 水位升降； 桩基础； 软基； 沉降； 数值分析

1 工程概况

1.1 工程背景

湖区高速公路的施工中，由于相当部分的地基处于一个水位时常发生变化的干湿循环环境中，对桩周的摩擦力及相关的其他部位的稳定性影响不容忽视，也是湖区高速公路修建中的难点。现有研究成果中，对桩周土沉降的影响有较多研究，但对干湿循环这一重要工程环境的影响因素考虑不多，或在相关的计算中，没有考虑土工参数等因干湿循环而引起的变化，对工程环境缺乏准确的模拟，对项目开展的指导意义有部分缺陷。

1.2 工程地质情况

某湖区高速公路一软基路段中有一较长高填方路堤采用了打入PC管桩进行处治，管桩外径500 mm，壁厚100 mm，桩长35 m，分11、12、12 m共3截，桩身混凝土设计强度等级为C60，穿过上层约10 m粉质黏土及22 m的软弱淤泥层植入中砂层，单桩承载力设计值为700 kN。

该路段位原地基均为水稻田，局部分部湖面，地势不高、地形起伏小、覆盖层厚度较大；受中北亚热带湿润季风气候的影响，存在显著的丰枯两季水位差异。图1所示为该工点附近水文站多年观测数据统计图，可知5～10月份降雨偏多。

现场调研结果显示： 该区域地面高程为29.82 m，结合图1所示水位升降数据及地勘资料可知：水位周期性升降对该区域土体的影响深度为地面以下10 m左右。通过钻芯取样及相关室内土工试验可得如表1所示土体相关参数，结果表明自地表向下10 m范围内土质以粉质黏土为主。此外，钻芯取样时为干季，可认为此时地下水位在地面以下10 m，对于地下水位以上的土体，此时测得的含水率即为

图1 洞庭湖(城陵矶)多年平均月水位统计图
Figure 1 Dong ting lake (cheng ling ji) years of average monthly water level chart

其最低含水率，通过实验(见表1)可知其值为18%。

土的饱和含水率计算如式(1)所示：

(1)

式中： ωsat为饱和含水率；e为孔隙比；ρd为干密度。

表1 土工试验成果表Table1 Geotechnicaltestresultstable取样编号取样深度/m含水率/%干密度/(g·cm-3)孔隙比液限/%塑限/%室内定名119～2119214507903240169粉质黏土246～4817614708113540199粉质黏土394～9618214607963260163粉质黏土

取表1中3组试样的平均数据进行计算，可得该区域粉质黏土饱和含水率为30.4%。由此可知，在水位升降过程中，水位影响区域内的土体含水率的循环变化区间为18%～30.4%。

2 桩周土体沉降监测数据分析

2.1 监测方案

为研究水位升降环境下桩基施工对桩周土产生的影响，对PC桩基施工现场的SZ1桩进行了沉降观测。由于试桩所处的路基断面将于打桩完成后60 d左右进行填筑，故将关于SZ1号桩的沉降监测周期定为60 d。监测采用传统的自制埋入式沉降板，在试桩径向两侧各埋设一块沉降板，沉降板布设方案如图2所示。

图2 沉降板布置示意图
Figure 2Schematic arrangement of plates Settlement

2.2 监测结果分析

由表2所示监测数据可得实测桩周土体地表沉降-时间曲线如图3所示。对左右两侧的沉降量而言，监控前15 d沉降发展速度较快，第15 d时左侧沉降量为17.01 mm，右侧沉降量为13.54 mm，随后沉降速度逐步减缓，第60天时左侧沉降量为21.45 mm，右侧沉降量为18.26 mm。左侧沉降量较右侧更大这一现象，主要是周边区域其他桩基施工对该处土体产生了影响。

表2 SZ1试桩桩周土体地表沉降量监测结果Table2 SZ1testpilesurroundingsoilsurfacesubsidencemonitoringresults观测时间/d累计沉降量/mm左右观测时间/d累计沉降量/mm左右11210892356205350731446．844．5457．324．9968．065．89710．067．54811．129．12913．5410．051014．5610．861114．9911．311215．6311．961315．9812．541416．4912．971517．0113．541817．6413．882118．0213．992418．3114．562718．9215．013019．2115．663519．7415．864019．9916．224520．3116．885020．4617．345520．7818．016021．4518．26

图3 桩周土体地表沉降-时间曲线
Figure 3 Pile surrounding soil surface settlement-time curve

3 考虑水位变化的桩周土沉降有限元模拟

ADINA可用于坝基或土体的复杂渗流、固结沉降分析等问题，可考虑土体骨架的弹塑性变形以及孔隙压力与多孔介质骨架和孔隙流体组成的多孔介质结构变形之间的耦合问题，该软件上述特点与本文研究工程特征相符，故选择该软件进行数值模拟分析。

3.1 建模及数值模拟

为研究水位变化对桩侧摩阻力的影响，结合工程背景，进行水位升降环境下桩-土沉降数值分析时分为沉桩过程模拟、土体固结沉降模拟和水位下降工况模拟3个步骤。

PC管桩属挤土桩，在地下水位稳定的情况下沉桩挤土作用将引起桩周土体的重固结，现有研究表明这一重固结实质上是超孔隙水压力消散的过程，为研究超孔隙水压力的消散桩周土体沉降的关系，设置模拟步骤①与②；在土体固结沉降一段时间后，将水位下降工况引入模型，以探究水位变化对土体沉降的影响规律，设置模拟步骤③，具体的建模过程如下所述：

① 沉桩过程模拟。

设桩径d=0.5 m，桩长l=35 m；根据工程概况、钻芯结果及室内试验所得各土层的材料物理性质(见表3)建立模型并定义材料，假定工况下土体处于弹性变形状态，且为饱和土，土层表面和底面设为排水边界，模型左右两侧设置Y方向位移约束。图4为建立的有限元网格图。

沉桩过程的模拟方法按照朱泓等[1]的研究成果将其视为圆柱体空腔的扩张，程序的模拟基于空间轴对称比奥固结理论，沉桩过程设置为1 h，即在1 h穿过模拟土层。

② 土体固结沉降模拟。

由表2及图3数据及曲线可知： 自桩基施工完成到其后第60天，桩周土仍有一定的沉降，并未完全稳定。基于此，在进行土体固结沉降模拟分析时，将时间长度设置为90 d，将沉桩完成瞬间的桩周土状态作为固结沉降的初始状态，进行为期90 d的土体固结沉降模拟。

③ 水位下降工况模拟。

步骤①中即对土体饱和状态进行了假定，可知从模型分析的开始至第90天是地下水位均维持于地表位置。根据该工点水位变化情况相关资料调研结果，将水位下降时长设置为150 d，即水位变化时间段为90～240 d。针对这一分析过程，对模型边界条件进行修改，将右侧边界设置亦设为透水边界，通过在模型底部施加抽水荷载模拟水位下降情况，使水位自模型顶面在此时间段内匀速下降10 m。

表3 模型参数Table3 Modelparameters桩侧土层深度/m弹性模量/MPa重度/(kN·m-3)粘聚力/kPa内摩擦角/(°)粉质黏土1215621823342210粉质黏土2486771980367217粉质黏土31166531891351236淤泥质黏土3213711550124106中砂386600191001350

图4 有限元网格图
Figure 4 Finite element grid

3.2 计算结果分析

① 孔隙水压力分析。

沉桩完成时刻桩周土体内的孔隙水压力分布情况如图5及图6所示。

图5 沉桩完成时超孔隙水压力沿径向分布曲线
Figure 5 Pile finish time of excess pore water pressure distribution curvein theradial

图6 土体超孔隙水压力沿深度方向的分布曲线
Figure 6 Soil excess pore water pressure distribution curve in the depth direction

图5为沉桩完成时不同水平位置超孔隙水压力沿径向分布曲线图。由5图可知:在沉桩完成时，桩侧的孔隙水压力沿径向方向呈双曲线分布，这与现场测试值]和超孔隙水压力理论所得到的规律一致[2]。桩土接触界面处的超孔隙水压力最大值为72.1 kPa，在距离桩体约10 m(20倍桩径)以外的土体内部超孔隙水压力值渐趋于0，说明打桩过程对这一区域土体的影响甚微，打桩挤土效应的影响半径即为10 m(20倍桩径)。

图6为沉桩完成时距离桩体不同位置处土体的超孔隙水压力随深度变化曲线图。由图6可知: 距离桩体在4.5 m(9倍桩径)范围内的土体超孔隙水压力均大于5 kPa，超过4.5 m范围则逐步减小，在距桩体10.5 m(21倍桩径)处土体的超孔隙水压力已基本趋近于0。由于沉桩过程中模型上下边界均设置为排水边界，故超孔隙水压力有部分消散情况，因而图中曲线上下两端处均有变化幅度较大的个别点。超孔隙水压力在桩表面附近随深度方向呈现稍许的下降趋势，但随土体与桩体间距的增加，这种下降趋势逐渐减小，在21倍桩径位置处已很难发现。

② 土体沉降分析。

图7及图8所示为自模型中提取的桩周土沉降情况。

图7 桩侧0.5 m处不同深度沉降时间变化曲线
Figure 7 Pile side 0.5 m at different depths settling time curve

图8 桩体径向不同位置处地表沉降随时间变化曲
Figure 8 Surface subsidence versus time at different locations radially pile

由图7可知： 无论在哪一时刻，下方土体的沉降均将累计至地表处，故地表沉降量最大，随深度的增加沉降量将逐渐减小。此外，在沉桩完成后的前60 d中土体沉降增速较快，这一速度在第60天到第90天时间段内逐步减缓，渐趋稳定；90天时该处地表沉降量为16.39 mm。在加入水位变化工况后，沉降将再次出现，且将引起较大的沉降，240 d时该处地表沉降量为29.98 mm，与原本已趋于稳定的第90天相比较，水位变化又引起了13.59 mm的沉降，沉降增幅为82.91%。

由图8可知: 无论在哪一时刻，距桩体较近位置处的土体沉降较大，沉降量沿远离桩体方向逐步减小；各位置处的沉降量大体随时间而增大，在未施加水位下降工况时，沉降在第90天时逐步趋于稳定，且以距离桩体约15 m为界，远端固结沉降量甚微。固结沉降的影响范围比孔隙水压力的最大影响半径稍大；在水位下降后整体沉降将再次加大，受水位的影响较大的部分为近桩处土体，可以发现随与桩体间距离的增大，土体沉降量逐步减小，沉降量在距离桩体30 m处已基本趋于稳定值。

3.3 结果验证

图9所示为工程现场沉降监测点(桩侧0.5 m)在沉桩完成后的地表沉降与模型相应位置计算值对比图。

图9 实测沉降与计算结果对比图
Figure 9 The settlement of the actual detection value compared with the calculation results

由图9可知: 模型计算结果较监测结果稍小，但总体趋势与实测曲线基本吻合。此外，桩周土体沉降速度为先快后慢，与前文分析的孔隙水压消散速度演变趋势相同。因而认为本模型计算结果与实际情况基本相符，所得土体沉降情况可作为桩侧摩阻力计算的数据支撑。

4 结论

本文通过对水位升降环境下桩周沉降的监测数据和有限元计算结果综合分析，得到了如下结论：

① 沉桩完成时，桩侧的孔隙水压力沿径向呈双曲线分布，桩土接触界面处的超孔隙水压力最大值为72.1 kPa，距离桩体10 m以外的土体内部超孔隙水压力值渐趋于0；沉桩完成后的前60 d，沉降增加很快，60 d后沉降趋缓；90天时固结沉降将基本完成，此时沉降量为16.39 mm；在加入水位变化工况后，沉降再次出现，且将引起较大的沉降，240 d时该处地表沉降量为29.98 mm，相对原已趋于稳定的第90天而言，水位变化在其基础上又造成了13.59 mm的沉降，增幅为82.91%。受水位的影响较大的部分为近桩处土体，随与桩体间距离的增大，土体沉降量逐步减小。

② 在本文研究的饱和软黏土土质中，水位升降环境作用下的挤土桩在沉桩完成后，由于超孔隙水压力的释放以及水位变化对其的影响，桩周土体存在一个固结阶段，短时间内桩周土的超孔隙水压并不能完全消散，规范中的关于施工间隔时间的规定仅为25 d，而这一固结沉降过程远非25 d所能完成，这将使得试验所得的桩基承载力及沉降评估结果存在严重偏差，桩基的承载能力将被低估。结合前文分析，认为本文所涉及土质及桩型情况下，施工间歇时间宜以90 d左右为佳，同时，必须考虑水位变化对扰动土体固结沉降量的加剧作用。实际施工时应将该时间适当延长，否则将对桩体工作性能产生不利影响；同时，在水位变化的影响下，沉降稳定时间更为漫长，建议提高设计标准以抵御其不利影响。

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Study on Water Level Changes on the Settlement of Pile Foundation on Soft Ground Area of Dong Ting Lake

CHEN Kala, YANG Zhongjin

(Zhejiang Wenzhou Shenhai Expressway Co., Ltd, Wenzhou, Zhejiang 325000, China)

[Abstract] Lakes water level fluctuation change will occur soft foundation consolidation, will have a greater impact on the performance of pile foundation work area.To explore influence of water level fluctuations on the pile foundation,In this paper, a high-speed A high fill sections of pile foundation for the study.In this paper,a high pile foundation in Yue Chang expressway embankment sections as the object of study, based on the finite element software ADINA results,for pile driving process, pile disturbed soil consolidation process produces and soil water level changes caused by post-settlement process in three steps by numerical simulation, and analysis of the observational data and numerical simulation results.The results showed that when the pile is complete, the pore water pressure in the radial side of the pile hyperbolic distribution, water levels have a greater impact on the soil near the pile,with the distancebetweenthe pile increases, gradually reduce the amount of soilsubsidence.At the same time, under the influence of changes in water level, the settlement will take longer to stabilize, so that the need to take appropriate measures to ensure the performance pile.

[Key words] rise and fall of water level； pile foundation； soft soil foundation； settlement； numerical analysis

[收稿日期] 2016 — 08 — 24

[作者简介] 陈卡拉(1973-)，男，浙江温州人，高级工程师，从事高速公路建设与管理工作。

[中图分类号] TU 473

[文献标识码]A

[文章编号]1674 — 0610(2016)06 — 0214 — 05