随着经济的发展以及施工技术的进步, 越来越多的工程建设于特殊地质条件如沿海软土地区。由于沿海软土地质条件的特殊性, 会给工程带来极不利的影响。沿海软土地区工程建设是否能进一步优化, 使得工程既满足安全性要求, 又能节省工程造价, 需进一步深入研究。

目前, 国内外已对软土地区工程堆载问题做了相关研究及试验。Wenz K P^[1]报道了一矿石堆载对软土中桩基的影响试验, 发现堆载过大导致桩基破坏。Springman S M^[2]通过大量离心机模型试验研究了软土地基中附近路堤超载对桥台桩产生的影响, 发现靠近桥台桩基的路堤堆载, 对于桩基竖直方向的影响较小, 基本不产生沉降, 而对水平方向位移影响较大。Ito T等^[3,4]应用塑性理论推导了土体作用在排桩上最大土压力计算公式, 可用来研究排桩间距、桩顶固定条件、桩在滑动面以上的长度、直径和刚度等因素对岸坡稳定性的影响。Pan J L等^[5]利用ABAQUS软件证明了三维有限元在分析桩的变形性状和侧向压力分布规律等问题上的可行性。王恺敏等^[6]通过三维数值模拟分析了软弱地基中桩基在侧向堆载条件下的承载性状, 比了桩土沉降差、桩体位移与桩身轴力的变化差异。黄伟达^[7]建立了软土地基中群桩的三维有限元模型, 得到了桩身水平位移以及桩侧土压力沿桩身的分布。Hong Y等^[8]通过现场试验发现现有的负摩阻力计算方法均偏于保守。

上述研究均充分说明了软土地区堆载对桩基存在显著影响, 引起被动桩及负摩阻力问题。本文结合海南沿海地区三亚吉阳220k V变电站工程, 采用数值模拟分析进行地基基础方案优化, 并采用规范进行校核验证, 在原有设计方案基础上, 提出了建议设计方案。

三亚吉阳220k V变电站站址区域属于南海台地, 地貌单元属于海积平原。该站址面积为106.0m×62.0m, 各岩土层物理力学参数如表1所示。由于防洪需要, 站址区域需填土5m左右。工程原设计主要建筑物采用钻孔桩基础, 桩径为800mm, 桩长为25m;次要建筑物及路基采用水泥搅拌桩基础, 设计桩长为15m, 桩径d=0.5m, 桩间距1.0m。

基于三亚吉阳220k V变电站的设计方案, 改变钻孔灌注桩及水泥土搅拌桩的相关参数 (桩长、桩径、桩间距等) , 研究相关参数变化后对桩基承载力以及沉降的影响, 进而优化比选出更加合理的地基基础方案。不同方案设置如表2所示。

通过有限差分软件FLAC^3D对上述不同方案进行模拟, 三维模型如图1所示。该工程采取先填土5m高, 再进行桩基施工以及水泥土搅拌桩施工, 最后进行变电站上部结构建筑物施工。

所有工况分析时将桩基施工前的土体沉降位移进行初始化。不同工况下建筑物桩基最大位移如表3所示。

由表3可以看出, 不同工况下, 水泥土搅拌桩桩间距越小, 桩土置换率越高, 使得地基附加应力增大, 桩数越多越密集反而增加土体的沉降, 出现的沉降位移也越大。该位移规律仅体现在桩基施工时, 待桩基施工结束后, 水泥搅拌桩间距越小, 土体越密实, 后期的沉降也会相应较小。所以, 桩基施工对土体沉降也会存在影响。

图2是桩基施工完后桩身轴力随深度的变化曲线。由图2可以看出, 在堆载作用下, 桩身存在负摩阻力, 桩身轴力先增大后减小, 而且边桩的负摩阻力明显大于中心桩的负摩阻力。当桩长为25m时, 边桩最大轴力为350~450k N, 而中心桩最大轴力为125~200k N;当桩长为16m时, 边桩最大轴力225~300k N, 而中心桩最大轴力为75~100k N。因此, 在实际工程中应注意边桩施工, 建议边桩比中间桩后施工。

考虑后期上部结构施工, 分析时将上部结构荷载等效为桩顶荷载。图3是施加桩顶荷载后桩身轴力随深度的变化曲线, 可以看出, 桩顶荷载施加之后, 桩侧负摩阻力变为正摩阻力, 没有明显的正负摩阻力中性点, 桩身最大轴力出现在桩顶附近。

施加桩顶荷载后, 不同工况桩基位移统计如表3所示。工况3和工况6由于主要建筑物桩长变为16m, 桩基位移明显比其他工况大, 而工况2主要建筑物桩径减小为700mm后, 桩基位移变化较小;工况4中搅拌桩间距变为4d后, 桩基竖向位移变化也较小, 水平位移略有增大;工况5中搅拌桩桩基桩长变为12m, 间距变化3d后, 主要建筑物桩基位移变化也较小。因此, 可以适当对主要建筑物桩基桩径进行优化, 对搅拌桩桩长以及桩间距进行适当优化, 而主要建筑物桩长建议要足够长, 不建议缩短主要建筑物桩长。

根据设计要求, 加固后的复合地基承载力特征值f_spk应≥120k Pa。依据JGJ79—2012《建筑地基处理技术规范》^[9]进行复合地基承载力验算。

对有黏结强度增强体复合地基应按式 (1) 计算:

式中:λ为单桩承载力发挥系数, 可按地区经验取值;R_a为单桩承载力特征值, k N;A_p为桩的截面积, m²;β为桩间土承载力发挥系数, 可按地区经验取值。

根据式 (1) 可计算得到不同水泥土搅拌桩加固方案的复合地基承载力特征值, 结果如表4所示。

从上述计算结果可以看出, 水泥土搅拌桩按照间距 (2~4) d布置时, 复合地基承载力均满足设计要求。因此, 综合考虑经济性, 建议水泥土搅拌桩按照 (3~4) d间距布置, 可节省成本, 同时也可以缩短工期。

根据上述结果分析, 主要建筑物桩基桩径可以从原来的800mm优化为700mm, 桩长仍保持为原设计25m。针对桩径优化后的基桩承载力, 根据地质勘察资料计算承载力特征值, 对比设计的承载力特征值2 100k N。计算结果如表5所示。

设计的基桩承载力特征值为2 100k N, 根据地质勘察资料, 计算得到25m长钻孔桩桩径为700mm时地基承载力为2 780k N, 比设计值大32%。说明桩径优化后, 桩基承载力仍满足要求, 所以适当优化桩径既可满足经济性, 也可满足承载力要求。

针对三亚吉阳220k V变电站地基基础开展了优化研究, 得到如下结论。

1) 在堆载作用下, 桩身存在负摩阻力, 边桩的负摩阻力约为中心桩负摩阻力的2~3倍。因此, 在实际工程中应注意边桩的施工, 建议边桩比中间桩后施工。

2) 桩顶荷载施加后, 桩基沉降明显增加, 中间桩的沉降均大于边桩的沉降。在原方案基础上, 桩径减小对桩基的沉降影响较小, 且水泥土搅拌桩的间距增大对桩基沉降的影响不大。因此, 建筑物桩基桩长不能过短, 但可以将建筑物桩基桩径缩小为700mm, 水泥土搅拌桩的间距可以调整为 (3~4) d, 而且水泥土搅拌桩的桩长也可以适当优化。

3) 由于边桩产生了明显侧移, 所以建议增加堆载边缘临近几排水泥土搅拌桩的桩长, 以减小边桩的水平变位。