王國偉（福建君達建設(shè)有限公司，漳州363000）

基于散體平衡理論公式的軟土地基橋臺受力分析及處治

王國偉
（福建君達建設(shè)有限公司，漳州363000）

本文通過基于散體平衡理論導(dǎo)出的沈珠江公式對軟土地基橋臺進行了理論分析，提出實際設(shè)計過程中的計算方法，同時提出根據(jù)實際情況選取的軟基處理方式。

軟土地基橋臺位移被動樁

1 概述

我國東南沿海福建地區(qū)絕大部分屬于天然軟土地基區(qū)，淺部軟土普遍發(fā)育，軟土主要為濱海沼澤相堆積類型。地基土層以較厚的第四紀松散沉積物組成，基巖埋深甚至達300m以上。

對于在軟基場地修建的橋臺樁基，橋頭路基填筑對于橋臺樁基的影響主要有兩個方面：一方面，橋頭路基填土引起淤泥質(zhì)土層的流動，對樁基進行側(cè)向擠壓，使樁基產(chǎn)生較大的水平位移，甚至斷裂；另一方面，路基邊坡土體有可能在軟土層中形成貫通的滑動面。當最危險滑面位置較深，而橋臺樁基又處于滑動體影響范圍內(nèi)時，滑帶以上部分土體的移動或蠕動會對樁基產(chǎn)生相當大的推力，足以使樁基毀壞。因此，軟基修筑的橋臺樁基屬于典型的“被動樁”。對于被動樁，打樁、堆載和開挖作用都可能導(dǎo)致樁周土體產(chǎn)生可觀的水平位移而使樁身受到側(cè)向荷載的作用。在軟土地基中，堆載或開挖引起的土體水平位移可達到堆載高度或開挖深度的1%～2%甚至更大[1-3]。

橋梁設(shè)計中由于設(shè)計水位、建筑高度等條件的限制，一般都會填筑臺后路堤，少則三四米，多則七八米的臺后填土，引起臺后的大量“堆載”。橋臺一般設(shè)置在河岸畔，臺前形成臨空面，樁基上部處于放坡線范圍，相當于“開挖”作用。土的側(cè)向荷載對橋臺樁基的水平位移和彎曲變形具有重大影響，往往導(dǎo)致橋臺樁身發(fā)生撓曲，嚴重時將導(dǎo)致橋臺或橋梁結(jié)構(gòu)的破壞。在實際工程中，由于橋頭路基填筑引起橋臺側(cè)移、開裂，橋臺樁身剪切破壞、彎曲破壞的事故屢見不鮮。

2 地基規(guī)范中樁基位移計算模型及存在的問題

被動樁的土壓力計算是十分復(fù)雜的，目前運用最廣的是基于土體位移的分析方法。李國豪[4]采用彈性地基梁解析法利用樁的撓曲微分方程來求解水平向荷載。軟土部分流動作為外荷載加載在樁身，硬土區(qū)作為樁身的彈性邊界（力學(xué)模型示意圖如圖1所示），采用Winkler地基梁模型計算對樁身位移產(chǎn)生抗力。

圖1 橋臺樁土相互作用力學(xué)模型示意圖

《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（JTG D63-2007）》[5]（以下簡稱“規(guī)范”）采用“m”法完全的線彈性地基反力法進行計算，即認為樁基自上而下均符合Winkler彈性模型，未考慮軟土層的不利影響。且土的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m取值范圍較大，在設(shè)計實踐過程中，計算結(jié)果往往具有爭議性。

3 流動土體位移模式及樁側(cè)壓力計算

利用土體變形來分析樁的變形甚至破壞及荷載效應(yīng)可以幫助我們認清橋臺樁與土體相互作用的本質(zhì)，合理計算軟土對橋臺樁基產(chǎn)生的側(cè)壓力對研究樁基變形性狀至關(guān)重要。

沈珠江[6]根據(jù)散體極限平衡理論，假設(shè)土層無限廣闊并沿水平向?qū)Υ怪睒蹲飨鄬\動，且樁的側(cè)面絕對粗糙，得到圓形樁單位樁長上的繞流阻力公式見公式（1）。

式中，p（z）——土體移動對樁產(chǎn)生的附加水平側(cè)壓力（kN/m）；

σz——附加豎向壓應(yīng)力（kPa）；

σc=c·ctgμ(kPa)；

c，φ——軟土地基的粘聚力（kPa）和內(nèi)摩擦角；

D1——樁中心距（m），D2為樁間距（m）。

由上式可以看出，土體對于樁基產(chǎn)生的水平推力，除與樁徑（D1-D2）及附加豎向荷載有關(guān)外，軟土地基土體的抗剪強度指標c、φ值有關(guān)。因此，無論是淤泥質(zhì)土體流動產(chǎn)生的側(cè)向推力，還是產(chǎn)生貫通的滑動面。本質(zhì)上，都是土體自身抗剪強度不足，軟土地基的剪切破壞導(dǎo)致。

圖2和圖3為P（z）/D1隨內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力的變化圖。

圖2 P（z）/D1隨內(nèi)摩擦角的變化圖

圖3 P（z）/D1隨內(nèi)聚力的變化圖

由圖2、圖3可知，在樁基設(shè)計一定的條件下，軟土地基對橋臺樁基的水平推力隨內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力的增大而增大，P（z）與內(nèi)摩擦角的正切值tanφ近似呈二次拋物線關(guān)系，而與內(nèi)聚力近似呈線性關(guān)系。

而當土體呈流動狀態(tài)，即φ=0時，公式（1）可以進一步簡化為公式（2）：

這里求出的P（z）值可以作為粘性土的極限土壓力。

Randolpth＆Houlsby在進行不排水情況下受側(cè)向被動荷載樁的性狀分析中采用經(jīng)典塑性理論得到的被動荷載精確解為公式（3）：

公式（2）、（3）形式相同，可以將其作為橋臺樁基極限側(cè)向力。需要指出的是，沈珠江公式假定土體已發(fā)生塑性變形，樁土體系達到極限平衡狀態(tài)。在橋臺樁基設(shè)計，將其作為水平荷載加載在樁基，對橋臺樁頂位移進行精確計算時，應(yīng)對臺后填土狀態(tài)進行分析，考慮軟土地基層是否已經(jīng)破壞。

4 橋臺軟基的處治措施

由于軟基橋臺水平位移非常敏感，對于軟土地基的橋梁，橋臺樁頂?shù)乃轿灰齐y以滿足規(guī)范要求。因此，軟土地基修筑的橋臺，一般需要對路橋過渡段的軟基進行處理。

如前所述，樁側(cè)土壓力與土體抗剪強度及樁基布置有密切關(guān)系，處理措施主要針對這兩方面，即對軟土地基處理的地基改良方法和以改變樁基布置形式等的基礎(chǔ)改良法。

排水砂樁法和塑料板排水法都是通過改善土體的排水環(huán)境，加快軟軟土地基的排水固結(jié)，改善地基狀況，提高土體的抗剪強度指標，增強地基的穩(wěn)定。對于通過排水固結(jié)法改良的軟土地基，可以將經(jīng)過處理的“軟土層”當成符合Winkler彈性地基梁的“硬土層”進行考慮，按照規(guī)范推薦“m”法進行計算。常用的加快排水固結(jié)的方法還包括預(yù)載填土和真空預(yù)壓等方法，其作用都是提高土體的內(nèi)摩擦角φ和內(nèi)聚力c值，提高土體抗剪強度，從根本上解決軟土的側(cè)向壓力問題，適用于軟基范圍較小、工期比較寬松的中小橋梁工程。

水泥土攪拌樁、混凝土或鋼筋混凝土剛性樁也是改良軟土性質(zhì)的方式，但是與排水固結(jié)法有本質(zhì)不同，這種方法沒有改善土體的抗剪強度，而是通過剛性樁特性，分散承擔(dān)軟土流動產(chǎn)生的水平荷載，從而對橋臺樁基進行保護。適用于深厚軟基、高填土橋臺的軟基處理。

基礎(chǔ)改良法可以通過改變樁基布置方式抵抗土體水平荷載。例如，將單排樁改成多排樁或梅花樁布置，離心模型試驗很好的證明了這一點。而設(shè)置斜樁可以克服直樁抗剪性能差的特點，將水平荷載分解成樁基的豎向荷載，例如位于黃浦江的南浦大橋橋臺即采用斜樁設(shè)計。

橋臺軟土地基的處理方法應(yīng)該根據(jù)實際情況靈活選取，上述方法可單獨使用，也可以采用多種綜合的方法，確保工程設(shè)計安全、經(jīng)濟。

5 結(jié)語

（1）軟土地基的橋臺樁基受力比較復(fù)雜，軟土流動產(chǎn)生的水平荷載對橋梁安全有重大影響，應(yīng)在設(shè)計過程中高度重視，防患于未然。

（2）規(guī)范采用的設(shè)計方法與軟土地基的實際情況有很大出入，設(shè)計時應(yīng)綜合考慮。

（3）軟土地基的樁基側(cè)壓力的本質(zhì)是土體自身抗剪強度不足，軟土地基的剪切破壞導(dǎo)致。

（4）軟土地基處理方式很多，處理方式雖然“同歸”，但也“殊途”，應(yīng)根據(jù)實際情況，合理選用處理措施。

[1]DeBeerEE.Piles subjectedto staticlateralloads[A].In：Proc.9thICSMFE [C].Sp.Sess：1977，10.

[2]趙利民.軟土地基橋臺前移原因分析與綜合處理方法[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2006，8（3）：54-58.

[3]張軍輝，周宇，鄭健龍，等.基于樁側(cè)土壓力的橋臺樁基樁土相互作用研究[J]，路基工程，2014（1）：40-48.

[4]李國豪.關(guān)于樁的水平位移、內(nèi)力和承載力的分析[J].上海力學(xué)，1981，12（1）：236-244.

[5]中華人民共和國交通部.JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京∶人民交通出版社，2004.

[6]沈珠江.樁的抗滑阻力和抗滑樁的極限設(shè)計[J].巖土工程學(xué)報，1992（01）.