周 瓊，李 為，高 郢，王 晶

(1.中海(廣州)工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510277；2.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430010；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；4.南京瑞迪建設(shè)科技有限公司，江蘇 南京 210029)

軟土地基上地面堆載對(duì)鄰近既有樁基的影響主要有兩方面[1]：一是堆載引起軟土側(cè)向變形而擠壓樁基，使樁基撓曲甚至斷裂；二是堆載使樁周土產(chǎn)生不均勻沉降，并使樁側(cè)受到負(fù)摩阻力，對(duì)上部結(jié)構(gòu)不利。地面堆載導(dǎo)致鄰近樁基發(fā)生工程事故的案例屢見不鮮[1-3]。因此，開展軟土地基堆載對(duì)鄰近樁基受力和變形特性的影響分析具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

目前已有不少專家學(xué)者采用理論分析、物理模型試驗(yàn)、有限元數(shù)值分析及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段開展了相關(guān)的研究工作。李仁平等[4]、梁發(fā)云等[5]、張浩等[6]在一定的簡(jiǎn)化和假設(shè)條件下從理論上推導(dǎo)了地面堆載對(duì)鄰近樁基應(yīng)力變形影響的計(jì)算模式。魏汝龍等[7]、陳永戰(zhàn)等[8]采用土工離心模型試驗(yàn)分析了岸坡填土對(duì)樁基碼頭應(yīng)力變形的影響。代恒軍等[9]、李志偉[10]、王立忠等[11]采用有限單元法分析了地面堆載對(duì)鄰近樁基應(yīng)力變形的影響。王立忠等[11]、陳雪華等[12]、丁任盛[13]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲取了地面堆載對(duì)鄰近樁基應(yīng)力變形的影響規(guī)律。以上研究主要針對(duì)堆載區(qū)地基側(cè)向變形指向鄰近樁基的情形，較少涉及類似真空預(yù)壓軟基處理使地基側(cè)向變形背離樁基的情況。本文以福建某軟基處理工程為背景，采用三維有限元方法分析真空預(yù)壓軟基處理對(duì)鄰近橋梁樁基內(nèi)力和變形的影響。

1 工程概況

1.1 橋梁尺寸

橋梁(圖1)為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，采用后張法預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，單跨32.6 m。橋墩為圓端形橋墩，尺寸為2.5 m×6.0 m×3.5 m(長×寬×高)，承臺(tái)尺寸為5.7 m×5.7 m×2.5 m(長×寬×高)，承臺(tái)下正方形布置4根φ1.25 m鉆孔灌注樁(C50)，樁中心距3.2 m，樁長64.0 m，樁端持力層為全風(fēng)化花崗巖。

1.2 工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地所處地貌為沖海積平原，地勢(shì)平坦開闊，巖土層分布及各巖土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。其中，淤泥①及淤泥③呈流塑狀態(tài)，含有腐殖質(zhì)，土層厚度分別為15.1～36.2 m及1.9～10.1 m；黏土②及黏土④以可塑狀態(tài)為主，局部軟塑，土層厚度分別為7.5～29.5 m及6.2～13.2 m。

表1 各巖土層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 軟基處理工程設(shè)計(jì)

軟基處理范圍邊緣距離橋梁縱軸線約80 m，軟基處理方法擬采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法，設(shè)置水平和豎向排水通道，水平排水采用中粗砂墊層，豎向排水采用塑料排水板，間距1 m，正三角形布置，板端打設(shè)至淤泥層①底面。加固區(qū)采用黏土密封墻及塑料密封膜進(jìn)行密封，要求抽真空期間膜下真空度不小于80 kPa。膜上分3級(jí)回填6 m厚海砂，每級(jí)回填厚度2 m。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加載計(jì)劃見圖2。

圖2 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加載計(jì)劃

2 分析模型

2.1 有限元模型

根據(jù)地形地質(zhì)條件(表2)及橋梁基礎(chǔ)尺寸建立了三維有限元模型，見圖3。橋梁基礎(chǔ)與地基土體單元類型均采用六面體八節(jié)點(diǎn)單元，場(chǎng)地土方填筑以分布荷載的形式考慮，塑料排水板實(shí)際施工為間隔布置(非連續(xù)布置)，計(jì)算時(shí)按照固結(jié)度相等的原則，通過調(diào)整滲透系數(shù)將間隔布置的塑料排水板等效為沿縱向連續(xù)分布的砂墻[14]。模型全部單元數(shù)量42 136，節(jié)點(diǎn)數(shù)量47 936。

表2 各巖土層物理力學(xué)參數(shù)

圖3 有限元模型

2.2 本構(gòu)模型

基樁及承臺(tái)均采用線彈性模型，地基土體采用莫爾-庫倫模型，采用比奧固結(jié)理論計(jì)算。橋梁基樁與地基土體之間設(shè)置摩擦接觸單元，摩擦系數(shù)取0.2。加固區(qū)淤泥①進(jìn)行砂墻等效后滲透系數(shù)取kh=4.93×10-4m/d和kv=3.97×10-4m/d。

2.3 邊界條件

位移邊界條件：模型側(cè)面節(jié)點(diǎn)約束法向位移，模型底部節(jié)點(diǎn)約束3個(gè)方向的位移。

孔壓邊界條件：加固區(qū)外地基表面節(jié)點(diǎn)超靜孔隙水壓力取0，真空預(yù)壓加固區(qū)內(nèi)地基表面節(jié)點(diǎn)超靜孔隙水壓力取-80 kPa，等效砂墻中心節(jié)點(diǎn)超靜孔隙水壓力自上而下按-80 kPa沿深度線性衰減至-20 kPa考慮。

2.4 計(jì)算步驟

步驟一建立土層及樁基礎(chǔ)，進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡。

步驟二樁頂承臺(tái)上施加上部結(jié)構(gòu)荷載。

步驟三施加孔壓邊界條件。

步驟四按加載計(jì)劃施加填土荷載。

3 結(jié)果分析

3.1 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓軟基處理結(jié)果分析

近土側(cè)基樁與遠(yuǎn)土側(cè)基樁(基樁位置見圖1，下同)樁體水平位移計(jì)算結(jié)果見圖4。在第一級(jí)填筑之前(僅有真空預(yù)壓作用)，樁體水平位移方向指向加固區(qū)內(nèi)，最大位移發(fā)生在樁頂；隨著加固區(qū)堆載土方填筑，樁體水平位移方向遠(yuǎn)離加固區(qū)，且最大水平位移逐漸向黏土層②中部附近轉(zhuǎn)移。近土側(cè)樁體位移與遠(yuǎn)土側(cè)樁體水平位移大小接近，而分布規(guī)律基本相同，近土側(cè)樁體位移略大于遠(yuǎn)土側(cè)樁體位移，這是樁頂承載承臺(tái)的約束作用和近土側(cè)樁周土受真空聯(lián)合堆載預(yù)壓軟基處理影響略大兩方面因素導(dǎo)致的結(jié)果。

a)近土側(cè)基樁

樁身彎矩計(jì)算結(jié)果見圖5。在第一級(jí)填土之前，近土側(cè)樁身彎矩在淤泥層①中部及黏土④上部較大，遠(yuǎn)土側(cè)樁身彎矩在樁頂及黏土④上部較大；隨著加固區(qū)堆載土方填筑，樁身彎矩先減少后逐漸增大，且沿樁身分布規(guī)律發(fā)生變化，近土側(cè)與遠(yuǎn)土側(cè)樁身最大彎矩均發(fā)生在黏土層②中部附近。近土側(cè)基樁與遠(yuǎn)土側(cè)基樁在軟基處理各個(gè)階段樁身彎矩分布規(guī)律下部基本相同，而上部約15 m深度范圍內(nèi)差異較大，分析原因是上部樁體水平位移較大且樁頂受承臺(tái)的約束作用，從而導(dǎo)致其彎矩分布有較大的差異。

a)近土側(cè)基樁

3.2 堆載預(yù)壓軟基處理結(jié)果分析

為分析真空預(yù)壓對(duì)樁基的影響，去掉上述方案中的真空預(yù)壓效果而將軟基處理方法改為堆載預(yù)壓法。在前述模型的基礎(chǔ)上，保持荷載條件和位移邊界條件不變，僅調(diào)整孔壓邊界條件，將加固區(qū)地基表面及等效砂墻中心節(jié)點(diǎn)超靜孔隙水壓力取0。

樁體水平位移曲線計(jì)算結(jié)果見圖6。由于樁頂承臺(tái)的約束作用，近土側(cè)和遠(yuǎn)土側(cè)樁體水平位移沿樁身分布規(guī)律及位移大小基本相同，樁體最大水平位移發(fā)生在樁頂，沿樁身由上至下逐漸減小，位移方向遠(yuǎn)離加固區(qū)。隨著加固區(qū)堆載土方分級(jí)填筑，樁體水平位移逐漸增大。

a)近土側(cè)基樁

樁身彎矩計(jì)算結(jié)果見圖7。近土側(cè)基樁在樁頂、淤泥①中部、黏土②與淤泥層③交界面及黏土④中部附近彎矩較大，最大值發(fā)生在黏土④中部附近；遠(yuǎn)土側(cè)基樁在樁頂、黏土②與淤泥層③交界面及黏土④中部附近彎矩較大，最大值發(fā)生在樁頂附近。隨著加固區(qū)土方填筑，樁身彎矩方向保持不變，彎矩值逐漸增大。近土側(cè)基樁與遠(yuǎn)土側(cè)基樁在軟基處理各個(gè)階段樁身彎矩分布規(guī)律下部基本相同，而上部約25 m深度范圍內(nèi)差異較大，分析原因是上部樁體受堆載預(yù)壓法軟基處理的影響水平位移較大，且樁頂受承臺(tái)約束作用，從而導(dǎo)致其彎矩分布有較大的差異。

a)近土側(cè)基樁

3.3 真空預(yù)壓影響分析

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓與堆載預(yù)壓兩種軟基處理方法下鄰近橋梁基樁的最大水平位移和最大彎矩計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表3。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法軟基處理時(shí)樁身最大水平位移和最大彎矩均明顯小于堆載預(yù)壓軟基處理時(shí)的數(shù)值，分析原因是真空負(fù)壓作用使加固土體產(chǎn)生向內(nèi)收縮的趨勢(shì)，從而減小了堆載土方對(duì)鄰近樁基的影響。

表3 基樁最大水平位移與最大彎矩計(jì)算結(jié)果

針對(duì)軟土地基上地面堆載對(duì)鄰近樁基保護(hù)措施，一般采用堆載區(qū)復(fù)合地基加固、堆載區(qū)邊界設(shè)圍護(hù)樁隔離、鄰近樁基加固或采用輕質(zhì)堆填材料等方法[15]。通過本次計(jì)算說明，在填土荷載不大且條件適宜的情況下，堆載區(qū)采用真空預(yù)壓加固或不失為一種經(jīng)濟(jì)可行的方法。

4 結(jié)論

本文結(jié)合具體工程實(shí)例，采用有限單元法分別計(jì)算了真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法和堆載預(yù)壓法軟基處理對(duì)鄰近橋梁樁基的影響，具體結(jié)論如下。

a)軟基處理采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法時(shí)，土方堆載前樁基位移方向指向加固區(qū)側(cè)，隨著堆載土方分層填筑，樁身水平位移方向逐漸遠(yuǎn)離加固區(qū)，最大水平位移發(fā)生在黏土層②中部附近；樁身最大彎矩發(fā)生在黏土層②中部附近。

b)軟基處理采用堆載預(yù)壓法時(shí)，樁身水平位移方向指向加固區(qū)外側(cè)，最大位移發(fā)生在樁頂，近土側(cè)基樁最大彎矩發(fā)生在黏土④中部附近，遠(yuǎn)土側(cè)基樁最大彎矩發(fā)生在樁頂。

c)軟基處理采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法時(shí)樁基的最大水平位移和最大彎矩均明顯小于堆載預(yù)壓法，表明在條件適宜的情況下，真空預(yù)壓法或可作為軟土地基上地面堆載時(shí)對(duì)鄰近樁基的保護(hù)措施。