劉 杰，沈 洋，杜元林，章方彬，賈浩天，單卓成

(1.永嘉甌北東片開發(fā)建設(shè)指揮部，浙江 溫州 325200；2.上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 200092； 3.中交一公局集團有限公司，北京 100024；4.瑞安市交通工程建設(shè)中心，浙江 溫州 325200； 5.溫州理工學院，浙江 溫州 325035)

1 概述

硬殼層具有殼體效應(yīng)、封閉作用、反壓保護作用以及沉降滯后作用，能有效增強地基的整體性和穩(wěn)定性，對實際工程安全建設(shè)有著至關(guān)重要的作用。如果我們能夠在實際工程中充分發(fā)揮硬殼層的殼體效應(yīng)與應(yīng)力擴散作用，就能有效減少由不平衡堆載產(chǎn)生的側(cè)向力所造成的樁基被動位移，從而防止樁基出現(xiàn)整體剪切破壞以解決樁基側(cè)向抗力問題。我國沿海地區(qū)普遍存在淤泥條件下的市政道路岸坡區(qū)樁基側(cè)向抗力問題，很多工程因為對軟土地基的處理不當，建筑自身受到了極大的損害，影響其正常工作運行，導致人民生命財產(chǎn)損失。

高架橋梁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)沉降一直是巖土工程領(lǐng)域的研究熱點問題，特別是針對深厚軟土地質(zhì)條件[1-2]。目前，已有一些學者通過現(xiàn)場實測、模型試驗等手段對橋墩基礎(chǔ)沉降進行了研究；張智[3]通過現(xiàn)場的監(jiān)測得出樁基沉降變化規(guī)律，均為先慢后快，變形逐步趨于穩(wěn)定；梁戰(zhàn)場等[4]在研究中發(fā)現(xiàn)根據(jù)規(guī)范計算的結(jié)果與實測值相差較大，由此利用Mindlin方法優(yōu)化相關(guān)參數(shù)選取使計算結(jié)果能夠更精準地反映實測值；Fellenius等[5-6]對挪威、瑞典、日本、韓國、加拿大等國家的多處軟土樁基進行長期變形與內(nèi)力監(jiān)測，研究表明樁身荷載與壓縮量有較明顯的時間效應(yīng)；戴榮良等對軟土地區(qū)上部結(jié)構(gòu)形式對樁基長期沉降影響進行了總結(jié)[7-9]；冷伍明等對京滬高鐵、杭甬客專等鐵路橋梁群樁基礎(chǔ)的長期沉降數(shù)據(jù)進行了大量采集、分析、擬合和預(yù)測[10-15]；除了軟土地區(qū)樁基沉降的問題，近幾年對樁基的水平抗滑能力的研究也逐漸成為研究的重點；葛志平等[16]通過工程依托和軟件模擬提出了在該地區(qū)以高壓旋噴樁的方式來減少由于堆載對橋梁樁基的變形影響；Muszyński等[17]進行了水平樁基荷載試驗研究;除了采取相應(yīng)的加固措施，我們還可以發(fā)揮硬殼層的作用來緩解軟土地區(qū)的基礎(chǔ)沉降和側(cè)向水平位移的問題；將工程渣土處理后形成類似“硬殼層”力學性質(zhì)的“結(jié)構(gòu)層”也可以達到人工硬殼層的效果。

本文將依托永嘉陽光大道二期工程展開現(xiàn)場試驗，利用FLAC 3D軟件建立不同的模型；通過車輛荷載、軟土厚度以及堆載的變化分析硬殼層的作用；在不同加固方式下對高壓旋噴樁和竹節(jié)樁的作用做出評估，給現(xiàn)場施工提供安全性、科學性、經(jīng)濟性等方面的參考。

2 工程背景與有限差分模型建立

2.1 工程背景

依托工程溫州市永嘉縣陽光大道二期處于沿海深厚軟土地區(qū)，在尚未進場施工時路基便發(fā)生整段土體滑動現(xiàn)象，形成一個大的坍塌斷面并造成周邊道路大面積隆起(見圖1)。道路采用澆筑混凝土進行搶修改道，塌方周邊采用松木樁進行防護(見圖2)。但由于后續(xù)另一項目施工過程中將廢棄的土方堆積在該路段的西側(cè)，再次導致了路面隆起、滑動的現(xiàn)象(見圖3)。從深層土體水平位移的監(jiān)測和低應(yīng)變檢測中發(fā)現(xiàn)，靠近堆載區(qū)域的兩根樁基位移變化非常明顯，樁頂位移分別達到了18.9 cm和5 cm，且均在樁頂約6.5 m處發(fā)生了斷樁。在道路修復(fù)時，先開挖表面素填土，后嵌入若干竹節(jié)樁，最后再使用碎石以及細骨料等進行回填形成硬殼層。本文將利用FLAC 3D軟件對硬殼層和竹節(jié)樁的作用進行模擬分析，并希望以此給現(xiàn)場施工提供理論依據(jù)。

2.2 有限差分模型建立

FLAC 3D網(wǎng)格中的每個區(qū)域可以設(shè)定不同的材料模型，并且還允許指定材料參數(shù)的統(tǒng)計分布和變化梯度。包含的界面單元，能夠模擬兩種或多種材料界面不同材料性質(zhì)的間斷特性，允許發(fā)生滑動或分離，因此可以用來模擬巖體中的斷層、節(jié)理或摩擦邊界。FLAC 3D中的網(wǎng)格生成器gen，通過匹配、連接由網(wǎng)格生成器生成局部網(wǎng)格，能夠方便地生成所需要的三維結(jié)構(gòu)和交叉結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，提供靈活的三維空間參數(shù)。本文中的數(shù)值模型共184 890個節(jié)點，257 560個單元，長90 m，寬25 m，坡頂高25 m，初始模型如圖4所示。選取自由場邊界作為4個側(cè)面動力分析邊界，從而減少車輛波動邊界反射。動力分析時動荷載從上部輸入，底部采用靜態(tài)邊界條件。自由場邊界模型包括4個平面網(wǎng)格和4個柱體網(wǎng)格，平面網(wǎng)格在模型邊界上與主體網(wǎng)格是一一對應(yīng)的，柱體網(wǎng)格相當于平面自由場網(wǎng)格的自由場邊界。其中，平面自由場網(wǎng)格是二維計算，假設(shè)在面的法向無限延伸；柱體自由場網(wǎng)格是一維計算，假設(shè)在柱體兩端無限延伸。

2.3 土體參數(shù)

勘探深度以內(nèi)可分為10個工程地質(zhì)亞層：①0素填土，回填時間大于5 a，其成分較雜，均勻性較差，力學強度一般，不建議作為持力層；①1黏土，軟～可塑狀，高壓縮性，工程性能一般，力學強度一般，土質(zhì)較均勻；②1淤泥夾粉砂，流塑狀，高壓縮性，工程性能差，力學強度差，土質(zhì)較均勻；②1′粉砂夾淤泥，稍密狀，中等壓縮性，力學強度一般，工程性能一般，土質(zhì)均勻性較差；②2淤泥，流塑狀，高壓縮性，工程性能差，力學強度差，土質(zhì)較均勻；④2黏土，軟～可塑狀，中等偏高縮性，工程性能較差，力學強度較差，土質(zhì)較均勻；含⑨黏性土碎石，稍～中密狀，中等壓縮性，工程性能較好，力學強度較好，土質(zhì)均勻性較差；⑩1全風化凝灰?guī)r，可塑狀，中等壓縮性，工程性能一般，力學強度一般；⑩2強風化凝灰?guī)r、⑩3中風化凝灰?guī)r，基本不可壓縮，力學性質(zhì)與工程性能好，具體土層參數(shù)見表1。

表1 巖土體計算參數(shù)表

3 FLAC 3D有限差分結(jié)果分析

3.1 硬殼層作用分析

本文采用兩種情況進行硬殼層作用的分析：第一種情況是將車輛荷載等效為2 m堆載作用，分析對比有無硬殼層的樁頭位移情況，由圖5(a)可以看到在2 m堆載作用下，不考慮硬殼層的情況下，樁頭水平位移為0.028 214 m，豎向位移為0.276 870 m；考慮硬殼層的情況下，樁頭水平位移為0.007 208 m，豎向位移為0.028 214 m。在硬殼層的作用下樁頭水平位移減少了88%，樁頭豎向位移減少了89%。這充分說明硬殼層的存在對沉降和土體水平位移影響較大。第二種情況是考慮計算成橋后，橋下地面單側(cè)跑車工況下，對樁基側(cè)向位移的影響，模型取4種土層情況進行計算，淤泥平均厚度分別為10 m,17 m,24 m和30 m三種斷面分別進行計算。通過分析地基處理前的原狀土、設(shè)置8 m深度高壓旋噴樁的有硬殼層的土層以及設(shè)置15 m深度高壓旋噴樁的有硬殼層的土層的樁土位移分析，得到結(jié)果如圖5(b)～圖5(e)所示。從結(jié)果對比中可以看出處理后的土層中的樁土位移均得到了改善，設(shè)置8 m高壓旋噴樁與地基處理前的樁土位移相比，土體水平位移減少30%，土體豎向位移減少25%；樁頭水平位移減少10%，樁頭豎向位移減少8%。由此可見設(shè)置旋噴樁的改善效果有限。通過對比設(shè)置8 m旋噴樁和15 m旋噴樁的效果，15 m旋噴樁的設(shè)置減少了21%的土體水平位移，減少了17%的土體豎向位移；樁頭水平位移減少11%，樁頭豎向位移減少12%。采取加長方式的旋噴樁也不能起到顯著的加固效果。這與趙偉強[18]的研究結(jié)果相互印證，在滿足承載力要求的情況下，改變硬殼層的幾何尺寸和采取額外加固方案的效果有限。由此可知交通荷載(或堆載)引起的對工程樁的水平位移和豎向位移均較小，在本身就有硬殼層的情況下高壓旋噴樁的作用有限，可以適當優(yōu)化加固措施。

3.2 加固措施效果分析

通過FLAC 3D軟件，確定有限差分網(wǎng)格、本構(gòu)特性與材料性質(zhì)、邊界條件與初始條件的工作，可以獲得模型的初始平衡狀態(tài)，也就是模擬開挖前的原巖應(yīng)力狀態(tài)。然后，進行工程開挖或改變邊界條件來進行工程的響應(yīng)分析，模擬計算邊坡在堆載高度分別為1 m,3 m,5 m時不同加固方式的土體位移情況，得到數(shù)據(jù)如表2～表4所示，并通過分析在車輛荷載作用下高壓旋噴處理后有硬殼層的場地與處理前無硬殼層的場地的樁土位移，驗證得到高壓旋噴樁的加固方式能夠起到一定的效果，不同工況下車輛荷載對土體位移的影響見表5。

表2 堆載高度1 m條件下各工況的土體位移

表3 堆載高度3 m條件下各工況的土體位移

表4 堆載高度5 m條件下各工況的土體位移

表5 不同工況下車輛荷載對土體位移的影響

通過表2～表4可以看出未嵌入底部巖體的竹節(jié)樁加固方式，在3 m堆載條件下對土體的加固效果比較有限。而嵌固的竹節(jié)樁的加固效果相較于非嵌固的竹節(jié)樁能減少58%的樁頂位移。以最大高度堆載為例進行分析，盡管設(shè)置高壓旋噴樁與嵌入巖體的竹節(jié)樁的加固方式產(chǎn)生的最大土體水平位移分別增加了12.7%和26%，但是在整體上有效減少了堆載的影響范圍(見圖6～圖8)。這是由于鄧會元等[19]在文章中提到的遮攔效應(yīng)導致的。選擇高壓旋噴樁加固時，5 m堆載下加固樁的樁頭位移為0.338 163 m，而設(shè)置嵌固的竹節(jié)樁的加固樁樁頭位移僅為它的7.5%，嵌固的竹節(jié)樁加固效果明顯優(yōu)于高壓旋噴樁。

4 結(jié)論

1)模擬分析表明硬殼層的存在能有效減少土體的位移，在將車輛荷載等效為2 m堆載作用時，硬殼層的存在減少了至少80%的土體位移。

2)由于降雨入滲的影響，導致硬殼層基質(zhì)吸力的降低，從而導致土體的抗剪強度降低，加之不平衡堆載的影響造成了土體整體剪切破壞。因此為了防止土體進一步破壞的發(fā)生，該工程區(qū)域應(yīng)嚴禁土方堆載并實時對現(xiàn)場降水氣候進行記錄。

3)地基處理前后的結(jié)果中得到高壓旋噴樁在減少樁土水平位移的作用有限，設(shè)置高壓旋噴樁只能減少約25%的土體位移和10%左右的樁頭位移，因此現(xiàn)場施工不僅要采取更有效的加固方式，而且需要充分發(fā)揮硬殼層的作用以達到工程安全建設(shè)的目的。

4)在加固方式的選擇中，非嵌固的竹節(jié)樁不能起到有效的加固效果，而嵌固的竹節(jié)樁的加固效果相較于非嵌固的竹節(jié)樁能減少58%的樁頂位移，這是因為當土體滑動，嵌固的竹節(jié)樁可以將部分滑移力量通過樁體傳遞到嵌固層，與地表的硬殼層產(chǎn)生整體效應(yīng)，減小滑動體作用影響。因此在后續(xù)的施工中，應(yīng)加長竹節(jié)樁的長度并盡量嵌入巖體1 m。

5)選擇高壓旋噴樁加固時，5 m堆載下加固樁的樁頭位移為0.338 163 m，而設(shè)置嵌固的竹節(jié)樁的加固樁樁頭位移僅為它的7.5%，嵌固的竹節(jié)樁加固效果明顯優(yōu)于高壓旋噴樁。因此對于現(xiàn)場施工加固設(shè)計建議以嵌固形式的竹節(jié)樁取代高壓旋噴樁。

6)由于樁基的遮攔效應(yīng)會增大堆載附近的土體位移，但加固措施在整體上有效減少了堆載的影響范圍。