真空預(yù)壓近接施工對(duì)既有道路保護(hù)措施

李玉水，郭慶梅，寇曉強(qiáng)，付建寶，李斌

（1.中交橫琴投資有限公司，廣東珠海519031；2.中交天航港灣建設(shè)工程有限公司，天津300450；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222）

真空預(yù)壓近接施工對(duì)既有道路保護(hù)措施

李玉水1，郭慶梅2，寇曉強(qiáng)3，付建寶3，李斌3

（1.中交橫琴投資有限公司，廣東珠海519031；2.中交天航港灣建設(shè)工程有限公司，天津300450；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222）

真空預(yù)壓近接施工將對(duì)既有道路產(chǎn)生拉裂影響，采用FLAC3D軟件建立了真空預(yù)壓既有道路近接施工數(shù)值模型，對(duì)比分析了采用雙排高壓旋噴樁和灌注樁兩種保護(hù)措施情況下對(duì)既有道路的影響。支擋結(jié)構(gòu)為雙排高壓旋噴樁時(shí)，真空預(yù)壓對(duì)快速路的影響范圍為28 m，道路樁基最大側(cè)向位移為21.4 cm。支擋結(jié)構(gòu)為灌注樁時(shí)，影響范圍為24 m，道路樁基最大側(cè)向位移為12.6 cm。灌注樁擋墻的保護(hù)方案可在一定程度上削弱真空預(yù)壓對(duì)既有道路的不利影響。

真空預(yù)壓；既有道路；側(cè)向位移；影響范圍

0 引言

珠海市橫琴島位于珠海市陸域東南部，珠江出?？谖鱾?cè)，東隔十字門水道與澳門相鄰，南瀕南海，西臨磨刀門水道，北與珠海南灣城區(qū)隔馬騮洲水道相望。橫琴新區(qū)所處地理位置決定了其地基分布土體以濱海相淤泥質(zhì)軟土為主，土體物理力學(xué)性能極差。相比較其他地區(qū)的淤泥質(zhì)軟土地基，橫琴地區(qū)的淤泥質(zhì)軟土地基呈現(xiàn)出了含水量更高（普遍在70%左右），淤泥分布厚度更大（普遍分布淤泥層厚度為30 m，局部區(qū)域厚度可達(dá)40 m）的特點(diǎn)。在如此深厚且軟弱的地基上進(jìn)行土地開發(fā)建設(shè)，地基變形穩(wěn)定性常常難以滿足設(shè)計(jì)施工要求，地基一旦受擾動(dòng)，其變形影響范圍將持續(xù)至相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，對(duì)周圍環(huán)境影響巨大，從而為既有建（構(gòu)）筑物帶來諸多的危險(xiǎn)因素。

一方面隨著橫琴新區(qū)的開發(fā)建設(shè)，城市用地的捉襟見肘，另一方面采用軟基處理技術(shù)拓展城市建設(shè)用地勢(shì)在必行，而軟基處理對(duì)既有建（構(gòu)）筑物的影響是深厚軟基環(huán)境下必須要重點(diǎn)考慮的問題，這將關(guān)系著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全與社會(huì)的穩(wěn)定。

真空預(yù)壓是軟基處理中最為重要的一種手段[1]，根據(jù)JGJ 79—2002《建筑地基處理規(guī)范》的相關(guān)要求[2]，并在遵從土工基本原理[3]的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)有限元對(duì)真空預(yù)壓過程的模擬[4]，并在此基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)提出的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，為以后的類似工程提供借鑒，具有一定的實(shí)際意義。

1 工程概況

橫琴新區(qū)某真空預(yù)壓施工項(xiàng)目臨近一條車流量較大的城市道路，真空預(yù)壓區(qū)邊線與道路管廊帶最近距離7 m（圖1所示）。

既有道路采用CFG樁進(jìn)行基礎(chǔ)處理，道路紅線范圍CFG樁間距為1.8 m，正方形布置。全路段CFG樁均采用直徑為40 cm，強(qiáng)度等級(jí)為C15商品混凝土，墊層采用50 cm厚級(jí)配碎石。CFG樁均打穿淤泥，且進(jìn)入持力層不小于1.0 m。

圖1 地基處理與既有道路位置圖Fig.1Location of vacuum preloading area and existing road

2 地勘資料及軟基加固方案

真空預(yù)壓區(qū)處理寬度25 m。處理時(shí)首先將場(chǎng)地整平至2.2 m標(biāo)高，然后打設(shè)支擋結(jié)構(gòu)?？紤]最不利情況，選取一個(gè)軟土層厚度最大的斷面作為計(jì)算斷面，計(jì)算斷面土層參數(shù)如表1所示。設(shè)計(jì)方案采用真空預(yù)壓對(duì)地基進(jìn)行處理，計(jì)算斷面處排水板深度為17 m，梅花形布置，間距1 m。真空預(yù)壓區(qū)與快速路之間的支擋結(jié)構(gòu)考慮兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是雙排高壓旋噴樁，另一種是灌注樁結(jié)構(gòu)形式。

表1 計(jì)算斷面土層參數(shù)表Table 1Parameters of soil layers on cross section

3 數(shù)值分析模型

根據(jù)表1地質(zhì)資料，使用巖土專業(yè)數(shù)值分析軟件FLAC3D建立如圖2所示數(shù)值模型。

圖2 真空預(yù)壓近接施工數(shù)值模型Fig.2Model of vacuum preloading close to existing road

模型中考慮對(duì)稱性，只選取真空預(yù)壓區(qū)的一半和快速路一側(cè)。由于管廊帶CFG樁為間隔2 m的正三角形布置，因而模型厚度取1 m，整個(gè)模型尺寸為100 m×40 m×1 m，CFG樁在模型正面和背面交錯(cuò)布置，CFG深入6-1粉質(zhì)黏土層1 m。圖中Pile表示為真空預(yù)壓區(qū)和快速路之間的支擋結(jié)構(gòu)，分為高壓旋噴樁和灌注樁加高壓旋噴樁兩種，下文將分別對(duì)兩種支擋結(jié)構(gòu)下的模型進(jìn)行分析。圖中cfg_pile為快速路路基中的CFG樁，樁直徑40 cm，樁身進(jìn)入粉質(zhì)黏土1 m，采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。

圖3為支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖，高壓旋噴樁直徑700 mm，搭接200 mm，擋墻深12 m。灌注樁直徑800 mm，間距1 200 mm，樁間填充高壓旋噴樁，高壓旋噴樁直徑600 mm。灌注樁深20 m，高壓旋噴樁深11 m。

圖3 保護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3Protection structure

模型中全風(fēng)化花崗巖視為不透水彈性材料，其它土層視為Mohr-Coulomb材料。真空預(yù)壓區(qū)受真空壓力85 kPa，計(jì)算預(yù)壓時(shí)間120 d。真空預(yù)壓區(qū)塑料排水板采用通用的平面等效化法[5-7]，這里采用柴錦春方法進(jìn)行等效計(jì)算，柴錦春方法的中心思想為：從宏觀的角度看，塑料排水板只是增加了整個(gè)地基的豎向滲透系數(shù)，因此可以考慮用等效豎向滲透系數(shù)kve代替原來的豎向滲透系數(shù)。柴錦春等效豎向滲透系數(shù)kve的計(jì)算如式（1）和（2）所示：

式中：kh為原土層水平方向滲透系數(shù)；kv為原土層豎直方向滲透系數(shù)；ks為涂抹區(qū)土層水平方向滲透系數(shù)；n=De/dw，De為排水單元直徑，dw為排水板等效直徑；s=ds/dw，ds為涂抹區(qū)等效直徑；l為排水路徑長(zhǎng)度，單面排水時(shí)，l等于排水板長(zhǎng)度，雙面排水時(shí)，l等于排水板長(zhǎng)度的1/2；qw為排水板的通水量。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

圖4給出了抽真空結(jié)束時(shí)，兩種保護(hù)措施條件下地基側(cè)向變形分布情況（圖中指向道路側(cè)方向?yàn)檎担?。在使用旋噴樁支護(hù)措施時(shí)，抽真空施工引起的道路側(cè)地基最大側(cè)向位移集中在路基坡腳下5～6 m深度處，最大位移量達(dá)到了22.8 cm，真空預(yù)壓對(duì)既有道路變形影響明顯。使用灌注樁作為支護(hù)措施時(shí)，道路側(cè)地基最大側(cè)向位移集中在路基坡腳下6～8 m深度處，最大位移量為15.8 cm，支護(hù)效果略優(yōu)于旋噴樁，但仍存在較為明顯側(cè)向位移。

圖4 抽真空結(jié)束時(shí)側(cè)向位移云圖Fig.4Cloud chart of lateral displacement after vacuum preloading

考察既有道路CFG樁側(cè)向變形（如圖5所示），樁體結(jié)構(gòu)整體有向真空預(yù)壓區(qū)彎曲的趨勢(shì)。道路緊鄰真空區(qū)CFG樁最大側(cè)向位移為12.6 cm，距真空區(qū)15 m處CFG樁最大側(cè)向位移為5.3 cm。灌注樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)情況下，抽真空結(jié)束時(shí)道路CFG樁最大側(cè)向位移為12.6 cm，距離真空區(qū)15 m處樁基最大側(cè)向位移10.1 cm，比較雙排高壓旋噴結(jié)構(gòu)的保護(hù)效果，灌注樁支護(hù)效果相對(duì)理想。

圖5道路既有樁基最大位移云圖（效果放大10倍）Fig.5Cloud chart of maximum displacement of existing pile foundation

圖6 為路面表層側(cè)向位移與保護(hù)措施外邊沿距離的關(guān)系曲線，取向擋墻方向?yàn)檎?。結(jié)果顯示距離高壓旋噴樁擋墻28 m處，整體側(cè)向位移出現(xiàn)收斂趨勢(shì)，因此在雙排高壓旋噴樁支護(hù)情況下，真空預(yù)壓對(duì)道路表層拉裂顯著影響距離為28 m。距離灌注樁擋墻24 m處，表層側(cè)向位移出現(xiàn)收斂趨勢(shì)，因此在灌注樁支護(hù)情況下，真空預(yù)壓對(duì)道路表層拉裂顯著影響距離為24 m。

圖6 表層側(cè)向位移與保護(hù)措施外沿距離的關(guān)系曲線Fig.6Relation curve of surface lateral displacement and distance to protect structure

5 保護(hù)措施效果分析

支擋結(jié)構(gòu)分別為雙排高壓旋噴樁和灌注樁兩種情況下真空預(yù)壓區(qū)真空預(yù)壓對(duì)快速路的影響情況如表2所示。相比雙排高壓旋噴樁擋墻，灌注樁方案雖更加能夠削弱真空預(yù)壓對(duì)道路的不利影響，但兩種保護(hù)措施下真空預(yù)壓對(duì)既有道路的影響程度均比較明顯。

表2 不同支擋結(jié)構(gòu)對(duì)快速路的影響效果對(duì)比表Table 2Comparison of influence of different retaining structures on expressway

真空預(yù)壓施工對(duì)既有道路影響均明顯體現(xiàn)在側(cè)向拉裂上[8]，實(shí)際上，高壓旋噴樁結(jié)構(gòu)及灌注樁結(jié)構(gòu)均非良好的抵抗側(cè)向變形的結(jié)構(gòu)，圖7給出了兩種保護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形云圖及效果圖，由于高壓旋噴樁打設(shè)深度不夠，未穿透軟土層，其側(cè)向位移為典型的整體式向真空區(qū)懸浮傾斜特性，而灌注樁打設(shè)深度較深，雖然對(duì)地基整體側(cè)向位移有一定限制，但由于結(jié)構(gòu)長(zhǎng)細(xì)比過大，其保護(hù)效果也不理想，樁身最大側(cè)向位移量達(dá)到了18 cm，樁身結(jié)構(gòu)接近破壞。

圖7 保護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移分布云圖及效果圖（放大10倍）Fig.7Cloud chart and design sketch of lateral displacement of protect structure

6 結(jié)語

本文采用FLAC3D軟件建立了真空預(yù)壓區(qū)真空預(yù)壓處理的數(shù)值模型，分別分析了保護(hù)結(jié)構(gòu)為高壓旋噴樁和灌注樁加高壓旋噴樁兩種情況下真空預(yù)壓對(duì)既有道路的影響，得到了以下結(jié)論：

1）保護(hù)結(jié)構(gòu)為雙排高壓旋噴樁時(shí)，真空預(yù)壓對(duì)快速路的影響范圍為28 m，道路樁基最大側(cè)向位移為21.4 cm；保護(hù)結(jié)構(gòu)為灌注樁時(shí)，影響范圍為24 m，道路樁基最大側(cè)向位移為12.6 cm。

2）相比單純高壓旋噴樁擋墻，采用灌注樁作為保護(hù)結(jié)構(gòu)可一定程度上降低真空預(yù)壓對(duì)快速路的不利影響。

3）在橫琴新區(qū)深厚軟土地層條件下，兩種剛性樁保護(hù)方案保護(hù)效果均不能達(dá)到工程要求，需要進(jìn)一步展開深厚軟土地基近接施工保護(hù)措施的研究。

[1]錢家歡，殷宗澤.土工原理與計(jì)算[M].2版.北京：中國(guó)水利水電出版社，1996.

QIAN Jia-huan,YIN Zong-ze.Geotechnical principles and calculation[M].2nd ed.Beijing:China Water&Power Press,1996.

[2]JGJ 79—2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S]. JGJ 79—2002,Technical code for ground treatment of building[S].

[3]陳仲頤，周景星，王洪瑾.土力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

CHENZhong-yi,ZHOUJing-xing,WANGhong-jin.Soil mechanics [M].Beijing:Tsinghua University Press,2009.

[4]孫立強(qiáng)，閆澍旺，李偉.真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓加固吹填土地基有限元分析法的研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32（4）：592-599.

SUN Li-qiang,YAN Shu-wang,LI Wei.Finite element analysis of reclaimed soil foundation consolidated by surcharge preloading combined with vacuum preloading[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2010,32(4):592-599.

[5]CHAI Jin-chun,SHEN Shui-long,MIURA Norihiko.Simple method of modeling PVD-improved subsoil[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2001(11):965-972.

[6]葉觀寶，李志斌，徐超.塑料排水板處理軟弱地基的平面應(yīng)變簡(jiǎn)化方法探討[J].結(jié)構(gòu)工程師，2006，22（1）：51-55.

YE Guan-bao,LI Zhi-bin,XU Chao.Discussion on plane-strain modeling methods in soft foundation treated by PVDs[J].Structure Engineers,2006,22(1):51-55.

[7]董志良，陳平山，莫海鴻，等.真空預(yù)壓法有限元計(jì)算比較[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（11）：2 347-2 353.

DONG Zhi-liang,CHEN Ping-shan,MO Hai-hong,et al.Comparison of numerical simulation with finite element method for vacuum preloading[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008,27(11):2 347-2 353.

[8]邱青長(zhǎng)，董志良，莫海鴻，等.真空預(yù)壓影響區(qū)旋噴樁防護(hù)效果[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2006（3）：16-19.

QIU Qin-chang,DONG Zhi-liang,MO Hai-hong,et al.Effect of jet grouting piles to protect areas of soft ground improved by vacuum preloading[J].China Harbour Engineering,2006(3):16-19.

Protect measure of vacuum preloading junction construction to the existing road

LI Yu-shui1,GUO Qing-mei2,KOU Xiao-qiang3,FU Jian-bao3,LI Bin3
（1.CCCC Hengqin Investment Co.,Ltd.,Zhuhai,Guangdong 519031,China;2.CCCC Tianhang Harbor Engineering Co.,Ltd., Tianjin 300450,China;3.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

There is an influence of vacuum preloading junction construction to the existing road.The mechanical model of vacuum preloading is established by FLAC3D.The influence of 2 protection measures with double row high-pressure jet grouting pile and cast-in-place pile on existing road is compared and analyzed.When the retaining structure is high-pressure jet grouting pile,the influence of vacuum preload on the expressway is 28 m and the maximum lateral displacement of road pile foundation is 21.4 cm.When the retaining structure is cast-in-place pile,the range of impact zone is 24 m and the maximum lateral displacement of road pile foundation is 12.6 cm.The protection scheme of the cast-in-place pile retaining wall can weaken the adverse impact of vacuum preloading on the existing road.

vacuum preloading;existing road;lateral displacement;influence scope

U655.4

A

2095-7874（2017）06-0087-05

10.7640/zggwjs201706019

2016-11-30

2017-03-29

李玉水（1982—），男，河北霸州人，工程師，從事市政道路及軟基處理的研究和管理工作。E-mail：258497405@qq.com