真空預(yù)壓軟基處理對鄰近樁基的影響分析

周 瓊，李 為，高 郢，王 晶

(1.中海(廣州)工程勘察設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510277；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢 430010；3.南京水利科學研究院，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)受到負摩阻力，對上部結(jié)構(gòu)不利。地面堆載導致鄰近樁基發(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鄰近樁基受力和變形特性的影響分析具有重要現(xiàn)實意義。

目前已有不少專家學者采用理論分析、物理模型試驗、有限元數(shù)值分析及現(xiàn)場監(jiān)測等手段開展了相關(guān)的研究工作。李仁平等[4]、梁發(fā)云等[5]、張浩等[6]在一定的簡化和假設(shè)條件下從理論上推導了地面堆載對鄰近樁基應(yīng)力變形影響的計算模式。魏汝龍等[7]、陳永戰(zhàn)等[8]采用土工離心模型試驗分析了岸坡填土對樁基碼頭應(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)場試驗獲取了地面堆載對鄰近樁基應(yīng)力變形的影響規(guī)律。以上研究主要針對堆載區(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)，承臺尺寸為5.7 m×5.7 m×2.5 m(長×寬×高)，承臺下正方形布置4根φ1.25 m鉆孔灌注樁(C50)，樁中心距3.2 m，樁長64.0 m，樁端持力層為全風化花崗巖。

1.2 工程地質(zhì)條件

場地所處地貌為沖海積平原，地勢平坦開闊，巖土層分布及各巖土層物理力學參數(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 各巖土層物理力學參數(shù)

1.3 軟基處理工程設(shè)計

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級回填6 m厚海砂，每級回填厚度2 m。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加載計劃見圖2。

圖2 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加載計劃

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)點單元，場地土方填筑以分布荷載的形式考慮，塑料排水板實際施工為間隔布置(非連續(xù)布置)，計算時按照固結(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)點數(shù)量47 936。

表2 各巖土層物理力學參數(shù)

圖3 有限元模型

2.2 本構(gòu)模型

基樁及承臺均采用線彈性模型，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)點約束法向位移，模型底部節(jié)點約束3個方向的位移。

孔壓邊界條件：加固區(qū)外地基表面節(jié)點超靜孔隙水壓力取0，真空預(yù)壓加固區(qū)內(nèi)地基表面節(jié)點超靜孔隙水壓力取-80 kPa，等效砂墻中心節(jié)點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 計算步驟

步驟一建立土層及樁基礎(chǔ)，進行初始地應(yīng)力平衡。

步驟二樁頂承臺上施加上部結(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)基樁與遠土側(cè)基樁(基樁位置見圖1，下同)樁體水平位移計算結(jié)果見圖4。在第一級填筑之前(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)樁體位移略大于遠土側(cè)樁體位移，這是樁頂承載承臺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致的結(jié)果。

a)近土側(cè)基樁

樁身彎矩計算結(jié)果見圖5。在第一級填土之前，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)基樁與遠土側(cè)基樁在軟基處理各個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的約束作用，從而導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)點超靜孔隙水壓力取0。

樁體水平位移曲線計算結(jié)果見圖6。由于樁頂承臺的約束作用，近土側(cè)和遠土側(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，位移方向遠離加固區(qū)。隨著加固區(qū)堆載土方分級填筑，樁體水平位移逐漸增大。

a)近土側(cè)基樁

樁身彎矩計算結(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)基樁與遠土側(cè)基樁在軟基處理各個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，且樁頂受承臺約束作用，從而導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算結(jié)果對比見表3。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法軟基處理時樁身最大水平位移和最大彎矩均明顯小于堆載預(yù)壓軟基處理時的數(shù)值，分析原因是真空負壓作用使加固土體產(chǎn)生向內(nèi)收縮的趨勢，從而減小了堆載土方對鄰近樁基的影響。

表3 基樁最大水平位移與最大彎矩計算結(jié)果

針對軟土地基上地面堆載對鄰近樁基保護措施，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)濟可行的方法。

4 結(jié)論

本文結(jié)合具體工程實例，采用有限單元法分別計算了真空聯(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，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，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對鄰近樁基的保護措施。