軟土區(qū)路基填筑對鄰近橋梁樁基偏位的影響分析

■張 帆

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福州 350004）

橋梁樁基在堆載作用下極易出現(xiàn)樁基傾斜偏移，甚至導(dǎo)致橋梁發(fā)生垮塌[1-2]。 而位于軟土地區(qū)的橋梁樁基，由于軟土特殊的工程性質(zhì)，在新增荷載的作用下，橋梁樁基會因軟土沉降或流動變形出現(xiàn)偏位，影響橋梁安全。 關(guān)于堆載作用對橋梁樁基的影響，國內(nèi)外學(xué)者從現(xiàn)場監(jiān)測[3-4]、室內(nèi)模型試驗[5]、理論分析[6]、數(shù)值模擬[7-9]等方面均進(jìn)行了不同程度的研究，包括了堆填土體規(guī)模大小、與橋梁樁基之間距離、軟土區(qū)深度、橋梁樁基長度及樁頂約束等條件對橋梁偏位、位移的影響，但多基于工程問題出現(xiàn)后的研究，對必需要進(jìn)行堆填及可采取的工程控制技術(shù)研究較少。 本文以沿海軟基區(qū)新建道路下穿既有橋梁的工程為例，采用數(shù)值模擬，分析了不同工況條件下擬建道路對現(xiàn)狀橋梁樁基礎(chǔ)的影響；并通過計算提出可靠有效的工程控制技術(shù)，可為今后類似工程的處理提供借鑒。

1 工程概況

依托工程道路等級為二級公路兼城市主干路，設(shè)計時速為40 km/h，正常段落道路紅線寬為37 m。由于條件限制，道路路基部分段落需下穿通過既有高速公路橋梁，道路紅線寬44 m，下穿橋梁區(qū)間道路橫斷面如圖1 所示。

圖1 下穿橋梁區(qū)間道路橫斷面

結(jié)合斷面圖及相關(guān)資料可知：（1）擬建道路場區(qū)表層分布有淤泥質(zhì)粘土，厚度約8.6 m。 且勘察資料表明，該類地基土有含水量大、孔隙比高、強度低、滲透性低等特點，且在外載作用下有較大的沉降變形，工程地質(zhì)性質(zhì)差。 （2）該區(qū)間內(nèi)擬建道路路基寬約44 m，填筑高度約3 m，包裹了鄰近高速公路橋梁橋墩，部分填筑荷載直接作用于承臺上。 （3）根據(jù)相關(guān)設(shè)計資料，路基范圍內(nèi)的橋梁樁頂承臺高3 m，平面尺寸為7.3 m×9.0 m； 承臺下布設(shè)了4 根端承樁，樁長22.1 m，樁徑1.8 m，樁底位于中風(fēng)化花崗巖中。

綜合上述情況可以看出，雖然路基范圍內(nèi)的高速公路橋梁樁基為端承樁， 且樁頂有承臺約束，但該軟土區(qū)厚約8.6 m，且上部擬建路基填高3 m，在路基荷載及后期運營條件下，軟土變形是否會引起橋梁樁基出現(xiàn)偏位、傾斜，影響橋梁的安全性和可靠性都需要進(jìn)一步進(jìn)行分析。 為分析不同工況條件下擬建道路對現(xiàn)狀橋梁樁基礎(chǔ)的影響；提出符合實際、 可控制路基填筑對橋梁樁基影響的工程技術(shù)，本文利用PLAXIS 2D 軟件，對軟土區(qū)新建路基對鄰近橋梁樁基偏位的影響進(jìn)行了計算分析。

2 數(shù)值模型建立

為確保數(shù)值模擬計算能夠準(zhǔn)確反映工程實際情況，計算精度滿足工程要求，需合理選擇材料模型與幾何模型等。

根據(jù)本項目的工程特點， 建立2D 平面應(yīng)變有限元模型，計算模型寬140 m、深60 m，僅考慮新建路基對右側(cè)橋梁樁基礎(chǔ)的影響。 其中，巖土體采用15 節(jié)點三角形平面單元，巖土體材料模型采用硬化土模型（Hardening-Soil 模型），其中取主偏量加載剛度模量E50=側(cè)限壓縮剛度模量Eoed=壓縮模量ES1-2，卸載/再加載剛度模量Eur=3×E50[10-11]；橋梁樁基礎(chǔ)及承臺采用線彈性模型，并根據(jù)剛度等效原則，用等效厚度的板來模擬，承臺作為樁頂約束；樁土之間的粘聚力與內(nèi)摩擦角通過界面強度折減因子Rinter進(jìn)行折減。 模型的底部邊界施加完全固定約束，左右側(cè)邊界施加水平向約束。 新建道路荷載采用實際路基填筑進(jìn)行模擬。 計算參數(shù)選取如表1、2 所示，建立數(shù)值計算模型如圖2 所示。

表1 軟基區(qū)土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 橋梁樁基礎(chǔ)及承臺物理力學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值計算模型及網(wǎng)格劃分

3 軟基處理對橋梁樁基的影響分析

3.1 軟土地基處理的方案比選

根據(jù)地勘資料可知，新建道路及現(xiàn)狀橋梁樁基礎(chǔ)表層均位于淤泥質(zhì)粘土中，軟土厚度約8.6 m，其強度低、壓縮性高、靈敏度大，工程性能差，在填土荷載的作用下，易出現(xiàn)變形位移，影響橋梁樁基安全。 為掌握軟土地基上堆載對臨近橋梁樁基偏位的影響，通過建立數(shù)值模型計算，就軟基處理前路基填筑對橋梁樁基的影響進(jìn)行計算， 計算結(jié)果如圖3所示。

由圖3 可知，在對軟基不處理、直接進(jìn)行路基填筑時， 新建路基填筑后坡腳水平位移達(dá)1.86 m，橋梁樁頂位移達(dá)12.3 mm， 不滿足路基和橋梁安全要求。 因此，為確保新建道路及橋梁樁基的穩(wěn)定性和安全性滿足要求，在路基填筑前需對軟土區(qū)的淤泥質(zhì)粘土進(jìn)行處理，以達(dá)到道路工程建設(shè)的要求。

圖3 未進(jìn)行軟基處理下的路基變形及樁頂位移情況

由于本項目為下穿現(xiàn)狀高速橋梁的道路工程，軟基處理方案選擇時必須考慮橋下凈空條件、軟基處理施工作業(yè)的擠土效應(yīng)等。 根據(jù)高速橋梁的設(shè)計文件，現(xiàn)狀橋下凈空最大為9.3 m，而塑料排水板、水泥攪拌樁、CFG 樁、 管樁的施工機械高度均超過9 m，無法在本項目的軟基處理中應(yīng)用。 同時，該段落道路下方布設(shè)了電力、給排水等管線，為滿足管線對地基承載力及路基沉降等要求， 通過綜合比選，采用小直徑鉆孔灌注樁對現(xiàn)狀場地區(qū)的軟土進(jìn)行處理。 具體處理方案如下：（1）鉆孔灌注樁樁長12 m，樁身直徑50 cm，樁身混凝土強度C25，按平均進(jìn)入粉質(zhì)粘土4～5 m 控制；鉆孔灌注樁在平面上按2 m×2 m 正方形布置；樁間設(shè)級配碎石砂加筋墊層，厚度為50 cm。鉆孔灌注樁橫斷面布置如圖4 所示，平面布置如圖5 所示。 （2）小直徑鉆孔灌注樁采用回旋鉆進(jìn)、泥漿護(hù)壁施工工藝，施工工藝流程包括：鉆孔機就位→鉆孔→注泥漿→下套管→繼續(xù)鉆孔→排渣→清孔→吊放鋼筋籠→射水清底→插入混凝土導(dǎo)管→澆筑混凝土→拔出導(dǎo)管。 （3）為協(xié)調(diào)樁土受力變形，樁間設(shè)級配碎石砂加筋墊層，墊層厚度為50 cm，加筋材料采用高強度、低延伸率的土工格柵。 （4）為盡量減小鉆孔灌注樁施工對橋梁樁基礎(chǔ)的影響， 在距離橋樁承臺1.2 m 位置四周施做一排拉森鋼板樁，施工順序先于鉆孔灌注樁，鋼板樁選型為拉森Ⅳ新鋼板樁，施工時確保樁與樁之間互鎖結(jié)構(gòu)形成連鎖。

圖4 鉆孔灌注樁軟基處理斷面圖

圖5 鉆孔灌注樁軟基處理平面圖

3.2 軟基處理對橋梁樁基的影響分析

根據(jù)建立的數(shù)值模型及選定的軟基處理方法，對軟基處理對橋梁樁基的影響進(jìn)行分析，模擬過程為初始地應(yīng)力平衡→打設(shè)橋樁→位移清零→打鉆孔灌注樁。 其中， 小直徑鉆孔灌注樁彈性模量取28 GPa，樁長12 m，樁徑0.5 m，間距2 m×2 m；小直徑鉆孔灌注樁施工完成后，橋梁樁頂水平位移計算結(jié)果如圖6 所示。

圖6 鉆孔灌注樁施工對樁頂位移的影響

由圖6 可以看出：在完成小直徑鉆孔灌注樁后，橋梁樁頂基本未發(fā)生水平位移，且由于樁頂承臺的約束，前后樁基的樁頂位移相同；但樁身最大水平位移點由原來的樁頂位置變?yōu)樾≈睆姐@孔灌注樁樁端位置。 由此說明，軟基處理小直徑鉆孔灌注樁施工對橋梁樁基影響微小，但在鉆孔灌注樁施工會在軟基處理的剛性樁樁端位置出現(xiàn)一定的擠土效應(yīng)。

4 路基填筑對橋梁樁基偏位的影響分析

根據(jù)設(shè)計條件，該段路基填筑高度約3 m。為盡量減小路基填筑新增荷載對橋梁樁基偏位的影響，對比分析了軟基處理完成后采用砂類土和輕質(zhì)泡沫混凝土這2 種不同的路基材料填筑對橋梁樁基的影響，2 種路基填筑材料物理力學(xué)參數(shù)見表3，數(shù)值計算模型如圖7 所示。

表3 路基不同填筑材料物理力學(xué)參數(shù)

圖7 軟基處理數(shù)值計算模型及網(wǎng)格劃分

經(jīng)計算，采用不同填筑材料填筑路基時的樁頂位移結(jié)果如圖8 所示。

圖8 不同路基材料填筑對樁頂位移的影響

對比圖3 和圖8 可知：（1）當(dāng)軟基處理完成后采用一般路基土（砂類土）填筑時（容重取19 kN/m3），路基填筑完成后，樁頂水平位移為5.6 mm，僅為軟基處理前路基填筑樁頂水平位移的45.5 %，說明在軟基區(qū)橋梁樁基附近修建路堤時，必須在軟基處理后方可進(jìn)行路堤填筑施工，且軟基處理設(shè)計參數(shù)應(yīng)根據(jù)計算確定，以確保路基填筑后的道路穩(wěn)定。 （2）當(dāng)采用輕質(zhì)泡沫混凝土（容重取8 kN/m3）進(jìn)行路基填筑時， 路基填筑完成后的樁頂水平位移為1.2 mm，與采用一般路基土填筑時的樁頂水平位移相比減少了約78.6%，說明采用輕質(zhì)泡沫混凝土進(jìn)行路基填筑可以有效控制路堤對橋梁樁基的影響，減荷作用明顯。 （3）從圖6 可以看出，當(dāng)采用一般路基土填筑時，樁身水平位移最大點位于樁頂位置，當(dāng)采用輕質(zhì)泡沫混凝土填筑時，樁身水平位移最大點位于軟基處理小直徑鉆孔灌裝樁樁端位置，說明當(dāng)填土荷載較大時，橋梁樁頂?shù)乃轿灰拼笥跇蛄簶渡硖庛@孔灌裝樁樁端位置的水平位移，當(dāng)填土荷載較小時，橋梁樁身處鉆孔灌裝樁樁端位置的水平位移大于橋梁樁頂?shù)乃轿灰?，究其原因是由鉆孔灌注樁施工產(chǎn)生的樁端擠土效應(yīng)引起的。 （4）通過對上述各工況的計算分析， 得到的樁頂豎向位移最大為0.032 mm。 說明對于端承樁而言，路基填筑基本不會引起橋梁樁基豎向位移。

5 結(jié)論

通過方案比選、計算分析，依托工程下穿通過既有高速公路橋梁段，在路基填筑前采用小直徑鉆孔灌注樁對場地區(qū)軟基進(jìn)行處理，選用輕質(zhì)泡沫混凝土進(jìn)行路基填筑，達(dá)到了軟基處理和減小路基填筑對橋梁樁基偏位影響的目的。 自2019 年12 月完成施工，截至2022 年4 月，該段道路及上方高速公路橋梁均保持正常運營狀態(tài)。

基于計算分析，得出以下主要結(jié)論：（1）軟基區(qū)橋梁樁基附近修建路堤時，必須在軟基處理后方可進(jìn)行路堤填筑施工；軟基處理方案選擇應(yīng)綜合考慮如下橋凈空條件、軟基深度等因素，并應(yīng)基于計算確定處理方案設(shè)計參數(shù)，以確保路基填筑后的道路穩(wěn)定。 （2）通過計算分析可知，軟基處理小直徑鉆孔灌注樁施工對橋梁樁基影響微小，但鉆孔灌注樁施工會在樁端位置出現(xiàn)一定的擠土效應(yīng)。 （3）在軟土區(qū)路基填筑時，應(yīng)綜合比選路基填筑材料，盡量減小填筑區(qū)上部新增荷載。 經(jīng)計算，與砂類土填筑相比，采用輕質(zhì)泡沫混凝土進(jìn)行路基填筑，可以有效控制路堤對橋梁樁基的影響，減荷作用明顯。 （4）對于端承樁而言，路基填筑基本不會引起樁頂豎向位移；但對于摩擦樁而言，除樁基偏位外，還應(yīng)考慮路基填筑附加荷載引起樁周土體沉降對樁基產(chǎn)生的負(fù)摩阻力。