堆載物作用下的軟基處治措施對(duì)臨近樁基工程特性的影響分析

張曉馳，秦晨洋

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

當(dāng)在河谷地區(qū)修建橋梁樁基時(shí)，由于橋臺(tái)后常有高路基填土，橋梁樁基不僅會(huì)受到上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的豎向荷載和水平向荷載，還會(huì)受到側(cè)方堆載物(通常為填土)影響從而產(chǎn)生側(cè)向位移，特別是路基填土下含有軟弱夾層時(shí)，由于軟土具有高壓縮性、高觸變性、高結(jié)構(gòu)性、低抗剪強(qiáng)度、低透水性的特點(diǎn)，使得橋梁樁基極易發(fā)生較大側(cè)向位移，嚴(yán)重影響工程的安全性[1-3]。由于線性工程的特殊性，側(cè)向變形成為評(píng)價(jià)橋梁樁基穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，針對(duì)堆載物作用下軟基對(duì)臨近樁基側(cè)向變形的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了大量研究。

當(dāng)堆載物下存在軟弱夾層時(shí)，針對(duì)其受力變形規(guī)律及對(duì)鄰近構(gòu)筑物的影響，李忠誠(chéng)等[4]在地面超載條件下分析了土體的側(cè)移模式及堆載物大小、堆載物距離、樁間距對(duì)鄰近樁基力學(xué)特性的影響；馮忠居等[5]分析了堆載甚至超載條件下軟土地基的側(cè)向位移模式、變性規(guī)律以及對(duì)鄰近樁基的影響；董亮等[6]基于對(duì)高鐵橋梁地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)堆載物情況的調(diào)研，分析了橋梁墩臺(tái)在單側(cè)堆載作用下的受力變形特性；馬遠(yuǎn)剛等[7]利用有限差分法分析堆載作用對(duì)被動(dòng)樁側(cè)向位移的影響；張建勛等[8]將樁體等效成板樁，用梁?jiǎn)卧M，采用平面有限元分析了堆載超載影響下的相鄰樁基性狀。側(cè)方堆載物的作用會(huì)嚴(yán)重影響臨近樁基的受力變形特性，從而影響工程的安全性，為此，需對(duì)其進(jìn)行處理以確保橋梁能夠安全運(yùn)營(yíng)。陳繼彬等[9]依托四川省遂資高速公路軟弱地基變形觀測(cè)的數(shù)據(jù)，探討碎石樁處理、塑料排水板等處治措施對(duì)軟土地基側(cè)向變形的處理效果；楊敏等[10-13]分析了加固寬度、加固深度以及加固彈性模量等因素對(duì)超載軟土地基鄰近樁基側(cè)向變形的影響；郭院成、熊巨華、李波等[14-17]分析了長(zhǎng)短樁復(fù)合地基作為軟基處理措施的效果；吳俊等[18]分析了水泥攪拌樁復(fù)合地基處理軟土地基時(shí)的加固效果。

當(dāng)前針對(duì)樁基單側(cè)大面積堆載工況時(shí)，工程中往往忽略對(duì)軟弱地基的預(yù)先處理，而是在橋梁樁基施工完成后通過(guò)在橋臺(tái)前填方一側(cè)設(shè)置抗滑樁和削方減載的方式減小橋梁樁基受力。但是，此時(shí)樁基的側(cè)向變位已經(jīng)發(fā)生，變位較大時(shí)將影響樁基的承載特性及穩(wěn)定性。因此，本文基于某橋工程中在堆載物作用下樁基出現(xiàn)較大側(cè)向位移的工程問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，利用Midas有限元軟件，分析預(yù)處理的處治措施、處理距離對(duì)堆載物側(cè)鄰近樁基工程特性的影響。

1 工程概況

該橋原設(shè)計(jì)下部結(jié)構(gòu)為柱式橋墩，其中位于堆載物(填土)側(cè)邊的1#橋墩的樁徑為2.0 m，樁長(zhǎng)為35 m。1#橋墩與堆載物的位置關(guān)系如下頁(yè)圖1所示。在施工過(guò)程中，1#橋墩墩頂發(fā)生了背向堆載物的偏移，偏移量達(dá)到12 cm。經(jīng)補(bǔ)勘后發(fā)現(xiàn)，1#橋墩側(cè)邊堆載物下存在大面積的軟弱夾層，在堆載作用下軟土層受到擠壓產(chǎn)生側(cè)向擠推，導(dǎo)致橋墩產(chǎn)生較大位移。

圖1 1#橋墩與堆載物(填土)的位置關(guān)系實(shí)例圖

當(dāng)發(fā)生工程病害后再處理，耽誤施工進(jìn)度，增加施工成本，因此，本文提出在詳細(xì)勘測(cè)后先處理、后堆載的施工思路，采用不同處治措施以及處理距離對(duì)軟弱夾層進(jìn)行地基處理，并評(píng)價(jià)其處理效果，確保橋梁工程的安全運(yùn)營(yíng)。

2 數(shù)值模擬模型建立及驗(yàn)證

2.1 模型建立及參數(shù)選取

為分析復(fù)合地基處理后橋梁墩柱的變形規(guī)律與力學(xué)特征，本文采用Midas有限元軟件建立數(shù)值模擬模型，其計(jì)算模型如圖2所示。橋梁基礎(chǔ)和剛性長(zhǎng)短樁采用混凝土材料，分析采用理想彈性本構(gòu)模型，地基土和水泥攪拌樁采用理想的彈塑性模型線性Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則進(jìn)行分析。模型四周固定x、y方向位移；模型底面固定x、y、z三個(gè)方向位移。樁后堆載有高30 m的填土，樁周土層從上到下依次是軟土層、強(qiáng)風(fēng)化巖層、中風(fēng)化巖層，層厚分別為16 m、6 m、42 m。各土層材料、水泥攪拌樁和剛性長(zhǎng)短樁的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型材料參數(shù)表

圖2 計(jì)算模型圖

2.2 模型驗(yàn)證

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，在地基未處治前，1#-1樁、1#-2樁、1#-3樁的樁頂偏移量分別為64.6 mm、66.3 mm、69.9 mm，與利用Midas軟件模擬得到的62.62 mm、62.37 mm、62.31 mm相比，誤差分別為3.1%、5.9%、10.8%，即數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合。因此，可認(rèn)為本文建立的模型與參數(shù)的選取具有可靠性。

2.3 計(jì)算工況

2.3.1 處治措施

分析水泥攪拌樁和剛性長(zhǎng)短樁兩種處治措施對(duì)堆載物下鄰近樁基的側(cè)向變形的影響。兩種處治措施均采用梅花樁布置形式，兩種處治措施的樁基參數(shù)分別為：(1)水泥攪拌樁樁長(zhǎng)18 m，樁徑為0.5 m，共28排，每排16根，順橋向樁間距為1 m，橫橋向樁間距為2 m；(2)剛性長(zhǎng)短樁的長(zhǎng)樁樁長(zhǎng)22 m，短樁樁長(zhǎng)14 m，樁徑為0.5 m，長(zhǎng)樁和短樁各14排，每排16根，順橋向樁間距為1 m，橫橋向樁間距為2 m。

2.3.2 處治區(qū)距離

當(dāng)處治區(qū)距樁的距離不同時(shí)，其對(duì)臨近樁基的影響也不同。因此，以處治區(qū)距離l為影響因素，分析處治區(qū)距離分別為2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m時(shí)，水泥攪拌樁及剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基對(duì)鄰近樁基側(cè)向變形的影響。處治區(qū)距離示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 處治區(qū)距離示意圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 處治措施對(duì)臨近樁基受力變形特性的影響

以處治區(qū)距離l=8 m為例，分析水泥攪拌樁和剛性長(zhǎng)短樁兩種處治措施對(duì)臨近樁基受力變形特性的影響。

3.1.1 樁基側(cè)向變形分析

采用不同處治措施時(shí)1#-1樁、1#-2樁和1#-3樁的樁身位移對(duì)比度化如圖4所示。

(a)1#-1

由圖4可知，當(dāng)采用復(fù)合地基處理后樁基的側(cè)向位移與未處治時(shí)相比顯著減小，且外側(cè)樁(1#-1)位移大于內(nèi)側(cè)樁(1#-3)位移；采用水泥攪拌樁處治時(shí)樁身整體產(chǎn)生正向位移，采用剛性長(zhǎng)短樁處治時(shí)樁基在進(jìn)入持力層后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。采用水泥攪拌樁處治時(shí)1#-1樁、1#-2樁和1#-3樁的樁頂位移分別為21.07 mm、20.89 mm、20.74 mm，采用剛性長(zhǎng)短樁處治時(shí)樁頂位移分別為9.09 mm、5.16 mm、4.34 mm，與未處治時(shí)相比，兩種處治措施的樁頂位移減幅分別為66.35%～66.71%、85.48%～93.03%。由此可以看出，剛性長(zhǎng)短樁處治堆載物作用下的軟弱夾層的效果要好于水泥攪拌樁。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因如下：

(1)當(dāng)樁基越靠近內(nèi)側(cè)，其周?chē)幚硗馏w范圍越大，樁周土強(qiáng)度越高，產(chǎn)生位移也較小，而外側(cè)土周?chē)幹瓮馏w范圍較小，由于周?chē)源嬖谲浫鯅A層，會(huì)產(chǎn)生較大的側(cè)向擠推力，從而導(dǎo)致位移增大。因此在進(jìn)行地基處理時(shí)，應(yīng)著重考慮外側(cè)樁的位移變形。

(2)當(dāng)采用水泥攪拌樁處治時(shí)，由于水泥攪拌樁屬于柔性樁，強(qiáng)度較低，處治后對(duì)軟土的約束作用小，因此整個(gè)樁身均產(chǎn)生較大位移，進(jìn)入持力層變形相對(duì)減小；而采用剛性長(zhǎng)短樁時(shí)，其強(qiáng)度高，對(duì)軟土約束作用強(qiáng)，樁身位移量小。因此采用剛性長(zhǎng)短樁處治堆載物作用下的軟弱夾層效果更好，同時(shí)，也說(shuō)明柔性樁復(fù)合地基不適合處治此類工程問(wèn)題。

3.1.2 樁側(cè)土抗力分析

兩種處治措施下1#-1樁、1#-2樁和1#-3樁的樁側(cè)土抗力對(duì)比變化如圖5所示。

(a)1#-1

由圖5可以看出，兩種處治措施下樁側(cè)土抗力均在巖土分界面(16 m)處出現(xiàn)土抗力峰值，采用水泥攪拌樁處理時(shí)最大樁側(cè)土抗力分別為836.32 kPa、815.81 kPa、806.08 kPa，采用剛性長(zhǎng)短樁處理時(shí)最大樁側(cè)土抗力分別為210.20 kPa、200.08 kPa、183.20 kPa，與未處治時(shí)相比，分別減少89.04%、88.67%、81.84%，剛性長(zhǎng)短樁比水泥攪拌樁樁側(cè)土抗力減少了74.87%、75.47%和77.23%。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：

(1)由于軟土層強(qiáng)度低，在堆載物作用下產(chǎn)生側(cè)向變形，導(dǎo)致樁身受到了側(cè)向擠壓，而樁側(cè)軟弱土層無(wú)法提供相應(yīng)的土抗力，使樁身產(chǎn)生較大變形，在巖土層分界面處由于樁身變形大，巖層產(chǎn)生的土抗力大，因此在巖土層分界面處土抗力達(dá)到峰值；進(jìn)入巖層后，由于巖層對(duì)樁身約束作用強(qiáng)，位移小，因此土抗力減小。

(2)堆載作用相同時(shí)，由于剛性長(zhǎng)短樁強(qiáng)度大，使得處治后的復(fù)合地基強(qiáng)度提高，能夠承擔(dān)上覆堆載作用，從而使作用在樁基上的側(cè)向擠推力減小，土抗力減??；水泥攪拌樁強(qiáng)度較低，僅能承擔(dān)部分上覆堆載作用，而作用在樁基上的側(cè)向擠推力增大，土抗力較大。

3.2 處治區(qū)距離對(duì)臨近樁基受力變形特性的影響

在兩種處治措施中，不同處治區(qū)距離下1#-1樁、1#-2樁和1#-3樁的樁身縱橋向位移分別如圖6、圖7所示，不同處治區(qū)距離下1#-1樁、1#-2樁和1#-3樁的樁頂位移如圖8所示。

(a)1#-1

(a)1#-1

(a)1#-1

由圖6～8可以看出，不同處治區(qū)距離下樁身縱橋向位移沿樁身的變化規(guī)律一致，均在軟土土層中時(shí)產(chǎn)生較大側(cè)向位移。隨處治區(qū)距離逐漸增大，樁身整體位移呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律。當(dāng)處治區(qū)距離8 m時(shí)樁身位移整體最小。在兩種處治措施下，當(dāng)處治區(qū)距離14 m時(shí)樁身位移最大，其次為12 m、2 m、4 m、6 m和10 m。不同之處在于，采用水泥攪拌樁處理時(shí)，不同處治區(qū)距離下樁頂位移相差很?。欢捎脛傂蚤L(zhǎng)短樁處理時(shí)，不同處治區(qū)距離下樁頂位移有明顯差異。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：

(1)由于水泥攪拌樁強(qiáng)度較低，抵抗土體側(cè)向擠推力的能力較弱，因此處治區(qū)距離變化對(duì)其處治效果影響不如剛性長(zhǎng)短樁顯著。

(2)當(dāng)處治區(qū)距離較小時(shí)，由于處治區(qū)整體靠近樁基，而處治之后還有大部分軟土地基未處理，在上覆堆載作用下，未處理的軟土受到擠壓產(chǎn)生側(cè)向擠推力，由于未處理軟土范圍大，產(chǎn)生的擠推力使處治區(qū)產(chǎn)生整體位移作用于樁基，所以產(chǎn)生的位移較大；當(dāng)處治區(qū)距離較大時(shí)，處治區(qū)能夠承擔(dān)上覆堆載作用并抵抗處治后的軟土地基，而處治前的軟土范圍較大，在上覆堆載作用下軟土的側(cè)向擠推力直接作用于樁基從而使其產(chǎn)生較大位移；當(dāng)處治區(qū)距離為8 m時(shí)，處治區(qū)能夠在抵抗處治區(qū)上覆堆載作用及后方軟土擠推力的同時(shí)，使處治區(qū)前的軟土范圍較小，對(duì)樁基側(cè)向位移的影響較小。

由此可以看出，處治區(qū)距離對(duì)樁基側(cè)向位移的處理效果有顯著影響，不宜過(guò)遠(yuǎn)也不宜過(guò)近，8 m時(shí)能夠取得較好的處治效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬分析，建立符合工程實(shí)際的有限元模型，對(duì)軟土地區(qū)樁基礎(chǔ)單側(cè)大面積堆載作用采用兩種處治措施的處治效果進(jìn)行了綜合比對(duì)，得到如下結(jié)論：

(1)當(dāng)堆載物下存在軟弱夾層時(shí)，軟弱夾層產(chǎn)生較大的側(cè)向變形擠壓樁基礎(chǔ)，且最靠近堆載物外側(cè)的樁基處于最不利位置，設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)提高邊側(cè)樁基的承載性能。

(2)在采用水泥攪拌樁和剛性長(zhǎng)短樁兩種處治措施處理上覆堆載作用下的軟弱地基時(shí)，樁身位移和樁側(cè)土抗力變化規(guī)律基本一致，但處治效果相差較大，剛性長(zhǎng)短樁的處治效果要優(yōu)于水泥攪拌樁。說(shuō)明相較于柔性樁復(fù)合地基，剛性樁復(fù)合地基可以有效減小軟土地區(qū)樁基單側(cè)大面積堆載作用下的側(cè)向位移，而柔性樁復(fù)合地基不適用于解決此類工程問(wèn)題。

(3)不同處治措施下，處治區(qū)距離不同時(shí)的處理效果有一定差異。處理距離不宜離樁基過(guò)遠(yuǎn)，也不宜過(guò)近，當(dāng)處治區(qū)距離為8 m時(shí)處理效果最佳。