考慮硬殼層作用的軟土地基加固方式分析

劉 杰，沈 洋，杜元林，章方彬，賈浩天，單卓成

(1.永嘉甌北東片開(kāi)發(fā)建設(shè)指揮部，浙江 溫州 325200；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092； 3.中交一公局集團(tuán)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(xué)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(hù)作用以及沉降滯后作用，能有效增強(qiáng)地基的整體性和穩(wěn)定性，對(duì)實(shí)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(shí)際工程中充分發(fā)揮硬殼層的殼體效應(yīng)與應(yīng)力擴(kuò)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(dòng)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(wèn)題。我國(guó)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(wèn)題，很多工程因?yàn)閷?duì)軟土地基的處理不當(dāng)，建筑自身受到了極大的損害，影響其正常工作運(yùn)行，導(dǎo)致人民生命財(cái)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(diǎn)問(wèn)題，特別是針對(duì)深厚軟土地質(zhì)條件[1-2]。目前，已有一些學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、模型試驗(yàn)等手段對(duì)橋墩基礎(chǔ)沉降進(jìn)行了研究；張智[3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)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(chǎng)等[4]在研究中發(fā)現(xiàn)根據(jù)規(guī)范計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)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(jì)算結(jié)果能夠更精準(zhǔn)地反映實(shí)測(cè)值；Fellenius等[5-6]對(duì)挪威、瑞典、日本、韓國(guó)、加拿大等國(guó)家的多處軟土樁基進(jìn)行長(zhǎng)期變形與內(nèi)力監(jiān)測(cè)，研究表明樁身荷載與壓縮量有較明顯的時(shí)間效應(yīng)；戴榮良等對(duì)軟土地區(qū)上部結(jié)構(gòu)形式對(duì)樁基長(zhǎng)期沉降影響進(jìn)行了總結(jié)[7-9]；冷伍明等對(duì)京滬高鐵、杭甬客專(zhuān)等鐵路橋梁群樁基礎(chǔ)的長(zhǎng)期沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量采集、分析、擬合和預(yù)測(cè)[10-15]；除了軟土地區(qū)樁基沉降的問(wèn)題，近幾年對(duì)樁基的水平抗滑能力的研究也逐漸成為研究的重點(diǎn)；葛志平等[16]通過(guò)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(lái)減少由于堆載對(duì)橋梁樁基的變形影響；Muszyński等[17]進(jìn)行了水平樁基荷載試驗(yàn)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(lái)緩解軟土地區(qū)的基礎(chǔ)沉降和側(cè)向水平位移的問(wèn)題；將工程渣土處理后形成類(lèi)似“硬殼層”力學(xué)性質(zhì)的“結(jié)構(gòu)層”也可以達(dá)到人工硬殼層的效果。

本文將依托永嘉陽(yáng)光大道二期工程展開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，利用FLAC 3D軟件建立不同的模型；通過(guò)車(chē)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(duì)高壓旋噴樁和竹節(jié)樁的作用做出評(píng)估，給現(xiàn)場(chǎng)施工提供安全性、科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)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(yáng)光大道二期處于沿海深厚軟土地區(qū)，在尚未進(jìn)場(chǎng)施工時(shí)路基便發(fā)生整段土體滑動(dòng)現(xiàn)象，形成一個(gè)大的坍塌斷面并造成周邊道路大面積隆起(見(jiàn)圖1)。道路采用澆筑混凝土進(jìn)行搶修改道，塌方周邊采用松木樁進(jìn)行防護(hù)(見(jiàn)圖2)。但由于后續(xù)另一項(xiàng)目施工過(guò)程中將廢棄的土方堆積在該路段的西側(cè)，再次導(dǎo)致了路面隆起、滑動(dòng)的現(xiàn)象(見(jiàn)圖3)。從深層土體水平位移的監(jiān)測(cè)和低應(yīng)變檢測(cè)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(dá)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(shí)，先開(kāi)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(xì)骨料等進(jìn)行回填形成硬殼層。本文將利用FLAC 3D軟件對(duì)硬殼層和竹節(jié)樁的作用進(jìn)行模擬分析，并希望以此給現(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(jì)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(dòng)或分離，因此可以用來(lái)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(guò)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(gè)節(jié)點(diǎn)，257 560個(gè)單元，長(zhǎng)90 m，寬25 m，坡頂高25 m，初始模型如圖4所示。選取自由場(chǎng)邊界作為4個(gè)側(cè)面動(dòng)力分析邊界，從而減少車(chē)輛波動(dòng)邊界反射。動(dòng)力分析時(shí)動(dòng)荷載從上部輸入，底部采用靜態(tài)邊界條件。自由場(chǎng)邊界模型包括4個(gè)平面網(wǎng)格和4個(gè)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(duì)應(yīng)的，柱體網(wǎng)格相當(dāng)于平面自由場(chǎng)網(wǎng)格的自由場(chǎng)邊界。其中，平面自由場(chǎng)網(wǎng)格是二維計(jì)算，假設(shè)在面的法向無(wú)限延伸；柱體自由場(chǎng)網(wǎng)格是一維計(jì)算，假設(shè)在柱體兩端無(wú)限延伸。

2.3 土體參數(shù)

勘探深度以內(nèi)可分為10個(gè)工程地質(zhì)亞層：①0素填土，回填時(shí)間大于5 a，其成分較雜，均勻性較差，力學(xué)強(qiáng)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(xué)強(qiáng)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(xué)強(qiáng)度差，土質(zhì)較均勻；②1′粉砂夾淤泥，稍密狀，中等壓縮性，力學(xué)強(qiáng)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(xué)強(qiáng)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(xué)強(qiáng)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(xué)強(qiáng)度較好，土質(zhì)均勻性較差；⑩1全風(fēng)化凝灰?guī)r，可塑狀，中等壓縮性，工程性能一般，力學(xué)強(qiáng)度一般；⑩2強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、⑩3中風(fēng)化凝灰?guī)r，基本不可壓縮，力學(xué)性質(zhì)與工程性能好，具體土層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土體計(jì)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(jìn)行硬殼層作用的分析：第一種情況是將車(chē)輛荷載等效為2 m堆載作用，分析對(duì)比有無(wú)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(shuō)明硬殼層的存在對(duì)沉降和土體水平位移影響較大。第二種情況是考慮計(jì)算成橋后，橋下地面單側(cè)跑車(chē)工況下，對(duì)樁基側(cè)向位移的影響，模型取4種土層情況進(jìn)行計(jì)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(jìn)行計(jì)算。通過(guò)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(duì)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(jiàn)設(shè)置旋噴樁的改善效果有限。通過(guò)對(duì)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(zhǎng)方式的旋噴樁也不能起到顯著的加固效果。這與趙偉強(qiáng)[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(duì)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(dāng)優(yōu)化加固措施。

3.2 加固措施效果分析

通過(guò)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(kāi)挖前的原巖應(yīng)力狀態(tài)。然后，進(jìn)行工程開(kāi)挖或改變邊界條件來(lái)進(jìn)行工程的響應(yīng)分析，模擬計(jì)算邊坡在堆載高度分別為1 m,3 m,5 m時(shí)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(guò)分析在車(chē)輛荷載作用下高壓旋噴處理后有硬殼層的場(chǎng)地與處理前無(wú)硬殼層的場(chǎng)地的樁土位移，驗(yàn)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(chē)輛荷載對(duì)土體位移的影響見(jiàn)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(chē)輛荷載對(duì)土體位移的影響

通過(guò)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(duì)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(jìn)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(jiàn)圖6～圖8)。這是由于鄧會(huì)元等[19]在文章中提到的遮攔效應(yīng)導(dǎo)致的。選擇高壓旋噴樁加固時(shí)，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(chē)輛荷載等效為2 m堆載作用時(shí)，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(dǎo)致硬殼層基質(zhì)吸力的降低，從而導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)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(jìn)一步破壞的發(fā)生，該工程區(qū)域應(yīng)嚴(yán)禁土方堆載并實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)降水氣候進(jìn)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(chǎng)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(dá)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?yàn)楫?dāng)土體滑動(dòng)，嵌固的竹節(jié)樁可以將部分滑移力量通過(guò)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(dòng)體作用影響。因此在后續(xù)的施工中，應(yīng)加長(zhǎng)竹節(jié)樁的長(zhǎng)度并盡量嵌入巖體1 m。

5)選擇高壓旋噴樁加固時(shí)，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(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工加固設(shè)計(jì)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(huì)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。