周文輝， 肖 寧， 賀佐躍

（1.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣州 510507；2.廣州市南沙新區(qū)明珠灣開發(fā)建設(shè)管理局，廣州 511466）

路基差異沉降嚴(yán)重影響了行車舒適度和安全性［1］，而路基樁帽下脫空現(xiàn)象加重了這一影響. 常用的軟土地基處理措施包括：堆載/真空預(yù)壓、水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、CFG樁和管樁等［2-4］，但這些處理并不完全適用于橋頭路基. 由于軟土工程性質(zhì)的特殊性，軟土區(qū)的路基處理更具挑戰(zhàn)性.

不同等級(jí)路基的工后沉降限值也是不同的，因此在進(jìn)行路基處理時(shí)，應(yīng)選取合理的處理措施. 蘇謙等［5］分析了泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行路基換填的效果和經(jīng)濟(jì)性. 高志偉等［6］分析了采用復(fù)合地基處理后，路面結(jié)構(gòu)對(duì)車輛行駛振動(dòng)特性的影響作用. 吳勇強(qiáng)等［7］對(duì)環(huán)杭州灣地區(qū)厚覆蓋層路基真空聯(lián)合強(qiáng)夯、旋噴樁及輕質(zhì)土換填等不同處理方法的效果進(jìn)行了詳細(xì)分析. 張軍等［8］通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，對(duì)路橋過渡段路堤加筋的處理效果進(jìn)行了分析. 賈亮等［9］進(jìn)行了路基工后沉降監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究，得到了沉降隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律.鄧露等［10］確定了過渡段路基容許臺(tái)階高度，并提出了更合理的高度控制標(biāo)準(zhǔn). 鄭俊杰等［11］通過路橋過渡段樁承式加筋路堤現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在橋臺(tái)附近減載作用明顯，并隨距橋臺(tái)距離增加而逐漸減弱. 羊曄等［12］通過研究差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，得到不同路堤高度時(shí)路面縱坡與差異沉降的關(guān)系式. 沈水龍等［13］通過分析三種常用的地基處理方法，介紹了緩解跳車現(xiàn)象的設(shè)計(jì)施工CA工法. 這些研究均只研究了路基處理的某一方面，而在實(shí)際工程中，由于土體性質(zhì)的顯著差異性，這些研究的應(yīng)用受到限制［14-18］，也未能解釋路基樁帽下脫空的原因. 此外，對(duì)于高等級(jí)道路，路基工后沉降的控制要求較高［19-21］，相關(guān)處理措施還需進(jìn)一步研究.

總的來說，現(xiàn)有文獻(xiàn)中有關(guān)路基樁帽下脫空現(xiàn)象研究較少. 本文針對(duì)廣州市南沙區(qū)某工程項(xiàng)目，通過數(shù)值和理論兩種分析手段，對(duì)管樁處理路基樁帽下產(chǎn)生的脫空現(xiàn)象進(jìn)行分析，探討脫空產(chǎn)生的原因，并對(duì)工后沉降的影響因素進(jìn)行初步分析，為該地區(qū)的實(shí)際工程提供參考.

1 工程概況

某工程位于廣州市南沙區(qū)明珠灣區(qū)橫瀝島尖，地處南亞熱帶，海拔低，氣候類型屬于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，夏長(zhǎng)冬短，濕潤(rùn)多雨. 該區(qū)域內(nèi)水系發(fā)達(dá)、河涌密布，具有深厚的軟弱土層，如圖1所示. 橋頭路段路基高5 m，頂寬20 m，路肩坡度為1∶1.5，采用管樁復(fù)合地基進(jìn)行處理. 路肩采用水泥攪拌樁處理. 管樁外徑0.4 m、壁厚0.1 m，樁長(zhǎng)31 m，間距2.2 m，正方形分布. 水泥土攪拌樁直徑0.5 m，樁長(zhǎng)20 m，間距1.2 m，三角形分布.土層、既有路基、管樁和水泥攪拌樁的主要物理、力學(xué)參數(shù)分別如表1、表2所示.

表1 土層主要物理、力學(xué)參數(shù)Tab.1 Main physical and mechanical parameters of soil layer

表2 既有路基和樁的主要物理、力學(xué)參數(shù)Tab.2 Main physical and mechanical parameters of existing roadbed and piles

圖1 衛(wèi)星地形圖Fig.1 Satellite topographic map

2 工程問題

本工程橋頭路基存在嚴(yán)重跳車現(xiàn)象，進(jìn)行開挖時(shí)發(fā)現(xiàn)樁帽下存在明顯的脫空現(xiàn)象.實(shí)測(cè)最大脫空可達(dá)16.3 cm，且脫空發(fā)生在路堤底部的素填土層中，而并未發(fā)生在路面底部，如圖2所示. 這意味著：即使采用普遍認(rèn)為處理效果較好的管樁，也會(huì)產(chǎn)生明顯的脫空現(xiàn)象，現(xiàn)有理論無法闡述這一現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理. 素填土來源于附近工程產(chǎn)生的棄土，是根植土、雜填土、軟土、粉土和砂土的混合物. 這些棄土直接堆載在原有地面之上，且原地基未進(jìn)行任何處理，堆載時(shí)間均不超過1 年. 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥的天然孔隙比分別達(dá)到1.326、1.66，這意味著軟弱土的固結(jié)遠(yuǎn)未完成，且僅在自身有效重力而無附加應(yīng)力作用下，這種固結(jié)作用十分有限. 素填土的堆載效應(yīng)使下部軟土處于欠固結(jié)狀態(tài)，軟土在素填土產(chǎn)生的附加應(yīng)力作用下會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生沉降.

圖2 樁帽下樁間土脫空Fig.2 Void of soil between piles under pile cap

當(dāng)采用管樁直接進(jìn)行地基處理時(shí)，一方面樁帽下的素填土導(dǎo)致軟土層產(chǎn)生工后沉降；另一方面由于土拱效應(yīng)，管樁承受了路堤大部分荷載，路堤產(chǎn)生并傳遞給樁間土的附加應(yīng)力十分有限，也限制了路堤填料向樁間土移動(dòng)，而樁帽和土工格柵的存在更增強(qiáng)了這種作用. 這就導(dǎo)致樁間土受到的附加應(yīng)力非常小，軟土層的固結(jié)主要受素填土產(chǎn)生的附加應(yīng)力影響. 下面將通過數(shù)值分析和理論分析這兩種手段，來驗(yàn)證這一猜想.

3 數(shù)值計(jì)算分析

數(shù)值方法可有效地解決分步工況問題，在幾何建模方面也有充分的自由，在實(shí)際工程中的應(yīng)用也越來越廣泛.Midas GTS 有限元數(shù)值模型如圖3 所示，模型長(zhǎng)235 m、寬100 m，管樁、水泥攪拌樁分別以紫色、綠色表示，如圖4 所示. 這里共有8 個(gè)模擬階段：①初始靜力平衡，位移清零；②素填土堆載；③水泥攪拌樁、管樁和塑料排水板施工；④路基填土1，填土高度2 m；⑤路基填土2，填土高度2 m；⑥路基填土3，填土高度1 m；⑦工后基準(zhǔn)期，1 月；⑧靜置期，180個(gè)月，同時(shí)在路基頂部施加20 kPa荷載.

圖3 數(shù)值模型（整體）Fig.3 Numerical model（overall）

圖4 數(shù)值模型（管樁、水泥攪拌樁）Fig.4 Numerical model（pipe piles and cement mixing piles）

素填土厚度對(duì)工后沉降的影響如圖5所示. 由圖可以看出，總的來說，素填土越厚，工后沉降也越大，且距離路基中線越遠(yuǎn)，工后沉降也相對(duì)越大. 當(dāng)素填土厚度為1 m時(shí)，路基中線的工后沉降約為28 mm，路肩工后沉降可達(dá)約36 mm；工后沉降在管樁及樁間土的差異較大，最大可達(dá)約5 mm. 當(dāng)素填土厚度為3 m 時(shí)，路基中線的工后沉降約為38 mm，比素填土厚度為1 m 時(shí)增加10 mm，且路肩工后沉降可達(dá)約62 mm；工后沉降在管樁及樁間土的差異較小，表現(xiàn)出更為平緩的曲線.

模擬結(jié)束后的沉降云圖如圖6、7 所示. 由圖可以看出，相較于素填土為3 m，素填土為1 m時(shí)樁頂位移與樁間土沉降相差更為顯著，距離路基中線越近，沉降差越明顯，這與圖5 的結(jié)果相一致. 由于有限元分析是基于小變形理論得到的，在大變形問題中的適用性尚未有效解決，這導(dǎo)致Midas GTS軟件無法模擬土體單元間的剝離，即無法模擬樁帽下部土體的脫空現(xiàn)象. 但由這種顯著的沉降差異性可知，施工結(jié)束后工后沉降將隨時(shí)間繼續(xù)增加，且素填土越厚、土性越差，工后沉降也越明顯. 然而總的來說，數(shù)值分析計(jì)算得到的工后沉降均低于10 cm，即滿足規(guī)范相關(guān)要求，這與實(shí)際情況不相符，應(yīng)進(jìn)一步深入研究.

圖5 素填土厚度VS工后沉降（數(shù)值）Fig.5 Plain fill thicknesses VS post-construction settlement（numerical analysis）

圖6 沉降云圖（素填土1 m）Fig.6 Settlement cloud map（plain fill：1 m）

圖7 沉降云圖（素填土3 m）Fig.7 Settlement cloud map（plain fill：3 m）

4 理論簡(jiǎn)化分析

4.1 工況模型簡(jiǎn)化

由前文分析可知，在管樁復(fù)合地基中，管樁承受了大部分上部路堤荷載，傳遞至樁間土的附加應(yīng)力總體較小，沉降也較小. 但這是基于地基沉降穩(wěn)定條件下得到的，而當(dāng)?shù)鼗两瞪形捶€(wěn)定時(shí)，例如在本文分析的場(chǎng)區(qū)中，素填土是新堆載在軟弱層上面的，即使管樁施工完成，但路堤荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小，且素填土?xí)^續(xù)產(chǎn)生附加應(yīng)力施加在下部的軟弱層上，即軟弱層在這兩種附加應(yīng)力作用下繼續(xù)發(fā)生固結(jié)，這導(dǎo)致軟弱層產(chǎn)生較大的沉降.

本文將這一問題簡(jiǎn)化：①忽略路堤荷載對(duì)樁間土的附加應(yīng)力；②忽略樁帽作用；③根據(jù)素填土厚度，減小相應(yīng)樁長(zhǎng).

簡(jiǎn)化后，當(dāng)管樁施工完成時(shí)，素填土直接作用在下部軟弱層與樁組成的復(fù)合地基上. 因此，工后沉降即簡(jiǎn)化為施工結(jié)束時(shí)，素填土對(duì)復(fù)合地基產(chǎn)生的沉降. 明顯地，簡(jiǎn)化后與脫空現(xiàn)象更加相符，且由于未考慮樁帽及減小樁長(zhǎng)，即計(jì)算結(jié)果偏于安全. 沉降包括加固區(qū)沉降和下臥層沉降兩部分，即：

式中：S為復(fù)合地基沉降，m；S1為加固區(qū)沉降，m；S2為下臥層沉降，m. 加固區(qū)沉降、下臥層沉降均根據(jù)附加應(yīng)力采用分層總和法計(jì)算. 其中，加固區(qū)沉降可采用下式計(jì)算［14］：

式中：Δσi為附加應(yīng)力，kPa；Espi為復(fù)合地基壓縮模量，MPa；Δzi為土層厚度，m. 劉吉福等［14］建立了考慮單樁承載力、基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移荷載能力及樁土相互作用等重要因素的附加應(yīng)力法，能夠很好地模擬剛性樁沉降，其中樁間土附加應(yīng)力由下式得到：

式中：σsj為樁間土附加應(yīng)力，kPa；d為樁直徑，m；mp為樁置換率；ζ為側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)；P為路基縱向每延米總荷載，kN；Pp為樁頂荷載，kN；τui為側(cè)阻力，kPa；為工作墊層摩擦力，kN；Au為單樁分擔(dān)面積，m2.樁間土沉降及樁底土層沉降均采用分層總和法計(jì)算. 根據(jù)上述簡(jiǎn)化，導(dǎo)入現(xiàn)有規(guī)范法的剛性樁復(fù)合地基處理理論，即可進(jìn)行沉降分析.

4.2 結(jié)果及驗(yàn)證

素填土厚度對(duì)工后沉降的影響如圖8 所示. 由圖可以看出，素填土厚度越大，工后沉降也隨之逐漸增加；單樁極限承載力也會(huì)產(chǎn)生影響，單樁極限承載力越小，工后沉降也越大. 當(dāng)單樁極限承載力為1000 kN時(shí)，素填土厚度大于1.5 m時(shí)的工后沉降即超過了規(guī)范要求的10 cm，素填土厚度為3 m時(shí)的工后沉降甚至達(dá)到約22.4 cm；當(dāng)單樁極限承載力為2000 kN時(shí)，素填土厚度略大于2.5 m 時(shí)的工后沉降也超過了規(guī)范要求.這表明：素填土越厚、單樁極限承載力越小，工后沉降越大，形成的脫空區(qū)也越大，嚴(yán)重影響了橋頭路基的正常、安全運(yùn)營(yíng).

在本文分析的實(shí)際工程中，本工程橋頭路基素填土厚約2 m，單樁極限承載力為1000 kN，實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明脫空為16.3 cm. 素填土厚2 m時(shí)理論簡(jiǎn)化分析結(jié)果約為15.1 cm，與實(shí)測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)基本一致，說明素填土是導(dǎo)致脫空的主要原因，驗(yàn)證了本文脫空機(jī)理的正確性.

由前文可知，軟弱土層的固結(jié)程度與橋頭路基工后沉降密切相關(guān)，固結(jié)程度大小會(huì)顯著影響土層的力學(xué)性質(zhì). 因此，這里將對(duì)②5淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的力學(xué)參數(shù)，即：樁側(cè)極限摩阻力和壓縮模量等對(duì)工后沉降的影響進(jìn)行分析，其中素填土厚度均為2 m，單樁極限承載力均為1000 kN.

樁側(cè)極限摩阻力對(duì)工后沉降的影響如圖9所示，其中樁側(cè)極限摩阻力共五個(gè)水平，分別為：15、20、25、30、35 kPa. 由圖可以看出，在本文分析的樁側(cè)極限摩阻力范圍內(nèi)，工后沉降均大于規(guī)范要求值，即10 cm. 隨樁側(cè)極限摩阻力增加，工后沉降也逐漸增加，最大可達(dá)18.7 cm. 需要注意的是，這里僅反映樁側(cè)極限摩阻力的影響，變量?jī)H為樁側(cè)極限摩阻力，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果反常，若同時(shí)改變單樁極限承載力，則可得到與圖8類似的結(jié)果.

圖8 素填土厚度VS工后沉降（理論）Fig.8 Plain fill thicknesses VS post-construction settlements（theoretical analysis）

圖9 樁側(cè)極限摩阻力VS工后沉降（理論）Fig.9 Ultimate friction resistances of pile side VS post-construction settlements（theoretical analysis）

壓縮模量對(duì)工后沉降的影響如圖10所示，其中壓縮模量共五個(gè)水平，分別為：1.5、2.0、2.6、3.0、3.5 MPa.由圖可以看出，在本文分析的壓縮模量范圍內(nèi)，工后沉降均大于規(guī)范要求值，即10 cm. 隨壓縮模量增加，工后沉降逐漸減小，最小值為12.9 cm，但減小速率也逐漸降低，在曲線上表現(xiàn)為趨于平緩.

圖10 壓縮模量VS工后沉降（理論）Fig.10 Compression modulus VS post-construction settlement（theoretical analysis）

需要注意的是，樁側(cè)極限摩阻力減小或壓縮模量增加，均能導(dǎo)致工后沉降減小，但在本文分析范圍的力學(xué)參數(shù)范圍內(nèi)，工后沉降均大于規(guī)范要求值. 而樁側(cè)極限摩阻力為15 kPa、或壓縮模量為3.5 MPa均意味著②5淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的性質(zhì)仍然較差，需進(jìn)行額外的地基處理措施，進(jìn)一步降低工后沉降. 灌漿技術(shù)是處理橋頭路基脫空現(xiàn)象的一種有效方法，但這種技術(shù)常作為一種對(duì)脫空現(xiàn)象的補(bǔ)救措施，漿液凝固后與周圍土體的剛度也存在顯著差異，且當(dāng)脫空范圍較大時(shí)，這種技術(shù)的適用性受到明顯限制.

堆載預(yù)壓能夠顯著提高軟弱土層的固結(jié)度. 若改變本文的施工順序，即在管樁施工前進(jìn)行堆載預(yù)壓，在預(yù)壓過程中實(shí)時(shí)補(bǔ)填土方，待預(yù)壓期沉降穩(wěn)定后再進(jìn)行管樁施工. 具體施工步驟大致為：塑料排水板→分層堆載→等載預(yù)壓→卸載→管樁→路堤→運(yùn)營(yíng). 塑料排水板采用C型，截面尺寸為100 mm×4.5 mm，等效直徑為0.067 m，長(zhǎng)25 m，與管樁、水泥土攪拌樁相間分布. 這種橋頭路基處理方法既能夠提高軟弱土層的固結(jié)度，也能提高素填土的固結(jié)度，顯著提高了施工期的沉降，工后沉降將明顯減小. 盡管預(yù)壓期會(huì)對(duì)施工進(jìn)度產(chǎn)生一定的影響，但能夠有效避免橋頭路基發(fā)生脫空現(xiàn)象，提高了行車舒適度和安全性. 然而，為進(jìn)一步驗(yàn)證該處理方法的有效性，后續(xù)進(jìn)行相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究是十分有必要的.

5 結(jié)論

1）采用管樁直接進(jìn)行地基處理時(shí)，由于土拱效應(yīng)，管樁承受了路堤大部分荷載，路堤產(chǎn)生并傳遞給樁間土的附加應(yīng)力十分有限，也限制了路堤填料向樁間土移動(dòng)，而樁帽和土工格柵的存在更增強(qiáng)了這種作用. 這就導(dǎo)致樁間土受到的附加應(yīng)力非常小，軟弱層的固結(jié)主要受素填土產(chǎn)生的附加應(yīng)力影響.

2）數(shù)值分析表明素填土越厚，工后沉降也越大，且距離路基中線越遠(yuǎn)，工后沉降也相對(duì)越大. 但由于有限元理論自身的局限性，導(dǎo)致計(jì)算工后沉降均低于10 cm，即滿足規(guī)范相關(guān)要求，這與實(shí)際情況不相符.

3）經(jīng)過適當(dāng)簡(jiǎn)化后，理論分析結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果相符，且素填土厚度越大或單樁極限承載力越小，工后沉降也隨之逐漸增加. 隨樁側(cè)極限摩阻力增加或壓縮模量減小，工后沉降也逐漸增加，且均大于規(guī)范要求值10 cm. 一個(gè)合理的處理措施是在管樁施工前進(jìn)行堆載預(yù)壓，在預(yù)壓過程中實(shí)時(shí)補(bǔ)填土方，待預(yù)壓期沉降穩(wěn)定后再進(jìn)行管樁施工.