張曉馳，秦晨洋

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

當(dāng)在河谷地區(qū)修建橋梁樁基時，由于橋臺后常有高路基填土，橋梁樁基不僅會受到上部結(jié)構(gòu)傳來的豎向荷載和水平向荷載，還會受到側(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，由于軟土具有高壓縮性、高觸變性、高結(jié)構(gòu)性、低抗剪強度、低透水性的特點，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)向變形成為評價橋梁樁基穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，針對堆載物作用下軟基對臨近樁基側(cè)向變形的影響，國內(nèi)外學(xué)者展開了大量研究。

當(dāng)堆載物下存在軟弱夾層時，針對其受力變形規(guī)律及對鄰近構(gòu)筑物的影響，李忠誠等[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)律以及對鄰近樁基的影響；董亮等[6]基于對高鐵橋梁地質(zhì)條件和現(xiàn)場堆載物情況的調(diào)研，分析了橋梁墩臺在單側(cè)堆載作用下的受力變形特性；馬遠剛等[7]利用有限差分法分析堆載作用對被動樁側(cè)向位移的影響；張建勛等[8]將樁體等效成板樁，用梁單元模擬，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，需對其進行處理以確保橋梁能夠安全運營。陳繼彬等[9]依托四川省遂資高速公路軟弱地基變形觀測的數(shù)據(jù)，探討碎石樁處理、塑料排水板等處治措施對軟土地基側(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的加固效果。

當(dāng)前針對樁基單側(cè)大面積堆載工況時，工程中往往忽略對軟弱地基的預(yù)先處理，而是在橋梁樁基施工完成后通過在橋臺前填方一側(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，此時樁基的側(cè)向變位已經(jīng)發(fā)生，變位較大時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)向位移的工程問題，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，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，樁長為35 m。1#橋墩與堆載物的位置關(guān)系如下頁圖1所示。在施工過程中，1#橋墩墩頂發(fā)生了背向堆載物的偏移，偏移量達到12 cm。經(jīng)補勘后發(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)系實例圖

當(dāng)發(fā)生工程病害后再處理，耽誤施工進度，增加施工成本，因此，本文提出在詳細勘測后先處理、后堆載的施工思路，采用不同處治措施以及處理距離對軟弱夾層進行地基處理，并評價其處理效果，確保橋梁工程的安全運營。

2 數(shù)值模擬模型建立及驗證

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，其計算模型如圖2所示。橋梁基礎(chǔ)和剛性長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短樁的參數(shù)見表1。

表1 模型材料參數(shù)表

圖2 計算模型圖

2.2 模型驗證

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(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)場監(jiān)測結(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 計算工況

2.3.1 處治措施

分析水泥攪拌樁和剛性長短樁兩種處治措施對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)剛性長短樁的長樁樁長22 m，短樁樁長14 m，樁徑為0.5 m，長樁和短樁各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，其對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，水泥攪拌樁及剛性長短樁復(fù)合地基對鄰近樁基側(cè)向變形的影響。處治區(qū)距離示意圖見圖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短樁兩種處治措施對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1#-1樁、1#-2樁和1#-3樁的樁身位移對比度化如圖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樁身整體產(chǎn)生正向位移，采用剛性長短樁處治時樁基在進入持力層后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點。采用水泥攪拌樁處治時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，采用剛性長短樁處治時樁頂位移分別為9.09 mm、5.16 mm、4.34 mm，與未處治時相比，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)，其周圍處理土體范圍越大，樁周土強度越高，產(chǎn)生位移也較小，而外側(cè)土周圍處治土體范圍較小，由于周圍仍存在軟弱夾層，會產(chǎn)生較大的側(cè)向擠推力，從而導(dǎo)致位移增大。因此在進行地基處理時，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，由于水泥攪拌樁屬于柔性樁，強度較低，處治后對軟土的約束作用小，因此整個樁身均產(chǎn)生較大位移，進入持力層變形相對減??；而采用剛性長短樁時，其強度高，對軟土約束作用強，樁身位移量小。因此采用剛性長短樁處治堆載物作用下的軟弱夾層效果更好，同時，也說明柔性樁復(fù)合地基不適合處治此類工程問題。

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，采用剛性長短樁處理時最大樁側(cè)土抗力分別為210.20 kPa、200.08 kPa、183.20 kPa，與未處治時相比，分別減少89.04%、88.67%、81.84%，剛性長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到峰值；進入巖層后，由于巖層對樁身約束作用強，位移小，因此土抗力減小。

(2)堆載作用相同時，由于剛性長短樁強度大，使得處治后的復(fù)合地基強度提高，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，土抗力減小；水泥攪拌樁強度較低，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，不同處治區(qū)距離下樁頂位移相差很??；而采用剛性長短樁處理時，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)距離變化對其處治效果影響不如剛性長短樁顯著。

(2)當(dāng)處治區(qū)距離較小時，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，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，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，使處治區(qū)前的軟土范圍較小，對樁基側(cè)向位移的影響較小。

由此可以看出，處治區(qū)距離對樁基側(cè)向位移的處理效果有顯著影響，不宜過遠也不宜過近，8 m時能夠取得較好的處治效果。

4 結(jié)語

本文基于現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬分析，建立符合工程實際的有限元模型，對軟土地區(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行了綜合比對，得到如下結(jié)論：

(1)當(dāng)堆載物下存在軟弱夾層時，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)計時可適當(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短樁兩種處治措施處理上覆堆載作用下的軟弱地基時，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，剛性長短樁的處治效果要優(yōu)于水泥攪拌樁。說明相較于柔性樁復(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題。

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