王 健，陳仕文，梁東波

（1. 珠海航空城工程建設(shè)有限公司，廣東 珠海 519042；2. 珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣東 珠海 519001；3. 珠海建工控股集團(tuán)有限公司，廣東 珠海 519090）

0 引 言

在中國(guó)南部沿海城市通過吹填造陸方式獲得了可觀的建設(shè)用地。吹填土及其下覆蓋的深厚海相軟土具有含水率高、孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性強(qiáng)、滲透性差、承載力低等特點(diǎn)[1-2]，需要對(duì)地基進(jìn)行處理，以改善其性能。素混凝土樁復(fù)合地基由于施工工藝簡(jiǎn)單、工期短、相對(duì)管樁造價(jià)更低，被廣泛應(yīng)用在這種區(qū)域的道路工程中。真空預(yù)壓法在我國(guó)的應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代，廣泛應(yīng)用于我國(guó)公路、港口、水利等軟基加固工程[3]，是處理吹填超軟地基的主要方法[4]。在這些區(qū)域進(jìn)行開發(fā)時(shí)多采用先修路再地塊建設(shè)的模式，路側(cè)地塊開發(fā)時(shí)采用真空預(yù)壓進(jìn)行地基處理可能對(duì)既有復(fù)合地基道路造成不利影響。

盡管周邊環(huán)境對(duì)既有復(fù)合地基影響的相關(guān)研究已經(jīng)取得了一定的成果[5-10]，但大多研究針對(duì)的都是較為常規(guī)的場(chǎng)地條件。在濱海深厚軟土區(qū)域，素混凝土樁往往無(wú)法貫穿深厚軟土層而采用懸浮樁設(shè)計(jì)，容易在路側(cè)真空預(yù)壓場(chǎng)地處理時(shí)產(chǎn)生較大變形并可能超出素混凝土樁的承載能力，既有道路開裂甚至路堤失穩(wěn)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，給道路安全帶來潛在的威脅。因此真空預(yù)壓對(duì)深厚軟土區(qū)素混凝土樁復(fù)合地基的影響規(guī)律以及如何降低這種影響值得進(jìn)一步研究。

要準(zhǔn)確分析真空預(yù)壓引起既有復(fù)合地基的變形，需要選擇合理的土的本構(gòu)模型。由于真空預(yù)壓是一個(gè)孔隙壓力降低、有效應(yīng)力增大的過程，加固區(qū)內(nèi)的土體發(fā)生側(cè)向收縮，而非側(cè)向擠出，并不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象[11]。然而這種側(cè)向收縮卻會(huì)導(dǎo)致加固區(qū)邊緣外的土體發(fā)生側(cè)向卸荷。硬化土模型（HS）是一種對(duì)軟土和硬土均適用的高級(jí)本構(gòu)模型[12]。該模型一個(gè)特點(diǎn)是能區(qū)分加荷和卸荷的差異，且其剛度依賴于應(yīng)力水平，在三軸排水情況下，軸向應(yīng)變與偏差應(yīng)力之間呈雙曲線關(guān)系。該模型在隧道開挖、基坑開挖、擋土墻工程等數(shù)值模擬方面影響應(yīng)用很廣泛。

為此，本文依托珠海航空城濱海商務(wù)區(qū)某市政道路工程，基于能夠較好的反應(yīng)軟土應(yīng)力應(yīng)變特性的HS模型，研究了真空預(yù)壓處理對(duì)素混凝土樁復(fù)合地基影響，獲得了場(chǎng)地處理導(dǎo)致的復(fù)合地基的變形受力規(guī)律，并通過對(duì)策模型分析結(jié)果，提出了降低影響的建議。

1 工程地質(zhì)條件及場(chǎng)地處理設(shè)計(jì)

道路工程位于珠海某新近吹填區(qū)，吹填土含砂量較高，吹填土下分布有深厚淤泥軟土，呈飽和、流塑狀態(tài)。場(chǎng)地自上而下分別分為吹填土 2.5 m、淤泥20 m、淤泥質(zhì)土10 m、砂質(zhì)黏土2.5 m、全風(fēng)化砂巖4 m。道路地基采用長(zhǎng)25 m間距1.6 m的素混凝土樁復(fù)合地基，道路北側(cè)地塊采用真空預(yù)壓進(jìn)行場(chǎng)地處理，道路地基已經(jīng)完工約2年。真空預(yù)壓邊緣15 m范圍內(nèi)采用15 m長(zhǎng)排水板，其余部分采用25 m長(zhǎng)排水板，按1 m間距方形布置，膜上覆水深度1 m，場(chǎng)地處理邊緣距邊樁a=10 m。密封墻由直徑0.8 m、寬1.4 m、長(zhǎng)16.5 m的雙排黏土攪拌樁組成，真空預(yù)壓設(shè)計(jì)時(shí)間為120 d。

2 計(jì)算模型

采用專業(yè)有限元軟件按照實(shí)際設(shè)計(jì)圖紙構(gòu)建的數(shù)值模型如圖1所示。樁長(zhǎng)25 m，按正三角形布樁，樁間距S=1.6 m，樁徑D=0.4 m，樁進(jìn)入淤泥質(zhì)土層 2.5 m，呈懸浮態(tài)。模型左右邊界約束側(cè)向位移，底部邊界同時(shí)約束水平和豎向位移。路側(cè)真空預(yù)壓區(qū)寬度超過100 m，取一部分建模。模型左側(cè)和底部設(shè)置為不允許滲流，其余邊界允許滲流，處理地下水位-0.5 m，膜下真空壓力-85 kPa。

圖1 模型示意圖Fig. 1 Diagram of model

2.1 材料參數(shù)

參數(shù)的標(biāo)定方法參考了文獻(xiàn)[13-14]，其中強(qiáng)度參數(shù)φ'和c'、參考割線剛度E50ref以及破壞比Rf均采用三軸固結(jié)排水試驗(yàn)確定，ψ、pref、Vur和m以及E50ref、Eeodref與Eur之間的相互關(guān)系根據(jù)參考文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)值取值確定。此處僅列出具有代表性的淤泥三軸試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與HS理論模型的應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比如圖2所示。

圖2 淤泥的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系Fig. 2 Stress-strain curves of silt

圖2中可以看出淤泥的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)顯著的應(yīng)變硬化特征，當(dāng)軸向應(yīng)變超過10%后，呈現(xiàn)出一定的應(yīng)力軟化的特征。實(shí)測(cè)與理論曲線對(duì)比可知，該模型較好反映了淤泥的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系特性。本模型中采用土層參數(shù)如表1所示，為簡(jiǎn)化模型，設(shè)置水平滲透系數(shù)和豎向滲透系數(shù)相同，密封墻是在黏土中添加膨潤(rùn)土制成，滲透系數(shù)為 4.32×10-5m/d，密封墻的其余參數(shù)取與各層土相同。褥墊層雙層土工格柵采用 geogrid單元模擬，軸向剛度取J=5 000 kN/m。素混凝土樁采用 embedded beam來模擬，排水板采用drain單元模擬，設(shè)置負(fù)壓-85 kPa。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

2.2 施工過程模擬

施工過程的模擬通過在不同階段改變邊界條件或激活不同單元的方式來實(shí)現(xiàn)。設(shè)置地應(yīng)力平衡（0 d）、施工復(fù)合地基（30 d）、施工路堤（30 d）、固結(jié)（2年）、真空加載（10 d）、滿載預(yù)壓（110 d）6個(gè)分析步，計(jì)算模式為流固耦合分析。

3 結(jié)果分析

3.1 整體變形

如圖3所示，真空預(yù)壓處理后加固區(qū)發(fā)生最大沉降1.66 m，占淤泥層厚度的7.2%。沉降主要發(fā)生在排水板長(zhǎng)度范圍內(nèi)，而排水板下方沉降量很小。模型的變形以沉降為主，加固區(qū)中心基本不發(fā)生水平位移，水平位移主要集中在密封墻內(nèi)邊緣，最大達(dá)到0.63 m。密封墻處這種大變形可能造成真空預(yù)壓過程中密封墻出現(xiàn)開裂，從而使密封效果降低。因此，建議場(chǎng)地處理邊緣采用內(nèi)側(cè)黏土密封墻，外側(cè)水泥土攪拌樁或鋼筋混凝土的多層隔離措施。

圖3 網(wǎng)格變形及位移云圖Fig. 3 Grid deformation and displacement contour

3.2 地下水頭

圖4分別為抽真空5 d、10 d和滿載預(yù)壓110 d后的地下水頭h分布圖。地下水頭與豎向坐標(biāo)及水壓力pwater的關(guān)系如下式：

圖4 不同階段地下水頭Fig. 4 Ground water heads at different stages

式中：pexcess和pactive分別代表超靜孔隙水壓力和靜水壓力；z代表位置水頭。

當(dāng)真空加載負(fù)孔壓逐步增加到85 kPa時(shí)，淤泥和淤泥質(zhì)土層的負(fù)孔壓先集中在排水板附近，然后向土層擴(kuò)散。經(jīng)過110 d滿載預(yù)壓后，排水板范圍土體的地下水頭均已達(dá)到-8.5 m。而吹填土由于其滲透性大，真空預(yù)壓5 d內(nèi)負(fù)孔壓就傳遞到整個(gè)土層。在密封墻的作用下，負(fù)孔壓被限制在加固區(qū)范圍內(nèi)，減少了真空預(yù)壓區(qū)外路基范圍的固結(jié)沉降。

3.3 素混凝土樁受力分析

圖5為近場(chǎng)地處理一側(cè)邊樁的側(cè)摩阻力及軸向力圖。經(jīng)過2年的固結(jié)，樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力，摩阻力零點(diǎn)在樁的中部-12.5 m處，經(jīng)過真空固結(jié)后樁間土繼續(xù)固結(jié)下沉，負(fù)摩阻力增大，且零點(diǎn)下移至-17.5 m處。

圖5 邊樁側(cè)摩阻力及軸向力分布Fig. 5 Distribution of side pile lateral friction resistance and axial force

樁施工后固結(jié)2年，樁中的最大軸力68.07 kN，滿載預(yù)壓結(jié)束后增大至111.42 kN，增大了43.35%。分布形式上，在零點(diǎn)以上范圍軸力隨深度不斷加大，而零點(diǎn)以下則不斷減小，零點(diǎn)處軸力最大。素混凝土按照懸浮樁設(shè)計(jì)（樁端為淤泥質(zhì)黏土），樁端土提供的最大端承力N端max=25 kN，在固結(jié)過程中達(dá)到限值后不會(huì)再增加，樁的承載力主要由樁中下部的正側(cè)摩阻力提供。

如圖6所示，樁施工后固結(jié)2年，群樁彎矩呈對(duì)稱分布，近場(chǎng)地處理一側(cè)和遠(yuǎn)場(chǎng)地處理一側(cè)樁彎矩較大，群樁中部較小，最大彎矩6.7 kN·m。滿載預(yù)壓完成后近真空預(yù)壓一側(cè)彎矩顯著增大，最大彎矩位于樁頂以下3 m處，達(dá)到23.9 kN·m，樁頂以下7 m處存在反彎點(diǎn)。近場(chǎng)地處理一側(cè)的邊樁彎矩在中上部和中下部均較大，可能最先發(fā)生斷樁并逐步向群樁中心蔓延，在工程實(shí)踐中應(yīng)該采用措施減小邊樁彎矩。

圖6 樁的彎矩Fig. 6 Bending moment of pile

3.4 降低影響的對(duì)策模型分析

通過改進(jìn)前述基本模型構(gòu)建對(duì)策模型，以近場(chǎng)地處理一側(cè)邊樁的水平位移ux和彎矩M為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析增大場(chǎng)地處理邊緣距路基距離和在路基側(cè)設(shè)置支護(hù)兩種對(duì)策對(duì)降低路基影響的效果。位移值取真空預(yù)壓產(chǎn)生的凈值，即真空加載（10 d）分析步之前的位移進(jìn)行清零。

（1）對(duì)策一：增大場(chǎng)地處理邊緣距路基距離

如圖7所示，將真空預(yù)壓場(chǎng)地處理邊緣距路基距離a（圖1）從10 m增大到20 m，uxmax、Mmax分別減小32.8%和45.6%。因此，盡量增大真空預(yù)壓場(chǎng)地邊界距既有路基的距離，是減小對(duì)復(fù)合地基影響的有效手段。

圖7 邊樁水平位移和彎矩（對(duì)策一）Fig. 7 Horizontal displacement and bending moment of side pile (countermeasure 1)

（2）對(duì)策二：復(fù)合地基邊緣設(shè)置支護(hù)

如圖8所示，考慮三類支護(hù)形式，材料采用彈性模型，水泥土的變形參數(shù)按照文獻(xiàn)[15]水泥土的試驗(yàn)結(jié)果取值，地下連續(xù)墻按照E=30 GPa，μ=0.2取值。

圖8 加強(qiáng)路側(cè)支護(hù)工況Fig. 8 Strengthening roadside support conditions

如圖9（a）所示，地下連續(xù)墻由于剛度較大，側(cè)向變形呈近似線性，且邊樁的彎矩顯著降低，水泥土支護(hù)時(shí)對(duì)降低邊樁側(cè)向位移和彎矩也有一定的作用。與沒有支護(hù)相比，水泥土攪拌樁和地下連續(xù)墻分別使邊樁的水平位移減小6.2%和23.1%，彎矩分別減小15.2%和41.8%。

圖9（b）可知，深10 m寬4 m水泥格柵墻和深25 m寬1 m雙排水泥土樁對(duì)土體的加固體積相近，但后者效果顯著好于前者。水泥土格柵墻支護(hù)時(shí)，邊樁的側(cè)向位移和彎矩比后者更大，格柵墻底部2 m處邊樁彎矩最大，為基本模型的2.3倍。這可能與格柵墻相比原有軟土層重度更大，引起附加荷載有關(guān)，且由于格柵墻深度淺，在墻底缺乏約束的位置，邊樁的彎矩迅速發(fā)展達(dá)到最大。

圖9 邊樁水平位移和彎矩（對(duì)策二）Fig. 9 Horizontal displacement and bending moment of side pile (countermeasure 2)

對(duì)比以上兩種對(duì)策，增大場(chǎng)地處理邊緣距路基距離可以同時(shí)控制復(fù)合地基的側(cè)向位移和群樁彎矩，而在復(fù)合地基邊緣設(shè)置支護(hù)則對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)材料和布置有要求。對(duì)于深厚軟土地基，剛度強(qiáng)度更大的高壓旋噴樁的支護(hù)效果明顯比水泥土攪拌樁更好，水泥土攪拌樁及其格柵墻的支護(hù)效果有限。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合珠海深厚軟土素混凝土樁復(fù)合地基工程實(shí)例，建立了有限元模型，研究了真空預(yù)壓處理對(duì)既有素混凝土樁復(fù)合地基的影響，并分析了兩種影響控制對(duì)策有效性，得到以下主要結(jié)論：

（1）真空預(yù)壓處理引起土加固區(qū)外圍土體發(fā)生側(cè)向卸荷，最大水平位移發(fā)生在密封墻邊緣。

（2）真空預(yù)壓場(chǎng)地處理會(huì)引起近場(chǎng)地處理一側(cè)邊樁的側(cè)摩阻力和軸向力顯著增大，摩阻力零點(diǎn)下移。

（3）抽真空時(shí)，負(fù)孔壓先集中在排水板處，然后向土中擴(kuò)散，滲透性大的土層負(fù)壓傳遞較快。

（4）增大場(chǎng)地處理邊緣距路基距離或者在復(fù)合地基邊緣設(shè)置高壓旋噴樁均能有效減小邊樁的側(cè)向變形和彎矩，而水泥土攪拌樁及其格柵墻的支護(hù)效果很有限。