基于散體平衡理論公式的軟土地基橋臺受力分析及處治

王國偉（福建君達建設有限公司，漳州363000）

基于散體平衡理論公式的軟土地基橋臺受力分析及處治

王國偉
（福建君達建設有限公司，漳州363000）

本文通過基于散體平衡理論導出的沈珠江公式對軟土地基橋臺進行了理論分析，提出實際設計過程中的計算方法，同時提出根據實際情況選取的軟基處理方式。

軟土地基橋臺位移被動樁

1 概述

我國東南沿海福建地區絕大部分屬于天然軟土地基區，淺部軟土普遍發育，軟土主要為濱海沼澤相堆積類型。地基土層以較厚的第四紀松散沉積物組成，基巖埋深甚至達300m以上。

對于在軟基場地修建的橋臺樁基，橋頭路基填筑對于橋臺樁基的影響主要有兩個方面：一方面，橋頭路基填土引起淤泥質土層的流動，對樁基進行側向擠壓，使樁基產生較大的水平位移，甚至斷裂；另一方面，路基邊坡土體有可能在軟土層中形成貫通的滑動面。當最危險滑面位置較深，而橋臺樁基又處于滑動體影響范圍內時，滑帶以上部分土體的移動或蠕動會對樁基產生相當大的推力，足以使樁基毀壞。因此，軟基修筑的橋臺樁基屬于典型的“被動樁”。對于被動樁，打樁、堆載和開挖作用都可能導致樁周土體產生可觀的水平位移而使樁身受到側向荷載的作用。在軟土地基中，堆載或開挖引起的土體水平位移可達到堆載高度或開挖深度的1%～2%甚至更大[1-3]。

橋梁設計中由于設計水位、建筑高度等條件的限制，一般都會填筑臺后路堤，少則三四米，多則七八米的臺后填土，引起臺后的大量“堆載”。橋臺一般設置在河岸畔，臺前形成臨空面，樁基上部處于放坡線范圍，相當于“開挖”作用。土的側向荷載對橋臺樁基的水平位移和彎曲變形具有重大影響，往往導致橋臺樁身發生撓曲，嚴重時將導致橋臺或橋梁結構的破壞。在實際工程中，由于橋頭路基填筑引起橋臺側移、開裂，橋臺樁身剪切破壞、彎曲破壞的事故屢見不鮮。

2 地基規范中樁基位移計算模型及存在的問題

被動樁的土壓力計算是十分復雜的，目前運用最廣的是基于土體位移的分析方法。李國豪[4]采用彈性地基梁解析法利用樁的撓曲微分方程來求解水平向荷載。軟土部分流動作為外荷載加載在樁身，硬土區作為樁身的彈性邊界（力學模型示意圖如圖1所示），采用Winkler地基梁模型計算對樁身位移產生抗力。

圖1 橋臺樁土相互作用力學模型示意圖

《公路橋涵地基與基礎設計規范（JTG D63-2007）》[5]（以下簡稱“規范”）采用“m”法完全的線彈性地基反力法進行計算，即認為樁基自上而下均符合Winkler彈性模型，未考慮軟土層的不利影響。且土的水平抗力系數的比例系數m取值范圍較大，在設計實踐過程中，計算結果往往具有爭議性。

3 流動土體位移模式及樁側壓力計算

利用土體變形來分析樁的變形甚至破壞及荷載效應可以幫助我們認清橋臺樁與土體相互作用的本質，合理計算軟土對橋臺樁基產生的側壓力對研究樁基變形性狀至關重要。

沈珠江[6]根據散體極限平衡理論，假設土層無限廣闊并沿水平向對垂直樁作相對運動，且樁的側面絕對粗糙，得到圓形樁單位樁長上的繞流阻力公式見公式（1）。

式中，p（z）——土體移動對樁產生的附加水平側壓力（kN/m）；

σz——附加豎向壓應力（kPa）；

σc=c·ctgμ(kPa)；

c，φ——軟土地基的粘聚力（kPa）和內摩擦角；

D1——樁中心距（m），D2為樁間距（m）。

由上式可以看出，土體對于樁基產生的水平推力，除與樁徑（D1-D2）及附加豎向荷載有關外，軟土地基土體的抗剪強度指標c、φ值有關。因此，無論是淤泥質土體流動產生的側向推力，還是產生貫通的滑動面。本質上，都是土體自身抗剪強度不足，軟土地基的剪切破壞導致。

圖2和圖3為P（z）/D1隨內摩擦角和內聚力的變化圖。

圖2 P（z）/D1隨內摩擦角的變化圖

圖3 P（z）/D1隨內聚力的變化圖

由圖2、圖3可知，在樁基設計一定的條件下，軟土地基對橋臺樁基的水平推力隨內摩擦角和內聚力的增大而增大，P（z）與內摩擦角的正切值tanφ近似呈二次拋物線關系，而與內聚力近似呈線性關系。

而當土體呈流動狀態，即φ=0時，公式（1）可以進一步簡化為公式（2）：

這里求出的P（z）值可以作為粘性土的極限土壓力。

Randolpth＆Houlsby在進行不排水情況下受側向被動荷載樁的性狀分析中采用經典塑性理論得到的被動荷載精確解為公式（3）：

公式（2）、（3）形式相同，可以將其作為橋臺樁基極限側向力。需要指出的是，沈珠江公式假定土體已發生塑性變形，樁土體系達到極限平衡狀態。在橋臺樁基設計，將其作為水平荷載加載在樁基，對橋臺樁頂位移進行精確計算時，應對臺后填土狀態進行分析，考慮軟土地基層是否已經破壞。

4 橋臺軟基的處治措施

由于軟基橋臺水平位移非常敏感，對于軟土地基的橋梁，橋臺樁頂的水平位移難以滿足規范要求。因此，軟土地基修筑的橋臺，一般需要對路橋過渡段的軟基進行處理。

如前所述，樁側土壓力與土體抗剪強度及樁基布置有密切關系，處理措施主要針對這兩方面，即對軟土地基處理的地基改良方法和以改變樁基布置形式等的基礎改良法。

排水砂樁法和塑料板排水法都是通過改善土體的排水環境，加快軟軟土地基的排水固結，改善地基狀況，提高土體的抗剪強度指標，增強地基的穩定。對于通過排水固結法改良的軟土地基，可以將經過處理的“軟土層”當成符合Winkler彈性地基梁的“硬土層”進行考慮，按照規范推薦“m”法進行計算。常用的加快排水固結的方法還包括預載填土和真空預壓等方法，其作用都是提高土體的內摩擦角φ和內聚力c值，提高土體抗剪強度，從根本上解決軟土的側向壓力問題，適用于軟基范圍較小、工期比較寬松的中小橋梁工程。

水泥土攪拌樁、混凝土或鋼筋混凝土剛性樁也是改良軟土性質的方式，但是與排水固結法有本質不同，這種方法沒有改善土體的抗剪強度，而是通過剛性樁特性，分散承擔軟土流動產生的水平荷載，從而對橋臺樁基進行保護。適用于深厚軟基、高填土橋臺的軟基處理。

基礎改良法可以通過改變樁基布置方式抵抗土體水平荷載。例如，將單排樁改成多排樁或梅花樁布置，離心模型試驗很好的證明了這一點。而設置斜樁可以克服直樁抗剪性能差的特點，將水平荷載分解成樁基的豎向荷載，例如位于黃浦江的南浦大橋橋臺即采用斜樁設計。

橋臺軟土地基的處理方法應該根據實際情況靈活選取，上述方法可單獨使用，也可以采用多種綜合的方法，確保工程設計安全、經濟。

5 結語

（1）軟土地基的橋臺樁基受力比較復雜，軟土流動產生的水平荷載對橋梁安全有重大影響，應在設計過程中高度重視，防患于未然。

（2）規范采用的設計方法與軟土地基的實際情況有很大出入，設計時應綜合考慮。

（3）軟土地基的樁基側壓力的本質是土體自身抗剪強度不足，軟土地基的剪切破壞導致。

（4）軟土地基處理方式很多，處理方式雖然“同歸”，但也“殊途”，應根據實際情況，合理選用處理措施。

[1]DeBeerEE.Piles subjectedto staticlateralloads[A].In：Proc.9thICSMFE [C].Sp.Sess：1977，10.

[2]趙利民.軟土地基橋臺前移原因分析與綜合處理方法[J].鐵道科學與工程學報，2006，8（3）：54-58.

[3]張軍輝，周宇，鄭健龍，等.基于樁側土壓力的橋臺樁基樁土相互作用研究[J]，路基工程，2014（1）：40-48.

[4]李國豪.關于樁的水平位移、內力和承載力的分析[J].上海力學，1981，12（1）：236-244.

[5]中華人民共和國交通部.JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎設計規范[S].北京∶人民交通出版社，2004.

[6]沈珠江.樁的抗滑阻力和抗滑樁的極限設計[J].巖土工程學報，1992（01）.