軟土地基下剛?cè)針妒┕?shù)值模擬分析研究

（中鐵十六局集團(tuán)第五工程有限公司，河北 唐山 063000）

隨著我國(guó)沿海城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，灘涂作為沿海地區(qū)重要的土地后備資源，為沿海地區(qū)的發(fā)展提供廣闊的土地資源和空間，越來(lái)越多的公路、橋梁修建在沿海灘涂中。沿海灘涂漲潮淹沒(méi)，落潮露出，其軟土地基工程特性表現(xiàn)為顯著的“三高二低”：高含水率，高孔隙比，高壓縮性，低滲透性，低強(qiáng)度。如何快速有效的處理灘涂深厚軟土路基成為當(dāng)下公路施工的一大難題[1]，在深厚軟土地基上建設(shè)公路橋，“橋頭跳車(chē)”現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。產(chǎn)生“橋頭跳車(chē)”的主要原因是橋頭和路基過(guò)渡段的地基處理方式不一致，在深厚軟土地基處理過(guò)程中，橋頭一般采用剛性樁的復(fù)合地基，路基一般采用排水固結(jié)方式進(jìn)行處理，其本質(zhì)原因是剛性差引起路基的差異沉降[2～7]，如何防止差異沉降對(duì)橋頭與路基的過(guò)渡段地基處理研究具有十分重要的意義。

1 工程概況

新建國(guó)省干線（聯(lián)七線）公路霞浦東沖至火車(chē)站段工程A3 標(biāo)段為福建省普通國(guó)省干線公路網(wǎng)布局規(guī)劃“八縱十一橫十五聯(lián)”中的“聯(lián)七線”的重要組成段落，是霞浦縣南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)對(duì)外交流的主通道。本項(xiàng)目軟土路段占整個(gè)路基投資的46%，主要分布于沖海積灘涂路段和局部山間階地地段。路段沖海積海岸海灘地貌，地表多為灘涂及養(yǎng)殖區(qū)，受潮水漲落潮影響極大。

1.1 工程地質(zhì)特性

本工程所處的淺海灘涂具有高含水率、高孔隙比、高壓縮性、低滲透以及低抗剪強(qiáng)度等“三高二低”不利工程特性，孔隙率，含水量和塑性指數(shù)的范圍分別約為0.6～1.7，32%～70%和15.1～50.2。礦物以伊-蒙混層和伊利石為主，灘涂區(qū)深厚軟土的不排水抗剪強(qiáng)度低，約為10～35kPa。同時(shí)，該灘涂區(qū)土體具有非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的流變特性，其蠕變?cè)囼?yàn)曲線呈衰減型，蠕變變形大部分應(yīng)變量發(fā)生在蠕變前期，變形隨時(shí)間增長(zhǎng)趨于一個(gè)定值。靜載作用下，圍壓越大初始蠕變速率越大，循環(huán)動(dòng)荷載作用下，應(yīng)變?cè)趧?dòng)荷載階段變化緩慢，而動(dòng)荷載結(jié)束后進(jìn)入穩(wěn)定階段后應(yīng)變發(fā)生突變，急劇變大最后趨于穩(wěn)定。

1.2 水文地質(zhì)概況

1）地表水 本項(xiàng)目地區(qū)的地表水主要為淺海灘涂處的潮汐水，及丘陵區(qū)山間溪溝水。山區(qū)路段溪谷上游多呈“V”型，下游多呈“U”型，溪溝水流量主要受天然降水量控制，雨季水位暴漲，應(yīng)注意洪水對(duì)工程的影響。

2）地下水 第四系孔隙水主要分布于海岸灘涂，含水層主要為第四系沖海積砂及砂礫卵石層，富水性較好，水量中等-豐富。主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給及周?chē)紫读严端膫?cè)向補(bǔ)給，水位埋深較深。

3）水質(zhì)的腐蝕性 根據(jù)沿線采樣分析，根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘查規(guī)范》（JTG C20-2011）附錄K 判定：海岸海灘區(qū)場(chǎng)地地表水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)腐蝕性，長(zhǎng)期浸水狀態(tài)下的混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有弱腐蝕性，在干濕交替狀態(tài)下具有強(qiáng)腐蝕性；地下水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有長(zhǎng)期浸水具有微腐蝕性，干濕交替狀態(tài)下具有中等腐蝕性。

2 剛?cè)針妒┕?shù)值模擬分析研究

為解決灘涂區(qū)深厚軟土地基下橋頭和路基過(guò)渡段的地基的差異沉降，造成“橋頭跳車(chē)”現(xiàn)象，減少填土在長(zhǎng)期荷載作用下的變形和軟土因附加壓力過(guò)大引起整個(gè)路基失穩(wěn)，保證樁與樁間土協(xié)調(diào)變形，本文通過(guò)FLAC3D、PLAXIC 數(shù)值模擬軟件，以新建國(guó)省干線（聯(lián)七線）公路霞浦東沖至火車(chē)站段工程A3 標(biāo)段為工程背景，對(duì)剛?cè)針督M合型復(fù)合地基處理效果進(jìn)行分析。

2.1 方案概述

組合型復(fù)合地基處理是地基處理中一種新型的方法，它突破了由單一材料、單一樁型的加強(qiáng)體與基體構(gòu)成復(fù)合地基的傳統(tǒng)思路，是由多種材料或多種型式的加強(qiáng)體相互配合，各施所長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化復(fù)合地基功能[8～10]。本工程中，預(yù)應(yīng)力管樁作為剛性樁，可以直接作為受力體為地基提供承載力；砂樁為柔性樁，通過(guò)置換作用和排水固結(jié)控制基礎(chǔ)沉降。通過(guò)成樁過(guò)程中對(duì)周?chē)巴痢⒎弁翆拥臄D密、振密作用和靠砂碎石的壓入獲得加固效果，使砂土、粉土地基的密實(shí)度增加。

結(jié)合工程實(shí)際，取橋頭過(guò)渡段k22+340～k22+360 段長(zhǎng)度為20m 為試驗(yàn)段，樁間距為3.0 m，處理寬度為38m，管樁和砂樁長(zhǎng)為12.5m，路基設(shè)計(jì)平局填土高度為7.5m，具體布置圖如圖1 所示。

2.2 基于FLAC 3D的剛?cè)針稄?fù)合地基加固效果分析

為了使試驗(yàn)方案的可靠性更強(qiáng)，采用FLAC3D 對(duì)剛?cè)峤M合樁進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬區(qū)如圖2 所示。

圖1 試驗(yàn)段樁基布置方案

圖2 方案模擬區(qū)示意圖

2.2.1 數(shù)值模擬參數(shù)

模擬中，剛?cè)針兜拈L(zhǎng)度均為12.5m，樁徑為400mm，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將其等效為邊長(zhǎng)為350mm 的矩形樁，計(jì)算參數(shù)如表1 所示。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)表

2.2.2 數(shù)值模擬過(guò)程

通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，模型示意圖如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型示意圖

分別對(duì)模型不同填土高度下的工況進(jìn)行模擬，計(jì)算云圖如圖4 所示。

圖4 FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果圖

2.2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知：其工后沉降量為61.218mm，其穩(wěn)定性系數(shù)為2.57，能夠滿足地基穩(wěn)定性的要求，試驗(yàn)方案可行。

2.3 基于PLAXIS3D剛?cè)針稄?fù)合地基加固效果分析

2.3.1 數(shù)值模擬參數(shù)

采用PLAXIS3D 對(duì)樁間距為3m 的剛?cè)峤M合樁進(jìn)行數(shù)值模擬仿真分析，其中，混凝土樁徑為400mm 和砂樁的樁徑為400mm，本構(gòu)關(guān)系采用小應(yīng)變模型，具體數(shù)值模擬參數(shù)如表2 所示。

2.3.2 數(shù)值模擬過(guò)程

在模型建立過(guò)程中，設(shè)置地下水位在0.3m以下和9 個(gè)施工步：①初始地應(yīng)力平衡；②布樁；③堆填1（堆填速率要求為施工天數(shù)為15 天）；④固結(jié)1（要求固結(jié)度達(dá)到90%進(jìn)行一個(gè)施工步）；⑤堆填2（堆填速率要求為施工天數(shù)為15 天）；⑥固結(jié)2（要求固結(jié)度達(dá)到90%時(shí)，進(jìn)行一個(gè)施工步）；⑦堆填3（堆填速率要求為施工天數(shù)為15 天）；⑧固結(jié)3（要求孔壓為1kPa 時(shí)，進(jìn)行一個(gè)施工步）；⑨荷載作用的工后沉降。

2.3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過(guò)整理計(jì)算結(jié)果可知，荷載作用的工后總沉降可達(dá)0.5117m，穩(wěn)定系數(shù)能夠滿足地基穩(wěn)定性要求。間距為1.0m 排水板處理的軟基，20 年內(nèi)工后沉降為0.144m。剛?cè)峤M合樁處理的軟基，20 年內(nèi)工后沉降為0.126m；在能保證樁基的承載力情況下，剛性樁處理的軟基在20 年內(nèi)的工后沉降約為0.084m。顯然采用剛?cè)峤M合樁的復(fù)合地基與排水板處理之后的軟基之間的沉降差異較小，相差0.018m，能夠滿足工程設(shè)計(jì)和施工的要求。因篇幅有限，計(jì)算云圖不再一一詳述。

2.4 剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基處理PLAXIS3D模擬

針對(duì)“橋頭跳車(chē)”過(guò)渡段，擬采用Plaxis3D對(duì)剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基進(jìn)行仿真模擬，路面寬38m，處理長(zhǎng)度為20m，橋頭位置采用混凝土管樁，樁長(zhǎng)12.5m，排水板地基處理位置采用4.0m的混凝土管樁，中間混凝土樁漸進(jìn)變化，樁間距為2.5m，具體的施工方案詳見(jiàn)圖5 所示。

通過(guò)計(jì)算可知，長(zhǎng)短樁的總沉降量為1.27m，長(zhǎng)短樁區(qū)域的總沉降為0.81m，穩(wěn)定系數(shù)為1.13 ＞1.0 能夠滿足地基穩(wěn)定性的要求。過(guò)渡段10 年的排水板的地基工后沉降最大值為32.4cm；長(zhǎng)短樁的地基工后沉降為20.2cm，通過(guò)沉降變形圖可知，變形能夠平緩過(guò)渡。剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基能夠很好地減少差異沉降，防止“橋頭跳車(chē)”。

表2 路基土的物理特性指標(biāo)

圖5 剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基施工方案

3 結(jié)語(yǔ)

本文依托新建國(guó)省干線（聯(lián)七線）公路霞浦東沖至火車(chē)站段工程A3 標(biāo)段橋頭過(guò)渡段k22+340～k22+360，通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)灘涂區(qū)深厚軟土地基下剛?cè)針督M合處理效果進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下。

1）工后沉降量為61.218mm，其穩(wěn)定性系數(shù)為2.57，能夠滿足地基穩(wěn)定性的要求。

2）采用剛?cè)峤M合樁的復(fù)合地基與排水板處理之后的軟基之間的沉降差異較小，相差0.018m，能夠滿足工程設(shè)計(jì)和施工的要求。

3）過(guò)渡段10 年的排水板的地基工后沉降最大值為32.4cm；長(zhǎng)短樁的地基工后沉降為20.2cm，通過(guò)沉降變形圖可知，變形能夠平緩過(guò)渡。剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基能夠很好地減少差異沉降，防止“橋頭跳車(chē)”。