真空預壓軟基處理對鄰近樁基的影響分析

周 瓊，李 為，高 郢，王 晶

(1.中海(廣州)工程勘察設計有限公司，廣東 廣州 510277；2.長江勘測規劃設計研究院，湖北 武漢 430010；3.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；4.南京瑞迪建設科技有限公司，江蘇 南京 210029)

軟土地基上地面堆載對鄰近既有樁基的影響主要有兩方面[1]：一是堆載引起軟土側向變形而擠壓樁基，使樁基撓曲甚至斷裂；二是堆載使樁周土產生不均勻沉降，并使樁側受到負摩阻力，對上部結構不利。地面堆載導致鄰近樁基發生工程事故的案例屢見不鮮[1-3]。因此，開展軟土地基堆載對鄰近樁基受力和變形特性的影響分析具有重要現實意義。

目前已有不少專家學者采用理論分析、物理模型試驗、有限元數值分析及現場監測等手段開展了相關的研究工作。李仁平等[4]、梁發云等[5]、張浩等[6]在一定的簡化和假設條件下從理論上推導了地面堆載對鄰近樁基應力變形影響的計算模式。魏汝龍等[7]、陳永戰等[8]采用土工離心模型試驗分析了岸坡填土對樁基碼頭應力變形的影響。代恒軍等[9]、李志偉[10]、王立忠等[11]采用有限單元法分析了地面堆載對鄰近樁基應力變形的影響。王立忠等[11]、陳雪華等[12]、丁任盛[13]通過現場試驗獲取了地面堆載對鄰近樁基應力變形的影響規律。以上研究主要針對堆載區地基側向變形指向鄰近樁基的情形，較少涉及類似真空預壓軟基處理使地基側向變形背離樁基的情況。本文以福建某軟基處理工程為背景，采用三維有限元方法分析真空預壓軟基處理對鄰近橋梁樁基內力和變形的影響。

1 工程概況

1.1 橋梁尺寸

橋梁(圖1)為簡支梁結構，采用后張法預應力混凝土T梁，單跨32.6 m。橋墩為圓端形橋墩，尺寸為2.5 m×6.0 m×3.5 m(長×寬×高)，承臺尺寸為5.7 m×5.7 m×2.5 m(長×寬×高)，承臺下正方形布置4根φ1.25 m鉆孔灌注樁(C50)，樁中心距3.2 m，樁長64.0 m，樁端持力層為全風化花崗巖。

1.2 工程地質條件

場地所處地貌為沖海積平原，地勢平坦開闊，巖土層分布及各巖土層物理力學參數見表1。其中，淤泥①及淤泥③呈流塑狀態，含有腐殖質，土層厚度分別為15.1～36.2 m及1.9～10.1 m；黏土②及黏土④以可塑狀態為主，局部軟塑，土層厚度分別為7.5～29.5 m及6.2～13.2 m。

表1 各巖土層物理力學參數

1.3 軟基處理工程設計

軟基處理范圍邊緣距離橋梁縱軸線約80 m，軟基處理方法擬采用真空聯合堆載預壓法，設置水平和豎向排水通道，水平排水采用中粗砂墊層，豎向排水采用塑料排水板，間距1 m，正三角形布置，板端打設至淤泥層①底面。加固區采用黏土密封墻及塑料密封膜進行密封，要求抽真空期間膜下真空度不小于80 kPa。膜上分3級回填6 m厚海砂，每級回填厚度2 m。真空聯合堆載預壓加載計劃見圖2。

圖2 真空聯合堆載預壓加載計劃

2 分析模型

2.1 有限元模型

根據地形地質條件(表2)及橋梁基礎尺寸建立了三維有限元模型，見圖3。橋梁基礎與地基土體單元類型均采用六面體八節點單元，場地土方填筑以分布荷載的形式考慮，塑料排水板實際施工為間隔布置(非連續布置)，計算時按照固結度相等的原則，通過調整滲透系數將間隔布置的塑料排水板等效為沿縱向連續分布的砂墻[14]。模型全部單元數量42 136，節點數量47 936。

表2 各巖土層物理力學參數

圖3 有限元模型

2.2 本構模型

基樁及承臺均采用線彈性模型，地基土體采用莫爾-庫倫模型，采用比奧固結理論計算。橋梁基樁與地基土體之間設置摩擦接觸單元，摩擦系數取0.2。加固區淤泥①進行砂墻等效后滲透系數取kh=4.93×10-4m/d和kv=3.97×10-4m/d。

2.3 邊界條件

位移邊界條件：模型側面節點約束法向位移，模型底部節點約束3個方向的位移。

孔壓邊界條件：加固區外地基表面節點超靜孔隙水壓力取0，真空預壓加固區內地基表面節點超靜孔隙水壓力取-80 kPa，等效砂墻中心節點超靜孔隙水壓力自上而下按-80 kPa沿深度線性衰減至-20 kPa考慮。

2.4 計算步驟

步驟一建立土層及樁基礎，進行初始地應力平衡。

步驟二樁頂承臺上施加上部結構荷載。

步驟三施加孔壓邊界條件。

步驟四按加載計劃施加填土荷載。

3 結果分析

3.1 真空聯合堆載預壓軟基處理結果分析

近土側基樁與遠土側基樁(基樁位置見圖1，下同)樁體水平位移計算結果見圖4。在第一級填筑之前(僅有真空預壓作用)，樁體水平位移方向指向加固區內，最大位移發生在樁頂；隨著加固區堆載土方填筑，樁體水平位移方向遠離加固區，且最大水平位移逐漸向黏土層②中部附近轉移。近土側樁體位移與遠土側樁體水平位移大小接近，而分布規律基本相同，近土側樁體位移略大于遠土側樁體位移，這是樁頂承載承臺的約束作用和近土側樁周土受真空聯合堆載預壓軟基處理影響略大兩方面因素導致的結果。

a)近土側基樁

樁身彎矩計算結果見圖5。在第一級填土之前，近土側樁身彎矩在淤泥層①中部及黏土④上部較大，遠土側樁身彎矩在樁頂及黏土④上部較大；隨著加固區堆載土方填筑，樁身彎矩先減少后逐漸增大，且沿樁身分布規律發生變化，近土側與遠土側樁身最大彎矩均發生在黏土層②中部附近。近土側基樁與遠土側基樁在軟基處理各個階段樁身彎矩分布規律下部基本相同，而上部約15 m深度范圍內差異較大，分析原因是上部樁體水平位移較大且樁頂受承臺的約束作用，從而導致其彎矩分布有較大的差異。

a)近土側基樁

3.2 堆載預壓軟基處理結果分析

為分析真空預壓對樁基的影響，去掉上述方案中的真空預壓效果而將軟基處理方法改為堆載預壓法。在前述模型的基礎上，保持荷載條件和位移邊界條件不變，僅調整孔壓邊界條件，將加固區地基表面及等效砂墻中心節點超靜孔隙水壓力取0。

樁體水平位移曲線計算結果見圖6。由于樁頂承臺的約束作用，近土側和遠土側樁體水平位移沿樁身分布規律及位移大小基本相同，樁體最大水平位移發生在樁頂，沿樁身由上至下逐漸減小，位移方向遠離加固區。隨著加固區堆載土方分級填筑，樁體水平位移逐漸增大。

a)近土側基樁

樁身彎矩計算結果見圖7。近土側基樁在樁頂、淤泥①中部、黏土②與淤泥層③交界面及黏土④中部附近彎矩較大，最大值發生在黏土④中部附近；遠土側基樁在樁頂、黏土②與淤泥層③交界面及黏土④中部附近彎矩較大，最大值發生在樁頂附近。隨著加固區土方填筑，樁身彎矩方向保持不變，彎矩值逐漸增大。近土側基樁與遠土側基樁在軟基處理各個階段樁身彎矩分布規律下部基本相同，而上部約25 m深度范圍內差異較大，分析原因是上部樁體受堆載預壓法軟基處理的影響水平位移較大，且樁頂受承臺約束作用，從而導致其彎矩分布有較大的差異。

a)近土側基樁

3.3 真空預壓影響分析

真空聯合堆載預壓與堆載預壓兩種軟基處理方法下鄰近橋梁基樁的最大水平位移和最大彎矩計算結果對比見表3。真空聯合堆載預壓法軟基處理時樁身最大水平位移和最大彎矩均明顯小于堆載預壓軟基處理時的數值，分析原因是真空負壓作用使加固土體產生向內收縮的趨勢，從而減小了堆載土方對鄰近樁基的影響。

表3 基樁最大水平位移與最大彎矩計算結果

針對軟土地基上地面堆載對鄰近樁基保護措施，一般采用堆載區復合地基加固、堆載區邊界設圍護樁隔離、鄰近樁基加固或采用輕質堆填材料等方法[15]。通過本次計算說明，在填土荷載不大且條件適宜的情況下，堆載區采用真空預壓加固或不失為一種經濟可行的方法。

4 結論

本文結合具體工程實例，采用有限單元法分別計算了真空聯合堆載預壓法和堆載預壓法軟基處理對鄰近橋梁樁基的影響，具體結論如下。

a)軟基處理采用真空聯合堆載預壓法時，土方堆載前樁基位移方向指向加固區側，隨著堆載土方分層填筑，樁身水平位移方向逐漸遠離加固區，最大水平位移發生在黏土層②中部附近；樁身最大彎矩發生在黏土層②中部附近。

b)軟基處理采用堆載預壓法時，樁身水平位移方向指向加固區外側，最大位移發生在樁頂，近土側基樁最大彎矩發生在黏土④中部附近，遠土側基樁最大彎矩發生在樁頂。

c)軟基處理采用真空聯合堆載預壓法時樁基的最大水平位移和最大彎矩均明顯小于堆載預壓法，表明在條件適宜的情況下，真空預壓法或可作為軟土地基上地面堆載時對鄰近樁基的保護措施。