考慮硬殼層作用的軟土地基加固方式分析

劉 杰，沈 洋，杜元林，章方彬，賈浩天，單卓成

(1.永嘉甌北東片開發建設指揮部，浙江 溫州 325200；2.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092； 3.中交一公局集團有限公司，北京 100024；4.瑞安市交通工程建設中心，浙江 溫州 325200； 5.溫州理工學院，浙江 溫州 325035)

1 概述

硬殼層具有殼體效應、封閉作用、反壓保護作用以及沉降滯后作用，能有效增強地基的整體性和穩定性，對實際工程安全建設有著至關重要的作用。如果我們能夠在實際工程中充分發揮硬殼層的殼體效應與應力擴散作用，就能有效減少由不平衡堆載產生的側向力所造成的樁基被動位移，從而防止樁基出現整體剪切破壞以解決樁基側向抗力問題。我國沿海地區普遍存在淤泥條件下的市政道路岸坡區樁基側向抗力問題，很多工程因為對軟土地基的處理不當，建筑自身受到了極大的損害，影響其正常工作運行，導致人民生命財產損失。

高架橋梁結構的基礎沉降一直是巖土工程領域的研究熱點問題，特別是針對深厚軟土地質條件[1-2]。目前，已有一些學者通過現場實測、模型試驗等手段對橋墩基礎沉降進行了研究；張智[3]通過現場的監測得出樁基沉降變化規律，均為先慢后快，變形逐步趨于穩定；梁戰場等[4]在研究中發現根據規范計算的結果與實測值相差較大，由此利用Mindlin方法優化相關參數選取使計算結果能夠更精準地反映實測值；Fellenius等[5-6]對挪威、瑞典、日本、韓國、加拿大等國家的多處軟土樁基進行長期變形與內力監測，研究表明樁身荷載與壓縮量有較明顯的時間效應；戴榮良等對軟土地區上部結構形式對樁基長期沉降影響進行了總結[7-9]；冷伍明等對京滬高鐵、杭甬客專等鐵路橋梁群樁基礎的長期沉降數據進行了大量采集、分析、擬合和預測[10-15]；除了軟土地區樁基沉降的問題，近幾年對樁基的水平抗滑能力的研究也逐漸成為研究的重點；葛志平等[16]通過工程依托和軟件模擬提出了在該地區以高壓旋噴樁的方式來減少由于堆載對橋梁樁基的變形影響；Muszyński等[17]進行了水平樁基荷載試驗研究;除了采取相應的加固措施，我們還可以發揮硬殼層的作用來緩解軟土地區的基礎沉降和側向水平位移的問題；將工程渣土處理后形成類似“硬殼層”力學性質的“結構層”也可以達到人工硬殼層的效果。

本文將依托永嘉陽光大道二期工程展開現場試驗，利用FLAC 3D軟件建立不同的模型；通過車輛荷載、軟土厚度以及堆載的變化分析硬殼層的作用；在不同加固方式下對高壓旋噴樁和竹節樁的作用做出評估，給現場施工提供安全性、科學性、經濟性等方面的參考。

2 工程背景與有限差分模型建立

2.1 工程背景

依托工程溫州市永嘉縣陽光大道二期處于沿海深厚軟土地區，在尚未進場施工時路基便發生整段土體滑動現象，形成一個大的坍塌斷面并造成周邊道路大面積隆起(見圖1)。道路采用澆筑混凝土進行搶修改道，塌方周邊采用松木樁進行防護(見圖2)。但由于后續另一項目施工過程中將廢棄的土方堆積在該路段的西側，再次導致了路面隆起、滑動的現象(見圖3)。從深層土體水平位移的監測和低應變檢測中發現，靠近堆載區域的兩根樁基位移變化非常明顯，樁頂位移分別達到了18.9 cm和5 cm，且均在樁頂約6.5 m處發生了斷樁。在道路修復時，先開挖表面素填土，后嵌入若干竹節樁，最后再使用碎石以及細骨料等進行回填形成硬殼層。本文將利用FLAC 3D軟件對硬殼層和竹節樁的作用進行模擬分析，并希望以此給現場施工提供理論依據。

2.2 有限差分模型建立

FLAC 3D網格中的每個區域可以設定不同的材料模型，并且還允許指定材料參數的統計分布和變化梯度。包含的界面單元，能夠模擬兩種或多種材料界面不同材料性質的間斷特性，允許發生滑動或分離，因此可以用來模擬巖體中的斷層、節理或摩擦邊界。FLAC 3D中的網格生成器gen，通過匹配、連接由網格生成器生成局部網格，能夠方便地生成所需要的三維結構和交叉結構網格，提供靈活的三維空間參數。本文中的數值模型共184 890個節點，257 560個單元，長90 m，寬25 m，坡頂高25 m，初始模型如圖4所示。選取自由場邊界作為4個側面動力分析邊界，從而減少車輛波動邊界反射。動力分析時動荷載從上部輸入，底部采用靜態邊界條件。自由場邊界模型包括4個平面網格和4個柱體網格，平面網格在模型邊界上與主體網格是一一對應的，柱體網格相當于平面自由場網格的自由場邊界。其中，平面自由場網格是二維計算，假設在面的法向無限延伸；柱體自由場網格是一維計算，假設在柱體兩端無限延伸。

2.3 土體參數

勘探深度以內可分為10個工程地質亞層：①0素填土，回填時間大于5 a，其成分較雜，均勻性較差，力學強度一般，不建議作為持力層；①1黏土，軟～可塑狀，高壓縮性，工程性能一般，力學強度一般，土質較均勻；②1淤泥夾粉砂，流塑狀，高壓縮性，工程性能差，力學強度差，土質較均勻；②1′粉砂夾淤泥，稍密狀，中等壓縮性，力學強度一般，工程性能一般，土質均勻性較差；②2淤泥，流塑狀，高壓縮性，工程性能差，力學強度差，土質較均勻；④2黏土，軟～可塑狀，中等偏高縮性，工程性能較差，力學強度較差，土質較均勻；含⑨黏性土碎石，稍～中密狀，中等壓縮性，工程性能較好，力學強度較好，土質均勻性較差；⑩1全風化凝灰巖，可塑狀，中等壓縮性，工程性能一般，力學強度一般；⑩2強風化凝灰巖、⑩3中風化凝灰巖，基本不可壓縮，力學性質與工程性能好，具體土層參數見表1。

表1 巖土體計算參數表

3 FLAC 3D有限差分結果分析

3.1 硬殼層作用分析

本文采用兩種情況進行硬殼層作用的分析：第一種情況是將車輛荷載等效為2 m堆載作用，分析對比有無硬殼層的樁頭位移情況，由圖5(a)可以看到在2 m堆載作用下，不考慮硬殼層的情況下，樁頭水平位移為0.028 214 m，豎向位移為0.276 870 m；考慮硬殼層的情況下，樁頭水平位移為0.007 208 m，豎向位移為0.028 214 m。在硬殼層的作用下樁頭水平位移減少了88%，樁頭豎向位移減少了89%。這充分說明硬殼層的存在對沉降和土體水平位移影響較大。第二種情況是考慮計算成橋后，橋下地面單側跑車工況下，對樁基側向位移的影響，模型取4種土層情況進行計算，淤泥平均厚度分別為10 m,17 m,24 m和30 m三種斷面分別進行計算。通過分析地基處理前的原狀土、設置8 m深度高壓旋噴樁的有硬殼層的土層以及設置15 m深度高壓旋噴樁的有硬殼層的土層的樁土位移分析，得到結果如圖5(b)～圖5(e)所示。從結果對比中可以看出處理后的土層中的樁土位移均得到了改善，設置8 m高壓旋噴樁與地基處理前的樁土位移相比，土體水平位移減少30%，土體豎向位移減少25%；樁頭水平位移減少10%，樁頭豎向位移減少8%。由此可見設置旋噴樁的改善效果有限。通過對比設置8 m旋噴樁和15 m旋噴樁的效果，15 m旋噴樁的設置減少了21%的土體水平位移，減少了17%的土體豎向位移；樁頭水平位移減少11%，樁頭豎向位移減少12%。采取加長方式的旋噴樁也不能起到顯著的加固效果。這與趙偉強[18]的研究結果相互印證，在滿足承載力要求的情況下，改變硬殼層的幾何尺寸和采取額外加固方案的效果有限。由此可知交通荷載(或堆載)引起的對工程樁的水平位移和豎向位移均較小，在本身就有硬殼層的情況下高壓旋噴樁的作用有限，可以適當優化加固措施。

3.2 加固措施效果分析

通過FLAC 3D軟件，確定有限差分網格、本構特性與材料性質、邊界條件與初始條件的工作，可以獲得模型的初始平衡狀態，也就是模擬開挖前的原巖應力狀態。然后，進行工程開挖或改變邊界條件來進行工程的響應分析，模擬計算邊坡在堆載高度分別為1 m,3 m,5 m時不同加固方式的土體位移情況，得到數據如表2～表4所示，并通過分析在車輛荷載作用下高壓旋噴處理后有硬殼層的場地與處理前無硬殼層的場地的樁土位移，驗證得到高壓旋噴樁的加固方式能夠起到一定的效果，不同工況下車輛荷載對土體位移的影響見表5。

表2 堆載高度1 m條件下各工況的土體位移

表3 堆載高度3 m條件下各工況的土體位移

表4 堆載高度5 m條件下各工況的土體位移

表5 不同工況下車輛荷載對土體位移的影響

通過表2～表4可以看出未嵌入底部巖體的竹節樁加固方式，在3 m堆載條件下對土體的加固效果比較有限。而嵌固的竹節樁的加固效果相較于非嵌固的竹節樁能減少58%的樁頂位移。以最大高度堆載為例進行分析，盡管設置高壓旋噴樁與嵌入巖體的竹節樁的加固方式產生的最大土體水平位移分別增加了12.7%和26%，但是在整體上有效減少了堆載的影響范圍(見圖6～圖8)。這是由于鄧會元等[19]在文章中提到的遮攔效應導致的。選擇高壓旋噴樁加固時，5 m堆載下加固樁的樁頭位移為0.338 163 m，而設置嵌固的竹節樁的加固樁樁頭位移僅為它的7.5%，嵌固的竹節樁加固效果明顯優于高壓旋噴樁。

4 結論

1)模擬分析表明硬殼層的存在能有效減少土體的位移，在將車輛荷載等效為2 m堆載作用時，硬殼層的存在減少了至少80%的土體位移。

2)由于降雨入滲的影響，導致硬殼層基質吸力的降低，從而導致土體的抗剪強度降低，加之不平衡堆載的影響造成了土體整體剪切破壞。因此為了防止土體進一步破壞的發生，該工程區域應嚴禁土方堆載并實時對現場降水氣候進行記錄。

3)地基處理前后的結果中得到高壓旋噴樁在減少樁土水平位移的作用有限，設置高壓旋噴樁只能減少約25%的土體位移和10%左右的樁頭位移，因此現場施工不僅要采取更有效的加固方式，而且需要充分發揮硬殼層的作用以達到工程安全建設的目的。

4)在加固方式的選擇中，非嵌固的竹節樁不能起到有效的加固效果，而嵌固的竹節樁的加固效果相較于非嵌固的竹節樁能減少58%的樁頂位移，這是因為當土體滑動，嵌固的竹節樁可以將部分滑移力量通過樁體傳遞到嵌固層，與地表的硬殼層產生整體效應，減小滑動體作用影響。因此在后續的施工中，應加長竹節樁的長度并盡量嵌入巖體1 m。

5)選擇高壓旋噴樁加固時，5 m堆載下加固樁的樁頭位移為0.338 163 m，而設置嵌固的竹節樁的加固樁樁頭位移僅為它的7.5%，嵌固的竹節樁加固效果明顯優于高壓旋噴樁。因此對于現場施工加固設計建議以嵌固形式的竹節樁取代高壓旋噴樁。

6)由于樁基的遮攔效應會增大堆載附近的土體位移，但加固措施在整體上有效減少了堆載的影響范圍。