復合地基強度對堆載下軟基鄰近樁基變形特性的影響研究

作者簡介：梁程森（1990—），工程師，主要從事橋涵工程設計及咨詢工作。

摘要：文章通過現場監測及有限元計算，分析了提高復合地基強度對堆載下軟基的預處理效果，并將其應用于該工程實際，取得了顯著效果。主要結論為：復合地基樁土關系對堆載鄰近樁基的受力變形特性影響顯著，樁土剛度比及置換率均不宜過小，也不宜過大，當樁土剛度比m=50、置換率n=0.20時，剛性長短樁處治效果最佳。

關鍵詞：復合地基；堆載；軟基；剛性長短樁；置換率；樁土剛度比

中圖分類號：U445.55+1A341126

0 引言

目前，在溝谷地區修建橋梁時，橋臺處多存在側方堆載，對于橋梁樁基而言，會同時受到垂直荷載和堆載傳來的水平荷載作用從而產生側向位移，當堆載下存在軟基時，會加劇土體變形，使樁基側向位移增大，影響樁基的使用安全^［1-2］。為保證工程安全，對軟基進行預處理必不可少，目前最常用的方法就是復合地基處理。

國內外學者開展了大量復合地基處理軟基的研究。梁育瑋等^［3］利用有限元分析了側向堆載作用下樁與土的沉降、變形及樁身彎矩、軸力分布規律；馬重等^［4］通過理論分析了堆載高度、堆載與樁基距離等因素對樁基安全性的影響；王劍文^［5］基于實體工程分析了軟土地基上側向堆載導致橋墩樁基滑移的問題，并提出了不同的加固和治理措施。剛性樁強度大、承載力高，能夠傳遞荷載，有效限制軟土變形，而長短樁組合使用能夠在限制淺層軟土變形的同時，提高復合地基適應性，節約工程造價^［6］。劉云龍等^［7］通有限元分析樁長、樁徑、樁間距、墊層厚度等對長短樁復合地基中樁土承載力發揮度的影響。郭院成等^［8］分析了剛性基礎與柔性基礎下剛性長短樁復合地基樁、土應力及樁土應力比曲線的性狀以及樁土應力比隨荷載變化的規律及影響因素。

當確定處理方式后，為保證復合地基能夠達到處理效果，需要保證其有足夠的強度，其中提高復合地基強度有提高剛性長短樁的強度及增加剛性長短樁樁基數量兩種方法，即樁土剛度比及樁土置換率。為分析復合地基強度對堆載下軟基鄰近樁基變形特性的影響，本文利用有限元軟件，依托已因堆載而發生側向變形的某橋梁樁基工程，利用剛性長短樁對其進行預處理，分析不同置換率、樁土剛度比對堆載側鄰近樁基側向變形的處治效果。

1 工程概況

某橋梁工程全長130 m，原設計下部結構采用柱式橋墩，其中兩側橋臺均采用樁墩柱和樁基礎組合結構。施工過程中，1^#橋臺墩頂產生側向位移量達12 cm，且位移方向與堆載相背，堆載與橋臺關系如圖1所示。經后期調查發現，產生上述問題是因為堆載下存在深厚的軟基，而在前期勘測時未引起重視，未對其進行地基處理；受堆載自重作用，軟基受擠壓產生變形從而對樁基產生擠推力導致樁基發生側向位移。

施工前對軟基進行地基預處理，可以節約大量人力，加快施工進度。因此，本文提出對該類側方堆載下的軟基采用剛性長短樁進行預處理，分析提高復合地基強度對樁基側向變形及受力特性的影響，從而提出最優的處治措施，為出現該類問題的橋梁工程施工提供技術參考。

2 模型的建立及驗證

2.1 本構選擇及邊界條件

本文建立Midas有限元模型，分析軟基及復合地基處理對堆載臨近樁基變形及受力特性的影響。計算模型見圖2。本構模型方面，地基土采用線性摩爾-庫侖屈服準則進行分析，剛性長短樁、樁基礎、墊層采用理想彈性本構模型進行分析；邊界條件方面，模型側面選擇x、y方向位移約束，模型底面選擇x、y、z方向位移約束。

2.2 模型尺寸及材料參數

模型各土層及樁基礎尺寸參數見表1，材料參數見表2。

2.3 計算工況

為提高復合地基強度，可采取以下兩種措施：提高樁土剛度比、提高置換率。兩種參數的計算工況設置如下。

2.3.1 樁土剛度比變化

樁土剛度比可根據式（1）計算^［9］：

式中，m₀——初始樁土剛度比；

λ_p——樁的柔性指數；

λ_i——樁的長徑比；

E——樁體彈性模量；

G_s、E_s、v_s——樁間土的剪切模量、變形模量和泊松比；

r——樁徑；

L——樁長。

當樁尺寸及土體參數不變時，樁土剛度比m可表示為：

不同剛度比條件下的剛性長短樁材料參數見表3。

2.3.2 置換率

復合地基置換率是影響地基處理效果的重要因素之一，小等腰三角形復合樁布置形式見圖3，置換率計算公式^［10］如下。

小等腰三角形內部復合樁計算面積為半根樁的面積：

小等腰三角形內半根樁所分擔的處理面積：

置換率：

各置換率下的剛性長短樁布置形式見表4。

2.4 模型驗證

現場發生側向偏移的1^#橋臺3個樁基頂部偏移量分別為69.9 mm、66.3 mm和64.6 mm；本文采用有限元軟件計算得到的樁頂偏移量分別為62.6 mm、62.4 mm和62.3 mm，相較于現場監測結果，誤差分別為10.8%、5.9%和3.1%。由此可以看出，有限元軟件計算偏移量與現場監測得到的偏移量相差較小，可以利用本文建立的有限元計算結果反映工程實際。

3 工程處治方案可行性分析

為提高復合地基強度，本文提出改變樁土剛度比及樁土置換率并分析這兩種處治方案的可行性，其有限元計算分析結果如下。

3.1 樁土剛度比對堆載臨近樁基變形特性的影響（以n=0.20為例）

3.1.1 樁身位移分析

不同樁土剛度比下的樁基礎位移如圖4～6所示。

從圖4可以看出，采用剛性長短樁復合地基進行處理后，樁基側向位移顯著減小；在采用剛性長短樁進行地基處理時，樁身整體產生正向位移，位移隨入土深度增大而逐漸減小，進入持力層位移出現轉折。由圖5、圖6可知，隨著樁土剛度比的增大，樁頂位移及地表位移均逐漸減小，加固區后土體受擠壓情況更顯著，且剛度比大于50后減幅逐漸減小。與未處理時的62.3 mm、62.4 mm和62.6 mm相比，1^#-1、1^#-2、1^#-3樁在不同樁土剛度比下的樁頂位移減幅分別為88.1%～91.6%、88.5%～92.1%、89.0%～92.3%。由此可以看出，剛度比逐漸增大時，其對軟基的加固效率逐漸降低，當樁土剛度比m=50時，樁頂位移既能滿足安全要求，同時又能控制材料成本。

當樁土剛度比逐漸增大時，剛性長短樁加固區的整體強度逐漸增大，在堆載作用下產生變形減小，對樁基的側向擠推力減小，樁基位移減小。當樁土剛度比m=50時，剛性長短樁對土體變形約束能力較好，但當樁土剛度比gt;50，樁土強度差異過大，此時樁土協調變形能力差，從而使得剛性長短樁強度發揮程度降低，導致樁頂位移減幅趨緩。因此，在綜合考慮處治效果與經濟性的基礎上，采用樁土剛度比m=50時的剛性長短樁強度較為合理。

3.1.2 樁側土抗力分析

各樁土剛度比下1^#-1、1^#-2和1^#-3樁的樁側土抗力如圖7所示。

由圖7可知，樁側土抗力沿樁身先增大后減小，在深度16 m的巖土分界處出現峰值。與未處理時相比，1^#-1、1^#-2、1^#-3樁在不同樁土剛度比下的樁側土抗力峰值減幅分別為77.6%～83.7%、76.5%～83.1%、73.6%～81.4%。由樁側土抗力峰值可以看出，隨樁土剛度比增大，樁側土抗力峰值減幅逐漸減小。且樁土剛度比增大時，剛性長短樁彈性模量增量逐級增大，但抗力減幅并未隨之線性減小，說明不應一味增大樁土剛度比。

（1）在軟土層樁側土抗力沿樁身逐漸增大，是因為軟土強度低，在堆載作用下產生側向擠壓作用于樁身使得樁身位移增大，土抗力也隨之增大。進入巖層后，由于巖層強度較大，對樁身約束能力強，位移減小，土抗力也隨之減小。

（2）隨樁土剛度比增大，同一深度處的樁側土抗力減小，是因為采用剛性長短樁進行處理后，加固區強度增大，剛性長短樁承擔部分堆載，剛性長短樁剛度越大，傳遞到樁身的荷載越小，土抗力隨之減小。但剛性長短樁剛度的增幅大于土抗力減幅，說明樁土剛度差過大時剛性長短樁強度難以完全發揮，因此樁土剛度比不宜過大，以m=50為宜。

3.2 置換率對堆載臨近樁基變形特性的影響（以m=50為例）

3.2.1 樁身位移分析

置換率變化時樁基礎位移如圖8～10所示。

由圖8～10可以看出，置換率在0.05～0.40時樁身位移的變化規律一致，均是沿樁身先減小后增大，且置換率由0.05增大至0.20時樁頂位移減幅較大，置換率由0.20增至0.40時樁頂位移減幅逐漸趨于平緩；當置換率達到0.80時，樁身基本不發生位移。

（1）當置換率較小時，未受到約束的土體在堆載作用下仍會產生較大變形作用于樁基；隨著置換率增大，剛性長短樁布樁加密，樁周土體均處于剛性長短樁約束范圍內，此時加固效果顯著增強，樁身位移減幅較大。

（2）當置換率gt;0.20后，此時樁周土體已全部處于剛性長短樁約束范圍內，繼續加密剛性長短樁并不能提高土體強度，此時加固效率降低，樁身位移減小是因為剛性長短樁數增加，加固區整體強度增大，而土體沒有繼續增強，因此樁身位移減幅趨于平緩。

（3）當置換率達到0.80時，此時加固區可近似看作一個剛性整體，其強度高，可完全承擔上覆堆載，因此未產生側向擠壓作用于樁身，此時樁基礎幾乎不發生側向位移，但置換率過高會造成過度處理，浪費材料且影響施工進度。因此，綜合考慮處理效果與經濟性，當置換率n=0.20時，剛性長短樁強度發揮效果最好。

3.2.2 樁側土抗力分析

置換率變化時1^#-1、1^#-2和1^#-3^#樁的樁側土抗力如圖11所示，抗力峰值減幅曲線如圖12所示。

由圖12可知，隨著置換率的增加，樁側土抗力峰值逐漸減小，減幅在0.05～0.20較大，在0.20～0.40趨于平緩，在0.40～0.80又增大。結合圖8可知，當置換率在0.05～0.40時，樁身受堆載作用，發生撓曲變形，當置換率增加至0.80時，樁身變形量較小且屬于剛性轉動變形。

當置換率較小時，剛性長短樁對土體的約束能力弱，此時土體受堆載擠壓產生變形作用于樁基，樁側土抗力也較大，發生撓曲變形；隨置換率增大，樁周土體都得到加固，加固區強度增幅減緩，作用于樁基的土抗力減幅隨之減緩；當置換率達到0.80時，堆載由加固區剛性長短樁承擔，產生位移量小，產生剛性轉動變形。

綜上所述，復合地基強度對堆載鄰近樁基的受力變形特性影響顯著，增大樁土剛度比及置換率均能夠有效提高地基強度，保證樁基位移小于水平位移容許值6 mm，但樁土剛度比及置換率均不宜過小也不宜過大，當樁土剛度比m=50、置換率n=0.20時，剛性長短樁處治效果最佳。

4 工程處治效果評價

針對1^#橋臺施工過程中出現的側向位移問題進行分析，由于橋梁另一側的4^#橋周圍軟土層厚與1^#橋臺相近，因此提出采用樁土剛度比m=50、置換率n=0.20的剛性長短樁對4^#橋臺周圍土體進行預處理，然后進行路基填方。施工完成后，對其進行了為期60 d的位移監測，位移-時間曲線見圖13。由圖13可以看出，4^#橋臺的樁基水平位移量均小于6 mm水平位移容許值，這表明提高剛性長短樁復合地基強度對處理軟基有良好效果。

5 結語

本文依托實體工程，利用Midas有限元軟件，分析了提高復合地基強度在處理堆載下軟基時的處治效果，主要結論如下：

（1）樁土剛度比變化對堆載下軟基的處理效果顯著，與未處理時相比，樁身位移及樁側土抗力均顯著減小。剛度比逐漸增大時，其強度發揮程度逐漸降低，當樁土剛度比m=50時，樁頂位移既能滿足安全要求，同時又能控制材料成本。

（2）隨置換率增加，樁基由產生撓曲變形轉變為產生剛性轉動變形，置換率不宜過小，也不宜過大，當置換率n=0.20時，剛性長短樁處治效果最佳。

（3）在實際工程中對4^#橋臺周圍土體采用提高復合地基強度的方法進行地基預處理，樁基位移均小于6 mm水平位移容許值，處治效果良好，能夠滿足施工要求。

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