真空预压软基处理对邻近桩基的影响分析

周 琼，李 为，高 郢，王 晶

(1.中海(广州)工程勘察设计有限公司，广东 广州 510277；2.长江勘测规划设计研究院，湖北 武汉 430010；3.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；4.南京瑞迪建设科技有限公司，江苏 南京 210029)

软土地基上地面堆载对邻近既有桩基的影响主要有两方面[1]：一是堆载引起软土侧向变形而挤压桩基，使桩基挠曲甚至断裂；二是堆载使桩周土产生不均匀沉降，并使桩侧受到负摩阻力，对上部结构不利。地面堆载导致邻近桩基发生工程事故的案例屡见不鲜[1-3]。因此，开展软土地基堆载对邻近桩基受力和变形特性的影响分析具有重要现实意义。

目前已有不少专家学者采用理论分析、物理模型试验、有限元数值分析及现场监测等手段开展了相关的研究工作。李仁平等[4]、梁发云等[5]、张浩等[6]在一定的简化和假设条件下从理论上推导了地面堆载对邻近桩基应力变形影响的计算模式。魏汝龙等[7]、陈永战等[8]采用土工离心模型试验分析了岸坡填土对桩基码头应力变形的影响。代恒军等[9]、李志伟[10]、王立忠等[11]采用有限单元法分析了地面堆载对邻近桩基应力变形的影响。王立忠等[11]、陈雪华等[12]、丁任盛[13]通过现场试验获取了地面堆载对邻近桩基应力变形的影响规律。以上研究主要针对堆载区地基侧向变形指向邻近桩基的情形，较少涉及类似真空预压软基处理使地基侧向变形背离桩基的情况。本文以福建某软基处理工程为背景，采用三维有限元方法分析真空预压软基处理对邻近桥梁桩基内力和变形的影响。

1 工程概况

1.1 桥梁尺寸

桥梁(图1)为简支梁结构，采用后张法预应力混凝土T梁，单跨32.6 m。桥墩为圆端形桥墩，尺寸为2.5 m×6.0 m×3.5 m(长×宽×高)，承台尺寸为5.7 m×5.7 m×2.5 m(长×宽×高)，承台下正方形布置4根φ1.25 m钻孔灌注桩(C50)，桩中心距3.2 m，桩长64.0 m，桩端持力层为全风化花岗岩。

1.2 工程地质条件

场地所处地貌为冲海积平原，地势平坦开阔，岩土层分布及各岩土层物理力学参数见表1。其中，淤泥①及淤泥③呈流塑状态，含有腐殖质，土层厚度分别为15.1～36.2 m及1.9～10.1 m；黏土②及黏土④以可塑状态为主，局部软塑，土层厚度分别为7.5～29.5 m及6.2～13.2 m。

表1 各岩土层物理力学参数

1.3 软基处理工程设计

软基处理范围边缘距离桥梁纵轴线约80 m，软基处理方法拟采用真空联合堆载预压法，设置水平和竖向排水通道，水平排水采用中粗砂垫层，竖向排水采用塑料排水板，间距1 m，正三角形布置，板端打设至淤泥层①底面。加固区采用黏土密封墙及塑料密封膜进行密封，要求抽真空期间膜下真空度不小于80 kPa。膜上分3级回填6 m厚海砂，每级回填厚度2 m。真空联合堆载预压加载计划见图2。

图2 真空联合堆载预压加载计划

2 分析模型

2.1 有限元模型

根据地形地质条件(表2)及桥梁基础尺寸建立了三维有限元模型，见图3。桥梁基础与地基土体单元类型均采用六面体八节点单元，场地土方填筑以分布荷载的形式考虑，塑料排水板实际施工为间隔布置(非连续布置)，计算时按照固结度相等的原则，通过调整渗透系数将间隔布置的塑料排水板等效为沿纵向连续分布的砂墙[14]。模型全部单元数量42 136，节点数量47 936。

表2 各岩土层物理力学参数

图3 有限元模型

2.2 本构模型

基桩及承台均采用线弹性模型，地基土体采用莫尔-库伦模型，采用比奥固结理论计算。桥梁基桩与地基土体之间设置摩擦接触单元，摩擦系数取0.2。加固区淤泥①进行砂墙等效后渗透系数取kh=4.93×10-4m/d和kv=3.97×10-4m/d。

2.3 边界条件

位移边界条件：模型侧面节点约束法向位移，模型底部节点约束3个方向的位移。

孔压边界条件：加固区外地基表面节点超静孔隙水压力取0，真空预压加固区内地基表面节点超静孔隙水压力取-80 kPa，等效砂墙中心节点超静孔隙水压力自上而下按-80 kPa沿深度线性衰减至-20 kPa考虑。

2.4 计算步骤

步骤一建立土层及桩基础，进行初始地应力平衡。

步骤二桩顶承台上施加上部结构荷载。

步骤三施加孔压边界条件。

步骤四按加载计划施加填土荷载。

3 结果分析

3.1 真空联合堆载预压软基处理结果分析

近土侧基桩与远土侧基桩(基桩位置见图1，下同)桩体水平位移计算结果见图4。在第一级填筑之前(仅有真空预压作用)，桩体水平位移方向指向加固区内，最大位移发生在桩顶；随着加固区堆载土方填筑，桩体水平位移方向远离加固区，且最大水平位移逐渐向黏土层②中部附近转移。近土侧桩体位移与远土侧桩体水平位移大小接近，而分布规律基本相同，近土侧桩体位移略大于远土侧桩体位移，这是桩顶承载承台的约束作用和近土侧桩周土受真空联合堆载预压软基处理影响略大两方面因素导致的结果。

a)近土侧基桩

桩身弯矩计算结果见图5。在第一级填土之前，近土侧桩身弯矩在淤泥层①中部及黏土④上部较大，远土侧桩身弯矩在桩顶及黏土④上部较大；随着加固区堆载土方填筑，桩身弯矩先减少后逐渐增大，且沿桩身分布规律发生变化，近土侧与远土侧桩身最大弯矩均发生在黏土层②中部附近。近土侧基桩与远土侧基桩在软基处理各个阶段桩身弯矩分布规律下部基本相同，而上部约15 m深度范围内差异较大，分析原因是上部桩体水平位移较大且桩顶受承台的约束作用，从而导致其弯矩分布有较大的差异。

a)近土侧基桩

3.2 堆载预压软基处理结果分析

为分析真空预压对桩基的影响，去掉上述方案中的真空预压效果而将软基处理方法改为堆载预压法。在前述模型的基础上，保持荷载条件和位移边界条件不变，仅调整孔压边界条件，将加固区地基表面及等效砂墙中心节点超静孔隙水压力取0。

桩体水平位移曲线计算结果见图6。由于桩顶承台的约束作用，近土侧和远土侧桩体水平位移沿桩身分布规律及位移大小基本相同，桩体最大水平位移发生在桩顶，沿桩身由上至下逐渐减小，位移方向远离加固区。随着加固区堆载土方分级填筑，桩体水平位移逐渐增大。

a)近土侧基桩

桩身弯矩计算结果见图7。近土侧基桩在桩顶、淤泥①中部、黏土②与淤泥层③交界面及黏土④中部附近弯矩较大，最大值发生在黏土④中部附近；远土侧基桩在桩顶、黏土②与淤泥层③交界面及黏土④中部附近弯矩较大，最大值发生在桩顶附近。随着加固区土方填筑，桩身弯矩方向保持不变，弯矩值逐渐增大。近土侧基桩与远土侧基桩在软基处理各个阶段桩身弯矩分布规律下部基本相同，而上部约25 m深度范围内差异较大，分析原因是上部桩体受堆载预压法软基处理的影响水平位移较大，且桩顶受承台约束作用，从而导致其弯矩分布有较大的差异。

a)近土侧基桩

3.3 真空预压影响分析

真空联合堆载预压与堆载预压两种软基处理方法下邻近桥梁基桩的最大水平位移和最大弯矩计算结果对比见表3。真空联合堆载预压法软基处理时桩身最大水平位移和最大弯矩均明显小于堆载预压软基处理时的数值，分析原因是真空负压作用使加固土体产生向内收缩的趋势，从而减小了堆载土方对邻近桩基的影响。

表3 基桩最大水平位移与最大弯矩计算结果

针对软土地基上地面堆载对邻近桩基保护措施，一般采用堆载区复合地基加固、堆载区边界设围护桩隔离、邻近桩基加固或采用轻质堆填材料等方法[15]。通过本次计算说明，在填土荷载不大且条件适宜的情况下，堆载区采用真空预压加固或不失为一种经济可行的方法。

4 结论

本文结合具体工程实例，采用有限单元法分别计算了真空联合堆载预压法和堆载预压法软基处理对邻近桥梁桩基的影响，具体结论如下。

a)软基处理采用真空联合堆载预压法时，土方堆载前桩基位移方向指向加固区侧，随着堆载土方分层填筑，桩身水平位移方向逐渐远离加固区，最大水平位移发生在黏土层②中部附近；桩身最大弯矩发生在黏土层②中部附近。

b)软基处理采用堆载预压法时，桩身水平位移方向指向加固区外侧，最大位移发生在桩顶，近土侧基桩最大弯矩发生在黏土④中部附近，远土侧基桩最大弯矩发生在桩顶。

c)软基处理采用真空联合堆载预压法时桩基的最大水平位移和最大弯矩均明显小于堆载预压法，表明在条件适宜的情况下，真空预压法或可作为软土地基上地面堆载时对邻近桩基的保护措施。