堆载物作用下的软基处治措施对临近桩基工程特性的影响分析

张晓驰，秦晨洋

(广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

当在河谷地区修建桥梁桩基时，由于桥台后常有高路基填土，桥梁桩基不仅会受到上部结构传来的竖向荷载和水平向荷载，还会受到侧方堆载物(通常为填土)影响从而产生侧向位移，特别是路基填土下含有软弱夹层时，由于软土具有高压缩性、高触变性、高结构性、低抗剪强度、低透水性的特点，使得桥梁桩基极易发生较大侧向位移，严重影响工程的安全性[1-3]。由于线性工程的特殊性，侧向变形成为评价桥梁桩基稳定性的重要指标，针对堆载物作用下软基对临近桩基侧向变形的影响，国内外学者展开了大量研究。

当堆载物下存在软弱夹层时，针对其受力变形规律及对邻近构筑物的影响，李忠诚等[4]在地面超载条件下分析了土体的侧移模式及堆载物大小、堆载物距离、桩间距对邻近桩基力学特性的影响；冯忠居等[5]分析了堆载甚至超载条件下软土地基的侧向位移模式、变性规律以及对邻近桩基的影响；董亮等[6]基于对高铁桥梁地质条件和现场堆载物情况的调研，分析了桥梁墩台在单侧堆载作用下的受力变形特性；马远刚等[7]利用有限差分法分析堆载作用对被动桩侧向位移的影响；张建勋等[8]将桩体等效成板桩，用梁单元模拟，采用平面有限元分析了堆载超载影响下的相邻桩基性状。侧方堆载物的作用会严重影响临近桩基的受力变形特性，从而影响工程的安全性，为此，需对其进行处理以确保桥梁能够安全运营。陈继彬等[9]依托四川省遂资高速公路软弱地基变形观测的数据，探讨碎石桩处理、塑料排水板等处治措施对软土地基侧向变形的处理效果；杨敏等[10-13]分析了加固宽度、加固深度以及加固弹性模量等因素对超载软土地基邻近桩基侧向变形的影响；郭院成、熊巨华、李波等[14-17]分析了长短桩复合地基作为软基处理措施的效果；吴俊等[18]分析了水泥搅拌桩复合地基处理软土地基时的加固效果。

当前针对桩基单侧大面积堆载工况时，工程中往往忽略对软弱地基的预先处理，而是在桥梁桩基施工完成后通过在桥台前填方一侧设置抗滑桩和削方减载的方式减小桥梁桩基受力。但是，此时桩基的侧向变位已经发生，变位较大时将影响桩基的承载特性及稳定性。因此，本文基于某桥工程中在堆载物作用下桩基出现较大侧向位移的工程问题，结合现场实际情况，利用Midas有限元软件，分析预处理的处治措施、处理距离对堆载物侧邻近桩基工程特性的影响。

1 工程概况

该桥原设计下部结构为柱式桥墩，其中位于堆载物(填土)侧边的1#桥墩的桩径为2.0 m，桩长为35 m。1#桥墩与堆载物的位置关系如下页图1所示。在施工过程中，1#桥墩墩顶发生了背向堆载物的偏移，偏移量达到12 cm。经补勘后发现，1#桥墩侧边堆载物下存在大面积的软弱夹层，在堆载作用下软土层受到挤压产生侧向挤推，导致桥墩产生较大位移。

图1 1#桥墩与堆载物(填土)的位置关系实例图

当发生工程病害后再处理，耽误施工进度，增加施工成本，因此，本文提出在详细勘测后先处理、后堆载的施工思路，采用不同处治措施以及处理距离对软弱夹层进行地基处理，并评价其处理效果，确保桥梁工程的安全运营。

2 数值模拟模型建立及验证

2.1 模型建立及参数选取

为分析复合地基处理后桥梁墩柱的变形规律与力学特征，本文采用Midas有限元软件建立数值模拟模型，其计算模型如图2所示。桥梁基础和刚性长短桩采用混凝土材料，分析采用理想弹性本构模型，地基土和水泥搅拌桩采用理想的弹塑性模型线性Mohr-Coulomb屈服准则进行分析。模型四周固定x、y方向位移；模型底面固定x、y、z三个方向位移。桩后堆载有高30 m的填土，桩周土层从上到下依次是软土层、强风化岩层、中风化岩层，层厚分别为16 m、6 m、42 m。各土层材料、水泥搅拌桩和刚性长短桩的参数见表1。

表1 模型材料参数表

图2 计算模型图

2.2 模型验证

根据现场监测结果，在地基未处治前，1#-1桩、1#-2桩、1#-3桩的桩顶偏移量分别为64.6 mm、66.3 mm、69.9 mm，与利用Midas软件模拟得到的62.62 mm、62.37 mm、62.31 mm相比，误差分别为3.1%、5.9%、10.8%，即数值模拟结果与现场监测结果基本吻合。因此，可认为本文建立的模型与参数的选取具有可靠性。

2.3 计算工况

2.3.1 处治措施

分析水泥搅拌桩和刚性长短桩两种处治措施对堆载物下邻近桩基的侧向变形的影响。两种处治措施均采用梅花桩布置形式，两种处治措施的桩基参数分别为：(1)水泥搅拌桩桩长18 m，桩径为0.5 m，共28排，每排16根，顺桥向桩间距为1 m，横桥向桩间距为2 m；(2)刚性长短桩的长桩桩长22 m，短桩桩长14 m，桩径为0.5 m，长桩和短桩各14排，每排16根，顺桥向桩间距为1 m，横桥向桩间距为2 m。

2.3.2 处治区距离

当处治区距桩的距离不同时，其对临近桩基的影响也不同。因此，以处治区距离l为影响因素，分析处治区距离分别为2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m时，水泥搅拌桩及刚性长短桩复合地基对邻近桩基侧向变形的影响。处治区距离示意图见图3。

图3 处治区距离示意图

3 数值模拟结果分析

3.1 处治措施对临近桩基受力变形特性的影响

以处治区距离l=8 m为例，分析水泥搅拌桩和刚性长短桩两种处治措施对临近桩基受力变形特性的影响。

3.1.1 桩基侧向变形分析

采用不同处治措施时1#-1桩、1#-2桩和1#-3桩的桩身位移对比度化如图4所示。

(a)1#-1

由图4可知，当采用复合地基处理后桩基的侧向位移与未处治时相比显著减小，且外侧桩(1#-1)位移大于内侧桩(1#-3)位移；采用水泥搅拌桩处治时桩身整体产生正向位移，采用刚性长短桩处治时桩基在进入持力层后出现转折点。采用水泥搅拌桩处治时1#-1桩、1#-2桩和1#-3桩的桩顶位移分别为21.07 mm、20.89 mm、20.74 mm，采用刚性长短桩处治时桩顶位移分别为9.09 mm、5.16 mm、4.34 mm，与未处治时相比，两种处治措施的桩顶位移减幅分别为66.35%～66.71%、85.48%～93.03%。由此可以看出，刚性长短桩处治堆载物作用下的软弱夹层的效果要好于水泥搅拌桩。

产生上述现象的原因如下：

(1)当桩基越靠近内侧，其周围处理土体范围越大，桩周土强度越高，产生位移也较小，而外侧土周围处治土体范围较小，由于周围仍存在软弱夹层，会产生较大的侧向挤推力，从而导致位移增大。因此在进行地基处理时，应着重考虑外侧桩的位移变形。

(2)当采用水泥搅拌桩处治时，由于水泥搅拌桩属于柔性桩，强度较低，处治后对软土的约束作用小，因此整个桩身均产生较大位移，进入持力层变形相对减小；而采用刚性长短桩时，其强度高，对软土约束作用强，桩身位移量小。因此采用刚性长短桩处治堆载物作用下的软弱夹层效果更好，同时，也说明柔性桩复合地基不适合处治此类工程问题。

3.1.2 桩侧土抗力分析

两种处治措施下1#-1桩、1#-2桩和1#-3桩的桩侧土抗力对比变化如图5所示。

(a)1#-1

由图5可以看出，两种处治措施下桩侧土抗力均在岩土分界面(16 m)处出现土抗力峰值，采用水泥搅拌桩处理时最大桩侧土抗力分别为836.32 kPa、815.81 kPa、806.08 kPa，采用刚性长短桩处理时最大桩侧土抗力分别为210.20 kPa、200.08 kPa、183.20 kPa，与未处治时相比，分别减少89.04%、88.67%、81.84%，刚性长短桩比水泥搅拌桩桩侧土抗力减少了74.87%、75.47%和77.23%。

产生上述现象的原因是：

(1)由于软土层强度低，在堆载物作用下产生侧向变形，导致桩身受到了侧向挤压，而桩侧软弱土层无法提供相应的土抗力，使桩身产生较大变形，在岩土层分界面处由于桩身变形大，岩层产生的土抗力大，因此在岩土层分界面处土抗力达到峰值；进入岩层后，由于岩层对桩身约束作用强，位移小，因此土抗力减小。

(2)堆载作用相同时，由于刚性长短桩强度大，使得处治后的复合地基强度提高，能够承担上覆堆载作用，从而使作用在桩基上的侧向挤推力减小，土抗力减小；水泥搅拌桩强度较低，仅能承担部分上覆堆载作用，而作用在桩基上的侧向挤推力增大，土抗力较大。

3.2 处治区距离对临近桩基受力变形特性的影响

在两种处治措施中，不同处治区距离下1#-1桩、1#-2桩和1#-3桩的桩身纵桥向位移分别如图6、图7所示，不同处治区距离下1#-1桩、1#-2桩和1#-3桩的桩顶位移如图8所示。

(a)1#-1

(a)1#-1

(a)1#-1

由图6～8可以看出，不同处治区距离下桩身纵桥向位移沿桩身的变化规律一致，均在软土土层中时产生较大侧向位移。随处治区距离逐渐增大，桩身整体位移呈现先减小后增大的规律。当处治区距离8 m时桩身位移整体最小。在两种处治措施下，当处治区距离14 m时桩身位移最大，其次为12 m、2 m、4 m、6 m和10 m。不同之处在于，采用水泥搅拌桩处理时，不同处治区距离下桩顶位移相差很小；而采用刚性长短桩处理时，不同处治区距离下桩顶位移有明显差异。

产生上述现象的原因是：

(1)由于水泥搅拌桩强度较低，抵抗土体侧向挤推力的能力较弱，因此处治区距离变化对其处治效果影响不如刚性长短桩显著。

(2)当处治区距离较小时，由于处治区整体靠近桩基，而处治之后还有大部分软土地基未处理，在上覆堆载作用下，未处理的软土受到挤压产生侧向挤推力，由于未处理软土范围大，产生的挤推力使处治区产生整体位移作用于桩基，所以产生的位移较大；当处治区距离较大时，处治区能够承担上覆堆载作用并抵抗处治后的软土地基，而处治前的软土范围较大，在上覆堆载作用下软土的侧向挤推力直接作用于桩基从而使其产生较大位移；当处治区距离为8 m时，处治区能够在抵抗处治区上覆堆载作用及后方软土挤推力的同时，使处治区前的软土范围较小，对桩基侧向位移的影响较小。

由此可以看出，处治区距离对桩基侧向位移的处理效果有显著影响，不宜过远也不宜过近，8 m时能够取得较好的处治效果。

4 结语

本文基于现场监测和数值模拟分析，建立符合工程实际的有限元模型，对软土地区桩基础单侧大面积堆载作用采用两种处治措施的处治效果进行了综合比对，得到如下结论：

(1)当堆载物下存在软弱夹层时，软弱夹层产生较大的侧向变形挤压桩基础，且最靠近堆载物外侧的桩基处于最不利位置，设计时可适当提高边侧桩基的承载性能。

(2)在采用水泥搅拌桩和刚性长短桩两种处治措施处理上覆堆载作用下的软弱地基时，桩身位移和桩侧土抗力变化规律基本一致，但处治效果相差较大，刚性长短桩的处治效果要优于水泥搅拌桩。说明相较于柔性桩复合地基，刚性桩复合地基可以有效减小软土地区桩基单侧大面积堆载作用下的侧向位移，而柔性桩复合地基不适用于解决此类工程问题。

(3)不同处治措施下，处治区距离不同时的处理效果有一定差异。处理距离不宜离桩基过远，也不宜过近，当处治区距离为8 m时处理效果最佳。