考虑硬壳层作用的软土地基加固方式分析

刘 杰，沈 洋，杜元林，章方彬，贾浩天，单卓成

(1.永嘉瓯北东片开发建设指挥部，浙江 温州 325200；2.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092； 3.中交一公局集团有限公司，北京 100024；4.瑞安市交通工程建设中心，浙江 温州 325200； 5.温州理工学院，浙江 温州 325035)

1 概述

硬壳层具有壳体效应、封闭作用、反压保护作用以及沉降滞后作用，能有效增强地基的整体性和稳定性，对实际工程安全建设有着至关重要的作用。如果我们能够在实际工程中充分发挥硬壳层的壳体效应与应力扩散作用，就能有效减少由不平衡堆载产生的侧向力所造成的桩基被动位移，从而防止桩基出现整体剪切破坏以解决桩基侧向抗力问题。我国沿海地区普遍存在淤泥条件下的市政道路岸坡区桩基侧向抗力问题，很多工程因为对软土地基的处理不当，建筑自身受到了极大的损害，影响其正常工作运行，导致人民生命财产损失。

高架桥梁结构的基础沉降一直是岩土工程领域的研究热点问题，特别是针对深厚软土地质条件[1-2]。目前，已有一些学者通过现场实测、模型试验等手段对桥墩基础沉降进行了研究；张智[3]通过现场的监测得出桩基沉降变化规律，均为先慢后快，变形逐步趋于稳定；梁战场等[4]在研究中发现根据规范计算的结果与实测值相差较大，由此利用Mindlin方法优化相关参数选取使计算结果能够更精准地反映实测值；Fellenius等[5-6]对挪威、瑞典、日本、韩国、加拿大等国家的多处软土桩基进行长期变形与内力监测，研究表明桩身荷载与压缩量有较明显的时间效应；戴荣良等对软土地区上部结构形式对桩基长期沉降影响进行了总结[7-9]；冷伍明等对京沪高铁、杭甬客专等铁路桥梁群桩基础的长期沉降数据进行了大量采集、分析、拟合和预测[10-15]；除了软土地区桩基沉降的问题，近几年对桩基的水平抗滑能力的研究也逐渐成为研究的重点；葛志平等[16]通过工程依托和软件模拟提出了在该地区以高压旋喷桩的方式来减少由于堆载对桥梁桩基的变形影响；Muszyński等[17]进行了水平桩基荷载试验研究;除了采取相应的加固措施，我们还可以发挥硬壳层的作用来缓解软土地区的基础沉降和侧向水平位移的问题；将工程渣土处理后形成类似“硬壳层”力学性质的“结构层”也可以达到人工硬壳层的效果。

本文将依托永嘉阳光大道二期工程展开现场试验，利用FLAC 3D软件建立不同的模型；通过车辆荷载、软土厚度以及堆载的变化分析硬壳层的作用；在不同加固方式下对高压旋喷桩和竹节桩的作用做出评估，给现场施工提供安全性、科学性、经济性等方面的参考。

2 工程背景与有限差分模型建立

2.1 工程背景

依托工程温州市永嘉县阳光大道二期处于沿海深厚软土地区，在尚未进场施工时路基便发生整段土体滑动现象，形成一个大的坍塌断面并造成周边道路大面积隆起(见图1)。道路采用浇筑混凝土进行抢修改道，塌方周边采用松木桩进行防护(见图2)。但由于后续另一项目施工过程中将废弃的土方堆积在该路段的西侧，再次导致了路面隆起、滑动的现象(见图3)。从深层土体水平位移的监测和低应变检测中发现，靠近堆载区域的两根桩基位移变化非常明显，桩顶位移分别达到了18.9 cm和5 cm，且均在桩顶约6.5 m处发生了断桩。在道路修复时，先开挖表面素填土，后嵌入若干竹节桩，最后再使用碎石以及细骨料等进行回填形成硬壳层。本文将利用FLAC 3D软件对硬壳层和竹节桩的作用进行模拟分析，并希望以此给现场施工提供理论依据。

2.2 有限差分模型建立

FLAC 3D网格中的每个区域可以设定不同的材料模型，并且还允许指定材料参数的统计分布和变化梯度。包含的界面单元，能够模拟两种或多种材料界面不同材料性质的间断特性，允许发生滑动或分离，因此可以用来模拟岩体中的断层、节理或摩擦边界。FLAC 3D中的网格生成器gen，通过匹配、连接由网格生成器生成局部网格，能够方便地生成所需要的三维结构和交叉结构网格，提供灵活的三维空间参数。本文中的数值模型共184 890个节点，257 560个单元，长90 m，宽25 m，坡顶高25 m，初始模型如图4所示。选取自由场边界作为4个侧面动力分析边界，从而减少车辆波动边界反射。动力分析时动荷载从上部输入，底部采用静态边界条件。自由场边界模型包括4个平面网格和4个柱体网格，平面网格在模型边界上与主体网格是一一对应的，柱体网格相当于平面自由场网格的自由场边界。其中，平面自由场网格是二维计算，假设在面的法向无限延伸；柱体自由场网格是一维计算，假设在柱体两端无限延伸。

2.3 土体参数

勘探深度以内可分为10个工程地质亚层：①0素填土，回填时间大于5 a，其成分较杂，均匀性较差，力学强度一般，不建议作为持力层；①1黏土，软～可塑状，高压缩性，工程性能一般，力学强度一般，土质较均匀；②1淤泥夹粉砂，流塑状，高压缩性，工程性能差，力学强度差，土质较均匀；②1′粉砂夹淤泥，稍密状，中等压缩性，力学强度一般，工程性能一般，土质均匀性较差；②2淤泥，流塑状，高压缩性，工程性能差，力学强度差，土质较均匀；④2黏土，软～可塑状，中等偏高缩性，工程性能较差，力学强度较差，土质较均匀；含⑨黏性土碎石，稍～中密状，中等压缩性，工程性能较好，力学强度较好，土质均匀性较差；⑩1全风化凝灰岩，可塑状，中等压缩性，工程性能一般，力学强度一般；⑩2强风化凝灰岩、⑩3中风化凝灰岩，基本不可压缩，力学性质与工程性能好，具体土层参数见表1。

表1 岩土体计算参数表

3 FLAC 3D有限差分结果分析

3.1 硬壳层作用分析

本文采用两种情况进行硬壳层作用的分析：第一种情况是将车辆荷载等效为2 m堆载作用，分析对比有无硬壳层的桩头位移情况，由图5(a)可以看到在2 m堆载作用下，不考虑硬壳层的情况下，桩头水平位移为0.028 214 m，竖向位移为0.276 870 m；考虑硬壳层的情况下，桩头水平位移为0.007 208 m，竖向位移为0.028 214 m。在硬壳层的作用下桩头水平位移减少了88%，桩头竖向位移减少了89%。这充分说明硬壳层的存在对沉降和土体水平位移影响较大。第二种情况是考虑计算成桥后，桥下地面单侧跑车工况下，对桩基侧向位移的影响，模型取4种土层情况进行计算，淤泥平均厚度分别为10 m,17 m,24 m和30 m三种断面分别进行计算。通过分析地基处理前的原状土、设置8 m深度高压旋喷桩的有硬壳层的土层以及设置15 m深度高压旋喷桩的有硬壳层的土层的桩土位移分析，得到结果如图5(b)～图5(e)所示。从结果对比中可以看出处理后的土层中的桩土位移均得到了改善，设置8 m高压旋喷桩与地基处理前的桩土位移相比，土体水平位移减少30%，土体竖向位移减少25%；桩头水平位移减少10%，桩头竖向位移减少8%。由此可见设置旋喷桩的改善效果有限。通过对比设置8 m旋喷桩和15 m旋喷桩的效果，15 m旋喷桩的设置减少了21%的土体水平位移，减少了17%的土体竖向位移；桩头水平位移减少11%，桩头竖向位移减少12%。采取加长方式的旋喷桩也不能起到显著的加固效果。这与赵伟强[18]的研究结果相互印证，在满足承载力要求的情况下，改变硬壳层的几何尺寸和采取额外加固方案的效果有限。由此可知交通荷载(或堆载)引起的对工程桩的水平位移和竖向位移均较小，在本身就有硬壳层的情况下高压旋喷桩的作用有限，可以适当优化加固措施。

3.2 加固措施效果分析

通过FLAC 3D软件，确定有限差分网格、本构特性与材料性质、边界条件与初始条件的工作，可以获得模型的初始平衡状态，也就是模拟开挖前的原岩应力状态。然后，进行工程开挖或改变边界条件来进行工程的响应分析，模拟计算边坡在堆载高度分别为1 m,3 m,5 m时不同加固方式的土体位移情况，得到数据如表2～表4所示，并通过分析在车辆荷载作用下高压旋喷处理后有硬壳层的场地与处理前无硬壳层的场地的桩土位移，验证得到高压旋喷桩的加固方式能够起到一定的效果，不同工况下车辆荷载对土体位移的影响见表5。

表2 堆载高度1 m条件下各工况的土体位移

表3 堆载高度3 m条件下各工况的土体位移

表4 堆载高度5 m条件下各工况的土体位移

表5 不同工况下车辆荷载对土体位移的影响

通过表2～表4可以看出未嵌入底部岩体的竹节桩加固方式，在3 m堆载条件下对土体的加固效果比较有限。而嵌固的竹节桩的加固效果相较于非嵌固的竹节桩能减少58%的桩顶位移。以最大高度堆载为例进行分析，尽管设置高压旋喷桩与嵌入岩体的竹节桩的加固方式产生的最大土体水平位移分别增加了12.7%和26%，但是在整体上有效减少了堆载的影响范围(见图6～图8)。这是由于邓会元等[19]在文章中提到的遮拦效应导致的。选择高压旋喷桩加固时，5 m堆载下加固桩的桩头位移为0.338 163 m，而设置嵌固的竹节桩的加固桩桩头位移仅为它的7.5%，嵌固的竹节桩加固效果明显优于高压旋喷桩。

4 结论

1)模拟分析表明硬壳层的存在能有效减少土体的位移，在将车辆荷载等效为2 m堆载作用时，硬壳层的存在减少了至少80%的土体位移。

2)由于降雨入渗的影响，导致硬壳层基质吸力的降低，从而导致土体的抗剪强度降低，加之不平衡堆载的影响造成了土体整体剪切破坏。因此为了防止土体进一步破坏的发生，该工程区域应严禁土方堆载并实时对现场降水气候进行记录。

3)地基处理前后的结果中得到高压旋喷桩在减少桩土水平位移的作用有限，设置高压旋喷桩只能减少约25%的土体位移和10%左右的桩头位移，因此现场施工不仅要采取更有效的加固方式，而且需要充分发挥硬壳层的作用以达到工程安全建设的目的。

4)在加固方式的选择中，非嵌固的竹节桩不能起到有效的加固效果，而嵌固的竹节桩的加固效果相较于非嵌固的竹节桩能减少58%的桩顶位移，这是因为当土体滑动，嵌固的竹节桩可以将部分滑移力量通过桩体传递到嵌固层，与地表的硬壳层产生整体效应，减小滑动体作用影响。因此在后续的施工中，应加长竹节桩的长度并尽量嵌入岩体1 m。

5)选择高压旋喷桩加固时，5 m堆载下加固桩的桩头位移为0.338 163 m，而设置嵌固的竹节桩的加固桩桩头位移仅为它的7.5%，嵌固的竹节桩加固效果明显优于高压旋喷桩。因此对于现场施工加固设计建议以嵌固形式的竹节桩取代高压旋喷桩。

6)由于桩基的遮拦效应会增大堆载附近的土体位移，但加固措施在整体上有效减少了堆载的影响范围。