深厚軟土真空預壓邊界效應對鄰近管廊樁的影響

孫逸瑋

（上海港灣基礎建設（集團）股份有限公司，上海 200434）

0 引 言

隨著城市化發展的不斷推進，建筑用地資源日益緊張，越來越多的建筑擬建于軟土地基上，其中不乏大量的深厚軟土地基。軟土地基具有含水量高、孔隙比大、壓縮系數高、滲透性小、抗剪強度低、極限承載力低、天然地基變形量大等特點[1-2]。真空預壓法無需堆載材料，無需分級加載，施工安全、工期短、造價低、能耗少、加固效果好、綠色環保，特別適合處理軟土地基[3]。然而，深厚軟土地基由于軟弱層厚度較大，地基處理過程中，隨著時間推移，加固區內外的土體不可避免地會出現一定程度的位移，進而誘發鄰近樁基變形，使樁身負摩阻力增大，嚴重時可能引發樁-土體系脫離失效，影響上部結構的正常使用。

目前圍繞真空預壓技術的研究主要包括：固結解析解[4-7]、負壓分布模式[8-9]、真空預壓聯合其他方法的加固機理[10-11]、真空預壓加固土體的變形機制[12-13]等?？梢钥闯?，現階段學者們主要針對真空預壓法自身的加固機理及場區內的土體固結變形開展研究，而對于真空預壓邊界效應對鄰近構筑物的影響性分析還相對較少。李海玲等[14]采用數值分析法和現場測試法對真空預壓的水平影響范圍及鋼板樁防護效果開展研究，結果表明：越靠近真空預壓加固邊界，土體水平位移越大；真空預壓水平位移影響范圍與加固深度呈非線性正相關。李建雙等[15]采用FLAC 3D有限差分法對不同排水板打設深度、布設方式和荷載加載方式開展了數值模擬研究，結果表明：采用長短排水板相結合的方案或在降低真空荷載的同時增加堆載預壓荷載，可有效減弱真空預壓的邊界效應。王健等[16]基于塑性硬化土本構模型研究了深厚軟土地基真空預壓在不同階段時鄰近素混凝土樁的受力情況，同時建立對策模型對3種不同形式支護的隔離效果進行對比分析。研究結果表明：深厚軟土地基中需要采用剛度更高的支護形式才能起到較好的保護效果。目前關于真空預壓邊界區的土體位移特性、真空預壓邊界效應對鄰近樁基的影響及如何設置有效的隔離支護尚未形成完善的理論體系?！督ㄖ鼗幚砑夹g規范》（JGJ 79—2012）[17]第5.1.8條規定：真空預壓地基加固區邊線與相鄰建筑物、地下管線等的距離不宜小于20 m，當距離較近時，應對相鄰建筑物、地下管線等采取保護措施。但未針對邊界效應的影響范圍、隔離保護措施、最大允許位移限值等做出具體規定。

鑒于此，本文依托浙江省樂清市南岳鎮灣港區某地基處理工程，基于PLAXIS 3D有限元法分析了真空預壓邊界區的土體位移特性、真空預壓邊界效應對鄰近管廊樁基的影響及水泥攪拌樁對既有樁基的保護效果。研究總結了真空預壓邊界效應對周圍環境影響的規律，并根據計算結果提出了優化的樁基保護措施。

1 工程概況

1.1 項目地質條件

擬建場地原為海涂，經過水力吹填淤泥的方式形成陸域，吹填前平均標高為?1.38 m，現狀平均標高為4.35 m，新吹填土的平均厚度為5.73 m。吹填后進行了淺層的無砂真空預壓處理，處理深度至原天然泥面。經過淺層處理后，吹填與原狀的淤泥質土性質基本相當。根據勘察報告，場地現狀的主要軟土層自上而下包括：②1-1淤泥質土、②1-2淤泥、②2淤泥、③1淤泥質黏土，其中②1-1淤泥質土包括原狀土和新吹填土兩部分。至②2層底埋深約30 m，至③1層底埋深達40 m。軟土層下方為④2粉質黏土。本場地地下水位較高，地基土基本在地下水位之下，呈飽和狀態。

1.2 地基處理方案

本項目場地為深厚軟土地基，排水固結法是處理深厚軟土地基最有效的方法之一，其原理是利用排水系統將孔隙水排出，孔隙體積減小，地基發生固結變形，隨著時間推移，超靜孔隙水壓力逐漸消散，從而提高土的有效應力。根據軟土分層信息，排水板的最佳插設深度應為30 m。由于處理深度深，排水板打設距離長，國內常規設備難以滿足施工要求，需要特定插板機，造價相對較高?？紤]到場地后期將進行樁基基礎施工，且本階段對于工后沉降的要求相對較低，故排水板深度設置為20 m，排水板間距0.8 m，膜下真空壓力為?80 kPa，真空預壓設計時間為120 d。

1.3 管廊樁與真空預壓區的位置關系

場地南側邊線外存在一排緊貼圍墻的管廊架，管廊架每隔25 m布置一個承臺基礎，承臺下方設有兩根對稱的管廊樁，樁長為58 m，樁截面為方形，尺寸為500 mm×500 mm，樁端位于④2粉質黏土層。真空預壓區邊界距離既有管廊樁承臺為25 m，管廊樁與真空預壓區的位置關系如圖1所示。

圖1 管廊樁與真空預壓區的位置關系Fig.1 Relationship between pipe gallery pile and vacuum preloading area

2 數值計算模型

基于PLAXIS 3D，根據場地實際尺寸建立三維有限元數值模型如圖2所示。

圖2 三維有限元數值模型Fig.2 Three-dimensional finite element model

2.1 土體與材料參數

地基土采用Mohr-Coulomb彈塑性本構關系，土體物理力學參數如表1所示。排水板采用線排水單元模擬，真空壓力為?80 kPa。管廊樁采用Embedded 樁單元模擬，取樁身彈性模量為30 GPa。管廊樁隔離保護方案采用三軸水泥攪拌樁，直徑650 mm，搭接200 mm，按格構式布置，整體寬度1 550 mm，隔離樁彈性模量取80 MPa。無承臺處水泥攪拌樁按深度15 m設置，并在靠近管廊側插設長度L=10 m、直徑Φ=40 mm、壁厚d=2 mm的鋼管，鋼管彈性模量取210 GPa。樁承臺前水泥攪拌樁按深度22 m設置，在靠近承臺側連續插設3根尺寸為300 mm×300 mm、長度為18 m的預制方樁。方樁采用C30混凝土。

表1 土體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

2.2 施工階段模擬

有限元模擬通過分階段激活相應的結構單元與添加荷載方式實現，分別對無隔離樁和設置隔離樁的工況進行流固耦合數值分析。真空荷載通過將排水板行為設置為真空并施加負壓實現。

未設置隔離樁的模擬步驟為：（1）初始應力場平衡；（2）管廊樁施工；（3）排水板施工；（4）真空預壓加固。設置隔離樁后的模擬步驟為：（1）初始應力場平衡；（2）管廊樁施工；（3）水泥攪拌樁、鋼管、預制方樁施工；（4）排水板施工；（5）真空預壓加固。

3 計算結果分析

3.1 工后土體位移場

未設置隔離樁時真空預壓120 d后的土體水平位移云圖如圖3所示，土體豎向位移云圖如圖4所示。土體位移以與坐標軸同向為正，反向為負。由圖3可見，土體水平位移最大值出現在地表真空預壓邊界附近，土體最大水平位移為?368.5 mm。由圖4可見，土體豎向位移最大值出現在真空預壓區內x=0處，最大沉降為?641.6 mm。由于x=0處接近真空預壓區邊緣，故計算得到最大土體豎向位移相比場地中心處偏小。土體豎向位移從真空預壓區內向外呈現出逐步減小的趨勢。土體水平位移相比土體豎向位移的影響范圍更大，需要引起更多關注。

圖3 工后土體水平位移云圖Fig.3 Nephogram of soil horizontal displacement after vacuum preloading

圖4 工后土體豎向位移云圖Fig.4 Nephogram of soil vertical displacement after vacuum preloading

3.2 孔隙水壓力分布

未設置隔離樁時真空預壓120 d后的孔隙水壓力分布如圖5所示。

圖5 工后孔隙水壓力分布圖Fig.5 Pore water pressure distribution after vacuum preloading

從圖5可以看出，真空預壓過程中，場地內的孔隙水壓力逐漸降低，場地外地下水向場地內滲流。在滲流力作用下，土體水平位移進一步增加。

3.3 管廊樁位移與受力特性

對未設置隔離樁和設置隔離樁的管廊樁位移進行對比分析，以管廊樁的前排樁為例，計算得到隔離樁設置前后的管廊樁水平位移對比如圖6所示。隔離樁設置前后的管廊樁豎向位移對比如圖7所示。根據計算結果可以發現：樁身水平位移最大值出現在管廊樁頂，無隔離樁時的樁身最大水平位移為139.04 mm，設置隔離樁后樁身最大水平位移減小至127.31 mm，減小了8.44%。樁身豎向位移最大值同樣出現在樁頂位置，無隔離樁時的樁身最大豎向位移為13.15 mm，設置隔離樁后最大豎向位移減小至11.89 mm，減小了9.58%。

圖6 管廊樁水平位移對比Fig.6 Comparison of horizontal displacement of pipe gallery pile

圖7 管廊樁豎向位移對比Fig.7 Comparison of vertical displacement of pipe gallery pile

以管廊前排樁為例，隔離樁設置前后的樁身軸力對比如圖8所示，樁身彎矩對比如圖9所示。由于有限元分析需要消耗大量的計算機內存和時間，特別是流固耦合工況。為了使模型能夠正確運行，模型單元的劃分很難進一步細化，因此樁身軸力和彎矩圖在曲線光滑度上欠佳。但從圖8可以看出：設置隔離樁后，樁身上部軸力明顯減小，表明樁身因周圍土體沉降而產生的負摩阻力明顯減少。從圖9可以看出：設置隔離樁后，樁身彎矩整體減小。由于既有管廊樁是采用承臺方式將樁基連接，因此樁身下部呈現出右側受拉的趨勢，樁身上部呈現出左側受拉的反彎趨勢。

圖8 管廊樁樁身軸力對比Fig.8 Comparison of axial force of pipe gallery pile

圖9 管廊樁樁身彎矩對比Fig.9 Comparison of bending moment of pipe gallery pile

3.4 樁基保護方案優化

從3.3節的分析中可以得出：采用水泥攪拌樁作為隔離樁并在受拉側插設方樁或鋼管可以起到保護既有樁基的作用。然而，由于本項目場地為深厚軟土地基，水泥攪拌樁很難進入持力層，其抗彎能力不能充分發揮。因此，深厚軟土地基中采用水泥攪拌樁作為隔離樁對既有樁基的保護效果較為有限。

既有管廊樁屬于被動樁，被動樁的位移和受力主要受樁周土的影響。通常被動樁的位移和內力可按兩階段法分析。第一階段忽略樁基的存在，計算相應位置處的土體位移，第二階段引入彈性地基梁理論，將土體位移轉化為樁基位移。因此，對第一階段真空預壓邊界處的土體位移進行有效控制是保護管廊樁基最有效的方法。

結合上述分析，提出適用于降低深厚軟土真空預壓邊界效應的優化保護方案如表2所示。

表2 優化保護方案Table 2 Optimized protection scheme

基于設置隔離樁后的三維有限元模型，分別計算上述4種方案下地表土體沿x方向的水平和豎向位移，并與未設置隔離樁的結果進行對比。不同方案下地表土體水平位移對比結果如圖10所示，地表土體豎向位移對比結果如圖11所示。

圖10 地表土體水平位移對比Fig.10 Comparison of surface soil horizontal displacement

圖11 地表土體豎向位移對比Fig.11 Comparison of surface soil vertical displacement

從圖10的土體水平位移對比可以看出：真空荷載的減小疊加地面堆載的增大可有效降低真空預壓邊界處的土體水平位移。在水泥攪拌樁的隔離作用下，隔離樁后的土體水平位移進一步減小。這是由于真空荷載對土體的作用是向內的收縮變形，而地面堆載對土體的作用是向外的擠出變形，兩者相互疊加可降低邊界處的土體水平位移。值得注意的是：真空荷載與地面堆載并非是等值均分時位移控制效果最好。原因在于真空預壓引起的土體位移主要與土體孔隙比、滲透系數、土體模量等指標相關，而地面堆載引起的土體位移與土體模量大小的密切性更高。如圖11所示，當地面堆載為40 kPa時，向外擠出變形的影響范圍較大。需要指出：在真空預壓區域內，不同荷載組合下場地內地表土體的最大沉降量存在差異，這是由于真空荷載與地面堆載對土體的加固方式存在差異，真空荷載是施加在排水板上，而地表堆載僅作用于地表處。兩者沿深度的分布形式不同，針對本場地土體性質，此時地面堆載對地表沉降量的貢獻較大。根據土體水平位移和豎向位移的綜合對比結果，本項目真空預壓區靠近邊界處采用50 kPa真空荷載+30 kPa地面堆載可有效減弱真空預壓的邊界效應。施工過程中可進行分區加載，提前在不同區域內進行鋪膜等預處理，在真空預壓邊界處改用小泵抽負壓。當場地及施工條件不允許時，可在邊界處原有真空荷載基礎上進行局部堆載，既可以彌補邊界處排水板負壓作用衰減的不足，又可以產生一定的擠出變形，控制樁周土體位移。

4 結 論

本文依托工程實例，基于PLAXIS 3D有限元軟件建立三維數值模型，研究了真空預壓邊界處的土體位移特性、邊界效應對管廊樁的影響、隔離樁的保護效果及優化保護方案，得出以下主要結論：

（1）土體水平位移最大值出現在地表真空預壓邊界附近。相比土體豎向位移，邊界效應引起的土體水平位移影響范圍更大，是誘發鄰近樁基彎曲的主要原因。

（2）深厚軟土地基中，很難使水泥攪拌樁的樁端進入持力層，因此無法充分發揮隔離樁的水平抗彎作用，對既有管廊樁的保護作用較為有限。優化荷載組合可顯著減小邊界處的土體水平位移。

（3）真空荷載造成邊界外土體向內部收縮，而地面堆載使邊界處土體產生向外的擠出變形。兩者相互疊加可顯著減弱真空預壓的邊界效應，起到保護既有樁基的作用。當場地內不易進行分區加載時，可考慮在邊界處進行局部堆載。