基于桥台后深厚软土地基的处理分析研究
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【摘要】本文主要分析研究了刚性桩在不同桩长条件下，对桥台后深厚软土地基处理的处置效果，探讨了刚性桩数值分析方法，对深厚软土地区桥台后的软土地基设计施工提供了有益的指导。
【关键词】软土地基； 有限元； 沉降； 桥台
前言
在道路交通工程中, 深厚软土地基的存在, 对工程建设将造成很大影响, 特别是桥台后会出现严重的跳车现象, 严重影响了行车舒适与安全。公路穿越软土地区是经常发生的事情。因为设计工作中的细小疏溜，往往会给建筑物的正常使用留下隐患，旦发生问题再进行处理，便直接造成经济损失和社会形象的负面影响桥台后存在大范围深厚软土的情况下, 桥梁接坡段道路会产生较大的工后沉降, 与桥台结构产生明显的沉降差异, 是产生“桥头跳车” 的主要原因。因此, 降低桥台后道路的工后沉降, 尽量控制道路与桥台结构的沉降差异, 可以有效降低“桥头跳车”现象的出现。刚性桩桩身刚度大, 可以全桩长发挥桩的侧摩阻力, 将荷载传递给较深土层。在深厚软土地基处理实际使用中, 具有适用性强、处理深度深、沉降量小、施工工期短、质量易控制等优点, 逐步得到了广泛的应用。目前在深厚软土地基处理中, 常用的刚性桩主要有预应力管桩、素混凝土灌注桩、CFG 桩、塑料套管桩等。本文根据软土地基的特点, 结合工程中地基处理的实践经验, 对刚性桩在桥台后深厚软土地基处理中的应用进行重点的研究和论证。以供同行参考借鉴。
1 数值模型
为了评估不同桩长下, 刚性桩在软土地基中的加固效果, 本文选用岩土有限元软件进行数值模拟计算, 在模拟计算中选择某典型地层分布情况进行计算, 研究桩长在穿透软土层与未穿透软土层时的变形差异。根据软土层的分布特征, 分别选取桩长为: 16 m, 20 m, 24 m, 28 m; 桩间距统一采用 2.0 m, 桩径 0.4 m; 在桩顶设置混凝土桩帽及 0. 50 m 碎石褥垫层, 并且在地基表面施加 20 kPa 的均布荷载来模拟路材料和车辆荷载。
采用的计算模型,模拟道路红线 68 m, 填土高度 3. 0 m,边坡坡率 1：1. 5。边界条件为: 地基底面固定约束, 地基外侧水平向约束; 路堤和地基土体均采用 Mohr Coulomb 弹塑性本构模型,垫层为散体材料。在结构单元方面, 选取锚杆单元来模拟刚性桩, 模型采用了 PLAXIS 程序的基本单元三角形网格单元, 对应的有限元网格划分。
模拟段的地基土层自上而下大体分为 4 层, 各层土体参数如表 1所示。
进行分析时, 本模型符合以下假定: 1) 填土分期填筑, 假设均为瞬时加载; 2)地基与桥台结构部结合面处治较好, 接触状态为完全连续, 不发生相对滑移和脱离; 3) 地基和地基加固区内土体认为是均质各向同性弹塑性体; 4)地基和路堤中的初始应力场由地基土的自重形成, 初始位移为零; 5) 原地基在先期已经完成固结, 计算时进行位移清零, 桩基施工后施加路面荷载。
2 结果分析
2.1 桩长对路基综合变形的影响。分别选取桩长未穿透软土层的 L = 16 m 和穿透软土层 L= 24 m 两种情况进行计算分析。得出: 随着桩长的增加, 地表的综合变形逐渐减小; 当桩长未穿透软土层时, 最大变形发生在路基表面; 当桩长穿透软土层后, 路基表面变形大幅减小, 变形逐步传递到地基深处软土层内部。同时, 通过增加桩长, 路堤坡脚处的变形得到很好的控制。
2.2 桩长对路基沉降的影响。在地基条件和路面荷载相同的情况下, 一定范围内, 桩长越长, 刚性桩越能发挥桩侧摩阻力, 减小沉降。不同桩长下的路基沉降变化曲线, 可以看出通过不同桩长的加固, 路基沉降得到显著的控制。桩长 16 m 时, 桩身未穿透软土层, 最大沉降为 246 mm; 桩长 20 m 时, 沉降得到了一定控制, 最大沉降减小为 168 mm; 当桩长达到 24 m 时, 桩长穿透软土层, 土体沉降得到显著的控制, 最大沉降急剧减小至 82 mm; 穿透软土层后继续增加桩长, 沉降减小趋势减缓, 当桩长为 28 m 时, 最大沉降减小至 79 mm, 相对 24 m桩长时的 82 mm, 仅减小了 3. 6%。通过对比不同桩长下的计算结果, 可以看出: 在桩身未穿透软土层时, 随着桩长的增加, 桩侧摩阻力发挥作用, 土体的沉降逐渐减小; 在桩身穿透软土层后, 土体沉降急剧减小; 但随着桩长继续增加, 土体的沉降变化逐渐趋于稳定。
2.3 桩长对路基侧向位移的影响。不同桩长下的地基侧向位移变化曲线, 可以看出通过不同桩长的加固, 地基侧向位移得到显著的控制。16 m 桩长时, 最大侧向位移出现在桩底附近, 土体发生较大的侧向变形, 最大侧向位移为 132 mm; 24 m 桩长时, 桩身穿透了软土层, 最大侧向位移仅为 75 mm, 侧向位移明显降低。从计算结果分析, 对于刚性桩, 特别是在穿透软土层的情况下, 能很好的控制路基的侧向变形。
3 总结
3.1 通过对比刚性桩打穿与未打穿软土层的计算结果, 在间距一定的情况下, 桩身未打穿软土层时, 土体存在较大的沉降; 随着桩长的增加, 侧摩阻力作用发挥明显, 沉降逐步减小; 当桩身打穿软土层时, 沉降大幅减小; 在打穿软土层后, 桩长继续增加对沉降影响明显减小。
3.2 随着桩长的增加, 土体的侧向位移逐渐减小;当桩身穿透软土层后, 土体的侧向位移显著减小; 再增加桩长, 侧向位移变化趋势基本稳定。在设计施工时, 为了发挥刚性桩的性能, 近桥台处, 为了控制道路与桥台间的差异沉降, 桩长应按打穿软土层设计, 进入相对持力层 1. 0 m 左右, 比较合理; 而在桥台后地基处理路段末端, 应按不打穿软土层设计, 选择较短桩长进行过渡, 使得桥台后处理区域和未处理路段平稳过渡, 避免出现沉降突变。
4 桥台软基处理的方法
在讨论方法的选用原则及处理前后注意的事项之前，首先讨论恰当的地基处理方法设计顺序。 首先根据建筑物对地基的各种要求和地基条件确定需要进行人工处理的天然地层地范围以及地基处理要求。其次，根据天然地层的条件、地基处理的具体要求、地基处理方法的原理、过去应用的经验和机具设备、材料条件，进行地基处理方案可行性研究，提出多种可行方案。最后，对提出的各种方案进行技术、经济、进度等方面的比较分析，考虑环保要求，确定采用一种或几种地基处理方法。初步确定地基处理方法。初步确定地基处理方案后，可视需要进行小型现场试验或进行补充调查，然后进行施工设计。实践表明这是比较恰当的地基处理方法设计顺序。软基处理是提高地基承载力和防止桥台侧向移动的主要措施，目前公路桥梁中常用和行之有效的方法有：
4.1 排水固结法。排水固结法的原理的软土地基在荷载作用下，土中孔隙水慢慢排出，空隙比减小，地基发生固结变形，同时随着超静水压力逐渐消散，土的有效应力增大，地基土的强度逐步增长。 排水固结法常用于解决软粘土地基的沉降和稳定问题，可使地基的沉衔在加载预压期间基本完成或大部分完成，使建筑物在使用期间不致产生过大的沉降和沉降差。同时可增加地基土的抗剪强度，从而提高地基的承载力的稳定性。
4.2 振密、挤密法。振密、挤密法的原理是采用一定的手段，通过振动，挤压使地基土体孔隙减小，强度提高，达到地基处理的目的。
4.3 置换及拌入法。以砂碎石等材料置换软弱土体，形成复合地基，或在软弱地基中部分土体内掺入水泥、水泥砂浆，以及石灰等物，形成固体，与未加固部分形成复合地基，达到提高地基承载力，减小压缩量的目的。
4.4 加筋法。通过在土层中埋设强度较大的土工聚合物、拉筋、受力构件等达到提高地在承载力，减小沉降，或维持建筑物稳定的地基处理方法称为加筋法。
参考文献:
[1]王亦麟. 软土地基桥头跳车处理探讨 [ J] . 公路交通科技 ,2000( 1) : 23 25.
[2]尹文谦. 浅议桥头跳车的预防及治理 [ J] . 山西建筑, 2008,34( 28) : 325 326.
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