软土地基下刚柔桩施工数值模拟分析研究

（中铁十六局集团第五工程有限公司，河北 唐山 063000）

随着我国沿海城市经济的快速发展，滩涂作为沿海地区重要的土地后备资源，为沿海地区的发展提供广阔的土地资源和空间，越来越多的公路、桥梁修建在沿海滩涂中。沿海滩涂涨潮淹没，落潮露出，其软土地基工程特性表现为显著的“三高二低”：高含水率，高孔隙比，高压缩性，低渗透性，低强度。如何快速有效的处理滩涂深厚软土路基成为当下公路施工的一大难题[1]，在深厚软土地基上建设公路桥，“桥头跳车”现象时有发生。产生“桥头跳车”的主要原因是桥头和路基过渡段的地基处理方式不一致，在深厚软土地基处理过程中，桥头一般采用刚性桩的复合地基，路基一般采用排水固结方式进行处理，其本质原因是刚性差引起路基的差异沉降[2～7]，如何防止差异沉降对桥头与路基的过渡段地基处理研究具有十分重要的意义。

1 工程概况

新建国省干线（联七线）公路霞浦东冲至火车站段工程A3 标段为福建省普通国省干线公路网布局规划“八纵十一横十五联”中的“联七线”的重要组成段落，是霞浦县南部乡镇对外交流的主通道。本项目软土路段占整个路基投资的46%，主要分布于冲海积滩涂路段和局部山间阶地地段。路段冲海积海岸海滩地貌，地表多为滩涂及养殖区，受潮水涨落潮影响极大。

1.1 工程地质特性

本工程所处的浅海滩涂具有高含水率、高孔隙比、高压缩性、低渗透以及低抗剪强度等“三高二低”不利工程特性，孔隙率，含水量和塑性指数的范围分别约为0.6～1.7，32%～70%和15.1～50.2。矿物以伊-蒙混层和伊利石为主，滩涂区深厚软土的不排水抗剪强度低，约为10～35kPa。同时，该滩涂区土体具有非线性应力-应变关系的流变特性，其蠕变试验曲线呈衰减型，蠕变变形大部分应变量发生在蠕变前期，变形随时间增长趋于一个定值。静载作用下，围压越大初始蠕变速率越大，循环动荷载作用下，应变在动荷载阶段变化缓慢，而动荷载结束后进入稳定阶段后应变发生突变，急剧变大最后趋于稳定。

1.2 水文地质概况

1）地表水 本项目地区的地表水主要为浅海滩涂处的潮汐水，及丘陵区山间溪沟水。山区路段溪谷上游多呈“V”型，下游多呈“U”型，溪沟水流量主要受天然降水量控制，雨季水位暴涨，应注意洪水对工程的影响。

2）地下水 第四系孔隙水主要分布于海岸滩涂，含水层主要为第四系冲海积砂及砂砾卵石层，富水性较好，水量中等-丰富。主要接受大气降水入渗补给及周围孔隙裂隙水的侧向补给，水位埋深较深。

3）水质的腐蚀性 根据沿线采样分析，根据《公路工程地质勘查规范》（JTG C20-2011）附录K 判定：海岸海滩区场地地表水对混凝土结构具有强腐蚀性，长期浸水状态下的混凝土结构中的钢筋具有弱腐蚀性，在干湿交替状态下具有强腐蚀性；地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋具有长期浸水具有微腐蚀性，干湿交替状态下具有中等腐蚀性。

2 刚柔桩施工数值模拟分析研究

为解决滩涂区深厚软土地基下桥头和路基过渡段的地基的差异沉降，造成“桥头跳车”现象，减少填土在长期荷载作用下的变形和软土因附加压力过大引起整个路基失稳，保证桩与桩间土协调变形，本文通过FLAC3D、PLAXIC 数值模拟软件，以新建国省干线（联七线）公路霞浦东冲至火车站段工程A3 标段为工程背景，对刚柔桩组合型复合地基处理效果进行分析。

2.1 方案概述

组合型复合地基处理是地基处理中一种新型的方法，它突破了由单一材料、单一桩型的加强体与基体构成复合地基的传统思路，是由多种材料或多种型式的加强体相互配合，各施所长，实现和优化复合地基功能[8～10]。本工程中，预应力管桩作为刚性桩，可以直接作为受力体为地基提供承载力；砂桩为柔性桩，通过置换作用和排水固结控制基础沉降。通过成桩过程中对周围砂土、粉土层的挤密、振密作用和靠砂碎石的压入获得加固效果，使砂土、粉土地基的密实度增加。

结合工程实际，取桥头过渡段k22+340～k22+360 段长度为20m 为试验段，桩间距为3.0 m，处理宽度为38m，管桩和砂桩长为12.5m，路基设计平局填土高度为7.5m，具体布置图如图1 所示。

2.2 基于FLAC 3D的刚柔桩复合地基加固效果分析

为了使试验方案的可靠性更强，采用FLAC3D 对刚柔组合桩进行数值模拟。模拟区如图2 所示。

图1 试验段桩基布置方案

图2 方案模拟区示意图

2.2.1 数值模拟参数

模拟中，刚柔桩的长度均为12.5m，桩径为400mm，为了简化计算，将其等效为边长为350mm 的矩形桩，计算参数如表1 所示。

表1 数值模拟计算参数表

2.2.2 数值模拟过程

通过对模型进行简化，模型示意图如图3所示。

图3 数值模型示意图

分别对模型不同填土高度下的工况进行模拟，计算云图如图4 所示。

图4 FLAC3D数值模拟结果图

2.2.3 数值模拟结果分析

通过数值模拟计算结果可知：其工后沉降量为61.218mm，其稳定性系数为2.57，能够满足地基稳定性的要求，试验方案可行。

2.3 基于PLAXIS3D刚柔桩复合地基加固效果分析

2.3.1 数值模拟参数

采用PLAXIS3D 对桩间距为3m 的刚柔组合桩进行数值模拟仿真分析，其中，混凝土桩径为400mm 和砂桩的桩径为400mm，本构关系采用小应变模型，具体数值模拟参数如表2 所示。

2.3.2 数值模拟过程

在模型建立过程中，设置地下水位在0.3m以下和9 个施工步：①初始地应力平衡；②布桩；③堆填1（堆填速率要求为施工天数为15 天）；④固结1（要求固结度达到90%进行一个施工步）；⑤堆填2（堆填速率要求为施工天数为15 天）；⑥固结2（要求固结度达到90%时，进行一个施工步）；⑦堆填3（堆填速率要求为施工天数为15 天）；⑧固结3（要求孔压为1kPa 时，进行一个施工步）；⑨荷载作用的工后沉降。

2.3.3 数值模拟结果分析

通过整理计算结果可知，荷载作用的工后总沉降可达0.5117m，稳定系数能够满足地基稳定性要求。间距为1.0m 排水板处理的软基，20 年内工后沉降为0.144m。刚柔组合桩处理的软基，20 年内工后沉降为0.126m；在能保证桩基的承载力情况下，刚性桩处理的软基在20 年内的工后沉降约为0.084m。显然采用刚柔组合桩的复合地基与排水板处理之后的软基之间的沉降差异较小，相差0.018m，能够满足工程设计和施工的要求。因篇幅有限，计算云图不再一一详述。

2.4 刚性长短桩复合地基处理PLAXIS3D模拟

针对“桥头跳车”过渡段，拟采用Plaxis3D对刚性长短桩复合地基进行仿真模拟，路面宽38m，处理长度为20m，桥头位置采用混凝土管桩，桩长12.5m，排水板地基处理位置采用4.0m的混凝土管桩，中间混凝土桩渐进变化，桩间距为2.5m，具体的施工方案详见图5 所示。

通过计算可知，长短桩的总沉降量为1.27m，长短桩区域的总沉降为0.81m，稳定系数为1.13 ＞1.0 能够满足地基稳定性的要求。过渡段10 年的排水板的地基工后沉降最大值为32.4cm；长短桩的地基工后沉降为20.2cm，通过沉降变形图可知，变形能够平缓过渡。刚性长短桩复合地基能够很好地减少差异沉降，防止“桥头跳车”。

表2 路基土的物理特性指标

图5 刚性长短桩复合地基施工方案

3 结语

本文依托新建国省干线（联七线）公路霞浦东冲至火车站段工程A3 标段桥头过渡段k22+340～k22+360，通过数值模拟，对滩涂区深厚软土地基下刚柔桩组合处理效果进行分析，主要结论如下。

1）工后沉降量为61.218mm，其稳定性系数为2.57，能够满足地基稳定性的要求。

2）采用刚柔组合桩的复合地基与排水板处理之后的软基之间的沉降差异较小，相差0.018m，能够满足工程设计和施工的要求。

3）过渡段10 年的排水板的地基工后沉降最大值为32.4cm；长短桩的地基工后沉降为20.2cm，通过沉降变形图可知，变形能够平缓过渡。刚性长短桩复合地基能够很好地减少差异沉降，防止“桥头跳车”。