深厚软土真空预压边界效应对邻近管廊桩的影响

孙逸玮

（上海港湾基础建设（集团）股份有限公司，上海 200434）

0 引 言

随着城市化发展的不断推进，建筑用地资源日益紧张，越来越多的建筑拟建于软土地基上，其中不乏大量的深厚软土地基。软土地基具有含水量高、孔隙比大、压缩系数高、渗透性小、抗剪强度低、极限承载力低、天然地基变形量大等特点[1-2]。真空预压法无需堆载材料，无需分级加载，施工安全、工期短、造价低、能耗少、加固效果好、绿色环保，特别适合处理软土地基[3]。然而，深厚软土地基由于软弱层厚度较大，地基处理过程中，随着时间推移，加固区内外的土体不可避免地会出现一定程度的位移，进而诱发邻近桩基变形，使桩身负摩阻力增大，严重时可能引发桩-土体系脱离失效，影响上部结构的正常使用。

目前围绕真空预压技术的研究主要包括：固结解析解[4-7]、负压分布模式[8-9]、真空预压联合其他方法的加固机理[10-11]、真空预压加固土体的变形机制[12-13]等。可以看出，现阶段学者们主要针对真空预压法自身的加固机理及场区内的土体固结变形开展研究，而对于真空预压边界效应对邻近构筑物的影响性分析还相对较少。李海玲等[14]采用数值分析法和现场测试法对真空预压的水平影响范围及钢板桩防护效果开展研究，结果表明：越靠近真空预压加固边界，土体水平位移越大；真空预压水平位移影响范围与加固深度呈非线性正相关。李建双等[15]采用FLAC 3D有限差分法对不同排水板打设深度、布设方式和荷载加载方式开展了数值模拟研究，结果表明：采用长短排水板相结合的方案或在降低真空荷载的同时增加堆载预压荷载，可有效减弱真空预压的边界效应。王健等[16]基于塑性硬化土本构模型研究了深厚软土地基真空预压在不同阶段时邻近素混凝土桩的受力情况，同时建立对策模型对3种不同形式支护的隔离效果进行对比分析。研究结果表明：深厚软土地基中需要采用刚度更高的支护形式才能起到较好的保护效果。目前关于真空预压边界区的土体位移特性、真空预压边界效应对邻近桩基的影响及如何设置有效的隔离支护尚未形成完善的理论体系。《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）[17]第5.1.8条规定：真空预压地基加固区边线与相邻建筑物、地下管线等的距离不宜小于20 m，当距离较近时，应对相邻建筑物、地下管线等采取保护措施。但未针对边界效应的影响范围、隔离保护措施、最大允许位移限值等做出具体规定。

鉴于此，本文依托浙江省乐清市南岳镇湾港区某地基处理工程，基于PLAXIS 3D有限元法分析了真空预压边界区的土体位移特性、真空预压边界效应对邻近管廊桩基的影响及水泥搅拌桩对既有桩基的保护效果。研究总结了真空预压边界效应对周围环境影响的规律，并根据计算结果提出了优化的桩基保护措施。

1 工程概况

1.1 项目地质条件

拟建场地原为海涂，经过水力吹填淤泥的方式形成陆域，吹填前平均标高为−1.38 m，现状平均标高为4.35 m，新吹填土的平均厚度为5.73 m。吹填后进行了浅层的无砂真空预压处理，处理深度至原天然泥面。经过浅层处理后，吹填与原状的淤泥质土性质基本相当。根据勘察报告，场地现状的主要软土层自上而下包括：②1-1淤泥质土、②1-2淤泥、②2淤泥、③1淤泥质黏土，其中②1-1淤泥质土包括原状土和新吹填土两部分。至②2层底埋深约30 m，至③1层底埋深达40 m。软土层下方为④2粉质黏土。本场地地下水位较高，地基土基本在地下水位之下，呈饱和状态。

1.2 地基处理方案

本项目场地为深厚软土地基，排水固结法是处理深厚软土地基最有效的方法之一，其原理是利用排水系统将孔隙水排出，孔隙体积减小，地基发生固结变形，随着时间推移，超静孔隙水压力逐渐消散，从而提高土的有效应力。根据软土分层信息，排水板的最佳插设深度应为30 m。由于处理深度深，排水板打设距离长，国内常规设备难以满足施工要求，需要特定插板机，造价相对较高。考虑到场地后期将进行桩基基础施工，且本阶段对于工后沉降的要求相对较低，故排水板深度设置为20 m，排水板间距0.8 m，膜下真空压力为−80 kPa，真空预压设计时间为120 d。

1.3 管廊桩与真空预压区的位置关系

场地南侧边线外存在一排紧贴围墙的管廊架，管廊架每隔25 m布置一个承台基础，承台下方设有两根对称的管廊桩，桩长为58 m，桩截面为方形，尺寸为500 mm×500 mm，桩端位于④2粉质黏土层。真空预压区边界距离既有管廊桩承台为25 m，管廊桩与真空预压区的位置关系如图1所示。

图1 管廊桩与真空预压区的位置关系Fig.1 Relationship between pipe gallery pile and vacuum preloading area

2 数值计算模型

基于PLAXIS 3D，根据场地实际尺寸建立三维有限元数值模型如图2所示。

图2 三维有限元数值模型Fig.2 Three-dimensional finite element model

2.1 土体与材料参数

地基土采用Mohr-Coulomb弹塑性本构关系，土体物理力学参数如表1所示。排水板采用线排水单元模拟，真空压力为−80 kPa。管廊桩采用Embedded 桩单元模拟，取桩身弹性模量为30 GPa。管廊桩隔离保护方案采用三轴水泥搅拌桩，直径650 mm，搭接200 mm，按格构式布置，整体宽度1 550 mm，隔离桩弹性模量取80 MPa。无承台处水泥搅拌桩按深度15 m设置，并在靠近管廊侧插设长度L=10 m、直径Φ=40 mm、壁厚d=2 mm的钢管，钢管弹性模量取210 GPa。桩承台前水泥搅拌桩按深度22 m设置，在靠近承台侧连续插设3根尺寸为300 mm×300 mm、长度为18 m的预制方桩。方桩采用C30混凝土。

表1 土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

2.2 施工阶段模拟

有限元模拟通过分阶段激活相应的结构单元与添加荷载方式实现，分别对无隔离桩和设置隔离桩的工况进行流固耦合数值分析。真空荷载通过将排水板行为设置为真空并施加负压实现。

未设置隔离桩的模拟步骤为：（1）初始应力场平衡；（2）管廊桩施工；（3）排水板施工；（4）真空预压加固。设置隔离桩后的模拟步骤为：（1）初始应力场平衡；（2）管廊桩施工；（3）水泥搅拌桩、钢管、预制方桩施工；（4）排水板施工；（5）真空预压加固。

3 计算结果分析

3.1 工后土体位移场

未设置隔离桩时真空预压120 d后的土体水平位移云图如图3所示，土体竖向位移云图如图4所示。土体位移以与坐标轴同向为正，反向为负。由图3可见，土体水平位移最大值出现在地表真空预压边界附近，土体最大水平位移为−368.5 mm。由图4可见，土体竖向位移最大值出现在真空预压区内x=0处，最大沉降为−641.6 mm。由于x=0处接近真空预压区边缘，故计算得到最大土体竖向位移相比场地中心处偏小。土体竖向位移从真空预压区内向外呈现出逐步减小的趋势。土体水平位移相比土体竖向位移的影响范围更大，需要引起更多关注。

图3 工后土体水平位移云图Fig.3 Nephogram of soil horizontal displacement after vacuum preloading

图4 工后土体竖向位移云图Fig.4 Nephogram of soil vertical displacement after vacuum preloading

3.2 孔隙水压力分布

未设置隔离桩时真空预压120 d后的孔隙水压力分布如图5所示。

图5 工后孔隙水压力分布图Fig.5 Pore water pressure distribution after vacuum preloading

从图5可以看出，真空预压过程中，场地内的孔隙水压力逐渐降低，场地外地下水向场地内渗流。在渗流力作用下，土体水平位移进一步增加。

3.3 管廊桩位移与受力特性

对未设置隔离桩和设置隔离桩的管廊桩位移进行对比分析，以管廊桩的前排桩为例，计算得到隔离桩设置前后的管廊桩水平位移对比如图6所示。隔离桩设置前后的管廊桩竖向位移对比如图7所示。根据计算结果可以发现：桩身水平位移最大值出现在管廊桩顶，无隔离桩时的桩身最大水平位移为139.04 mm，设置隔离桩后桩身最大水平位移减小至127.31 mm，减小了8.44%。桩身竖向位移最大值同样出现在桩顶位置，无隔离桩时的桩身最大竖向位移为13.15 mm，设置隔离桩后最大竖向位移减小至11.89 mm，减小了9.58%。

图6 管廊桩水平位移对比Fig.6 Comparison of horizontal displacement of pipe gallery pile

图7 管廊桩竖向位移对比Fig.7 Comparison of vertical displacement of pipe gallery pile

以管廊前排桩为例，隔离桩设置前后的桩身轴力对比如图8所示，桩身弯矩对比如图9所示。由于有限元分析需要消耗大量的计算机内存和时间，特别是流固耦合工况。为了使模型能够正确运行，模型单元的划分很难进一步细化，因此桩身轴力和弯矩图在曲线光滑度上欠佳。但从图8可以看出：设置隔离桩后，桩身上部轴力明显减小，表明桩身因周围土体沉降而产生的负摩阻力明显减少。从图9可以看出：设置隔离桩后，桩身弯矩整体减小。由于既有管廊桩是采用承台方式将桩基连接，因此桩身下部呈现出右侧受拉的趋势，桩身上部呈现出左侧受拉的反弯趋势。

图8 管廊桩桩身轴力对比Fig.8 Comparison of axial force of pipe gallery pile

图9 管廊桩桩身弯矩对比Fig.9 Comparison of bending moment of pipe gallery pile

3.4 桩基保护方案优化

从3.3节的分析中可以得出：采用水泥搅拌桩作为隔离桩并在受拉侧插设方桩或钢管可以起到保护既有桩基的作用。然而，由于本项目场地为深厚软土地基，水泥搅拌桩很难进入持力层，其抗弯能力不能充分发挥。因此，深厚软土地基中采用水泥搅拌桩作为隔离桩对既有桩基的保护效果较为有限。

既有管廊桩属于被动桩，被动桩的位移和受力主要受桩周土的影响。通常被动桩的位移和内力可按两阶段法分析。第一阶段忽略桩基的存在，计算相应位置处的土体位移，第二阶段引入弹性地基梁理论，将土体位移转化为桩基位移。因此，对第一阶段真空预压边界处的土体位移进行有效控制是保护管廊桩基最有效的方法。

结合上述分析，提出适用于降低深厚软土真空预压边界效应的优化保护方案如表2所示。

表2 优化保护方案Table 2 Optimized protection scheme

基于设置隔离桩后的三维有限元模型，分别计算上述4种方案下地表土体沿x方向的水平和竖向位移，并与未设置隔离桩的结果进行对比。不同方案下地表土体水平位移对比结果如图10所示，地表土体竖向位移对比结果如图11所示。

图10 地表土体水平位移对比Fig.10 Comparison of surface soil horizontal displacement

图11 地表土体竖向位移对比Fig.11 Comparison of surface soil vertical displacement

从图10的土体水平位移对比可以看出：真空荷载的减小叠加地面堆载的增大可有效降低真空预压边界处的土体水平位移。在水泥搅拌桩的隔离作用下，隔离桩后的土体水平位移进一步减小。这是由于真空荷载对土体的作用是向内的收缩变形，而地面堆载对土体的作用是向外的挤出变形，两者相互叠加可降低边界处的土体水平位移。值得注意的是：真空荷载与地面堆载并非是等值均分时位移控制效果最好。原因在于真空预压引起的土体位移主要与土体孔隙比、渗透系数、土体模量等指标相关，而地面堆载引起的土体位移与土体模量大小的密切性更高。如图11所示，当地面堆载为40 kPa时，向外挤出变形的影响范围较大。需要指出：在真空预压区域内，不同荷载组合下场地内地表土体的最大沉降量存在差异，这是由于真空荷载与地面堆载对土体的加固方式存在差异，真空荷载是施加在排水板上，而地表堆载仅作用于地表处。两者沿深度的分布形式不同，针对本场地土体性质，此时地面堆载对地表沉降量的贡献较大。根据土体水平位移和竖向位移的综合对比结果，本项目真空预压区靠近边界处采用50 kPa真空荷载+30 kPa地面堆载可有效减弱真空预压的边界效应。施工过程中可进行分区加载，提前在不同区域内进行铺膜等预处理，在真空预压边界处改用小泵抽负压。当场地及施工条件不允许时，可在边界处原有真空荷载基础上进行局部堆载，既可以弥补边界处排水板负压作用衰减的不足，又可以产生一定的挤出变形，控制桩周土体位移。

4 结 论

本文依托工程实例，基于PLAXIS 3D有限元软件建立三维数值模型，研究了真空预压边界处的土体位移特性、边界效应对管廊桩的影响、隔离桩的保护效果及优化保护方案，得出以下主要结论：

（1）土体水平位移最大值出现在地表真空预压边界附近。相比土体竖向位移，边界效应引起的土体水平位移影响范围更大，是诱发邻近桩基弯曲的主要原因。

（2）深厚软土地基中，很难使水泥搅拌桩的桩端进入持力层，因此无法充分发挥隔离桩的水平抗弯作用，对既有管廊桩的保护作用较为有限。优化荷载组合可显著减小边界处的土体水平位移。

（3）真空荷载造成边界外土体向内部收缩，而地面堆载使边界处土体产生向外的挤出变形。两者相互叠加可显著减弱真空预压的边界效应，起到保护既有桩基的作用。当场地内不易进行分区加载时，可考虑在边界处进行局部堆载。