李定美 何永伟 杨忠恒

摘 要：树根桩具有桩径小，施工方便，需要的施工面小，在桥梁基础加固施工中可以不中断桥上交通，可在桥下正常施钻成桩等优点，被广泛运用于桥梁基础加固中。此外，对于需要抵抗水平力的桥台或桥墩基础加固采用斜树根桩不失为一种好办法。文章结合曲罗线大马场2号桥的桩基加固工程实例，利用Abaqus有限元软件模拟树根桩加固桥梁基础，介绍了树根桩在桥梁基础抗水平力加固中的应用。结果表明：桥梁基础在承受较大水平力时，通过布置斜树根桩，可以有效抵抗基础水平力，提高地基承载力，达到加固效果。

关键词：树根桩;桥梁基础;水平力;Abaqus;加固

中图分类号：U444           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）08-0158-03

1概述

大树底部的根系与土体紧密相连，历经数百年风吹雨打而不倒，工程师们对这一优点充分利用，利用仿生学原理，将桩基做成树根状[1～3]。在实际工程中，根据设计需要，树根桩可布置成群桩，也可单独使用;可以竖向布置，也可以倾斜布置;可以设计成摩擦桩，也可以设计成端承桩，还可以在不同的方向施工，形成独特的三维网状体系，即所谓的网状树根桩，就像树木的根部一样[5～10]。树根桩由于具有良好特性，对于需要抵抗水平力的桥台基础或桥墩基础加固，采用斜樹根桩更为有利。

2树根桩在桥梁基础抗水平力加固中的优点

树根桩承载力比较高，在施工中不会影响到现存桥梁的正常运行，能够保持其原有的平衡状态，在施工的过程中提高了既有建筑的稳定性和安全性[11～15]。当桥梁基础受到水平力作用引起超过规定的水平位移时，可充分利用树根桩进行加固处理，通过大量工程实践表明，增加斜桩来抵抗水平力是合理的。文章通过曲罗线大马场2号桥基础加固工程实例，介绍了树根桩在桥梁基础抗水平力加固中的具体应用。

3树根桩工作原理

树根桩加固是在桥墩基底注浆，即在注浆压力下，浆液在不扰动和破坏地层结构的条件下渗入岩土缝隙，将土颗粒胶结起来，改变地基土的力学性能，形成结构新、强度大、稳定性好的结石体。树根桩本身具有承载力，且压力注浆可使桥墩及其基础更加密实，提高桥墩整体刚度、桥墩和桥墩基础岩土的力学强度和变形模量，增强基础与周围岩土介质之间的结合，改善地基承载力，减小地基的压缩变形，保证土体稳定性，达到桥墩加固和提高地基承载力的目的。

4工程实例

4.1工程概况

大马场2号桥位于曲罗线（S315）K52+180处，桥梁上部结构为3×20m预应力混凝土空心板，下部结构桥墩为钢筋混凝土双柱墩，钻孔灌注桩基础，桥台为重力式U型桥台，刚性扩大基础。设计荷载等级为：汽车-20级，挂车-100。原桥车辆超限现象严重，桥梁一面临水，背水面地基有向临水面推移的趋势，导致该桥墩轻微倾斜，且墩身多处出现水平环状裂缝，怀疑桩基可能已经开裂，桥墩及桩基础不能满足汽车-20级，挂车-100设计荷载的要求，更不能满足抗水平力的要求。由于保通压力、资金不足等因素，不具备断开交通拆除重建的条件，故需要对桥墩及基础进行加固。

为提高地基承载力，抵抗基础水平力，本次加固采用了树根桩进行加固，在桩顶分别增设1.5m厚承台，承台底设置树根桩，树根桩直径0.13m，桩长12m，并伸入承台0.75m，树根桩间距85cm，分两层布置，两层树根桩交错布置，外层树根桩与竖直方向夹角10?，如图1所示。

4.2计算建模

采用Abaqus有限元计算软件对树根桩加固桥梁基础进行模拟，基于安全考虑，使计算结果偏于保守，本次斜树根桩均模拟成竖直方向建模，建模时土层从上而下依次为粉质黏土、中砂层、卵石，建立的三维有限元计算模型见图2。整个模型全部采用实体单元，单元类型为C3D8，模型节点数为251198，单元数为240396。根据拟采用的桥墩基础树根桩加固机理，采用高压注浆，其树根桩、周围土体、原桥墩基础、新承台之间将形成为整体复合地基一起工作，因此，分析中在地基土体与树根桩之间采用节点耦合的方式。

4.3计算参数选取

根据公路桥涵设计有关规范要求，在车辆运行的过程中，桥梁结构和地基允许的变形很小。在微小变形情况下，各材料的力学特性可以近似考虑为线弹性，且对计算结果的影响很小，因此，计算中所有材料采用弹性模型。文章计算中岩土及材料的物理力学参数取值主要根据工程初勘及相关文献、资料给出的经验数据，见表1所示。

4.4加固效果对比分析

以下为卵石层应力分布云图。

4.4.1应力分布图

图3、图4分别给出了卵石层加固前后水平X、Y方向应力场分布。图形显示：加固前卵石层的最大水平应力为27.3KPa，加固后水平应力显著增大，最大水平应力为600KPa，增长率为2097.8%，说明通过树根桩的加固后，上部的力传递到坚硬的卵石层。

图5给出了加固后树根桩竖向应力分布情况。图形显示：在基础底面以上，最外围树根桩的竖向应力相对较大，这是由于加固后，树根桩和土体形成了一种复合地基，一部分荷载通过承台传递到下部粉质黏土中，由于土体的模量很小，使得外围树根桩及附近土体的变形相对桥墩及内侧树根桩的变形较大，因而，基础底面上部树根桩的应力最大。而在基础底面以下，最外围树根桩的竖向应力最小，内侧树根桩的应力较大。这说明上部荷载主要通过桥墩传递到地基上，在基础底面下，树根桩承担了很大部分的荷载。而且，从树根桩的应力可以看出，从基础底面向下，树根桩的竖向应力先增大后减小。

4.4.2变形图

图6给出了桥墩顶部荷载作用下加固前后竖向的变形云图。图形显示：加固后地基的变形显著减小，桥墩顶部的竖向位移由加固前的2.817mm减小到0.713mm。

图7给出了加固前后桥墩顶部水平荷载作用下横向变形云图。图形显示：加固前桥墩顶部的最大侧移为1.62mm，加固后桥墩顶部的最大侧移减小为0.45mm。

5 结语

该桥经加固后承载力恢复到原桥的设计荷载标准：汽车-20级，挂车-100;基础达到抗水平力的要求。在下部结构加固中，采用树根桩加固，通过Abaqus有限元软件建模模拟分析，现得出以下结论：

（1）树根桩加固后，原基底中砂层应力明显减少，桩底卵石层应力显著增大，说明树根桩把很大一部分上部荷载传递至下部卵石层中，进而减少了原基底中砂层的附加应力，提高了地基的承载能力。

（2）加固后墩顶的竖向变形和横向变形也有所减少，说明树根桩对桥梁基础的加固具有很好的效果，可确保桥梁工程的安全及适用性等。

（3）树根桩加固不但可以避免工程施工对社会交通造成的不良影响，而且加固后全桥受力特性明显改善。当基础在承受较大水平力时，通过布置斜树根桩，可以有效抵抗基础水平力。

参考文献：

[1]肖颜.基于树根桩加固的震后公路路基边坡综合修复技术[J].地震工程学报，2019，41（01）：117-123.

[2]缪易辰，蒋洪，沈锐.树根桩在既有建筑加固中的应用[J].四川建材，2018，44（04）：66+88.

[3]胡金泉.苏州地铁3号线盾构隧道下穿铁路橋桩加固方案研究[J].科学技术创新，2017（28）：190-192.

[4]王晓欢.注浆技术和树根桩法在桥梁桩基加固中的应用研究[J].黑龙江交通科技，2017，40（04）：61-62.

[5]黄斌.高速公路岩溶路基树根桩加固试验研究[J].公路工程，2016，41（06）：204-208.

[6]刘岩松.浅谈树根桩加固铁路隧道基底[J].甘肃科技，2016，32（01）：109-111+73.

[7]王满林，张磊华.树根桩加固处理技术在工程中的应用[J].湖南水利水电，2015（05）：21-24.

[8]张雪雪.树根桩在桥梁基础加固中的应用及数值分析[D].南昌大学，2015.

[9]王江胜.树根桩在铁路既有线桥梁地基加固中的应用[J].内蒙古科技与经济，2013（17）：103-104.

[10]符春平.有限元法在高速公路边坡稳定与加固分析中的应用研究[D].湖南大学，2009.

[11]廖陆，刘洪瑞.树根桩在桥梁基础加固中的应用[J].湖南交通科技，2003（03）：78-79+81.

[12]郑磊.微型树根桩在地基补强处理中的应用[J].西部探矿工程，2001（03）：31-34.

[13]张风华.运用树根桩技术加固既有桥基[J].山西建筑，2000（02）：81.

[14]杜嘉鸿，张振山，郭忠堂，王杰，张士旭.树根桩在基础加固工程中的应用[J].西部探矿工程，1997（02）：7-9.

[15]陆培俊.树根桩[J].建筑技术，1985（06）：58-59.

[16]叶书麟，杨伟方，周申一，杨永浩.树根桩探索试验[J].建筑结构，1983（05）：46-48.

[17]蓝生斌，于静涛.浅谈树根桩在隧道软基处治中的应用[J].公路交通科技（应用技术版），2017，13（02）：188-189.