缪圆冰，陈礼榕，郑路,3，林聪煜

(1.福州大学土木工程学院，福建 福州 350108；2.福建陆海工程勘察设计有限公司，福建 福州 350007； 3.四川大学灾后重建与管理学院，四川 成都 610065；4.湖南大学土木工程学院，湖南 长沙 410082)

0 引言

随着我国经济的快速发展，桥梁在城市立交、高架桥和高速铁路等建设中得到了广泛的应用.日益复杂的交通网满足了人们的交通需求，但工程建设的交叉影响也给邻近桩基带来极大的挑战，目前最为常见的有隧道开挖[1-2]、基坑开挖[3-4]和路基不平衡堆载[5-7]等对既有桩基础的不利影响.此类工程问题在我国沿海软土地区表现尤为明显，其主要原因在于软土具有抗剪强度低、灵敏性高和流变特性强等特点.这类问题属于典型的被动桩问题，且工况往往十分复杂，目前常采用三维数值模拟手段进行计算评估.

在模拟计算中，对于岩土体材料常采用不同的土体本构模型，如摩尔库伦、修正剑桥及硬化土模型等.国内外已有较多学者对此展开丰富的研究，如李志伟[8]采用硬化土模型对堆载作用下，邻近桩基偏位状况及内力状况进行三维数值模拟；董芸秀等[9]采用MARC有限元软件和摩尔库伦本构模型，研究下伏软弱夹层路基堆载对桩基的影响；Li等[10]对软黏土采用修正剑桥模型模拟基坑开挖对邻近桩基的影响.

目前在软基堆载对邻近桩基影响方面已有较多针对软土本构特性的研究，但都与时间无关.软土具有复杂的流变性质，是否考虑蠕变对计算结果有较为显著的影响.已有学者对考虑蠕变和不考虑蠕变工况下软土路基的沉降进行对比，研究结果表明考虑蠕变特性后沉降增长了近3倍[11].由于蠕变模型中所涉及的蠕变参数较多，且与岩土体所处的应力水平密切相关，为此已有较多学者对不同类型岩土体开展蠕变试验研究，为进一步应用蠕变本构模型提供试验依据[12-16].目前已有部分学者采用三维数值模拟手段将蠕变模型应用于工程实践中，如蒋海飞等[17]基于Cvisc模型，模拟岩土体蠕变对边坡稳定性的影响，研究结果表明考虑蠕变后边坡的安全系数下降了9.2%，对边坡的稳定性产生不利影响；林志斌等[18]研究渗流及蠕变的相互耦合作用对软土基坑开挖的影响，得出考虑渗流和蠕变对基坑的影响不可忽略；江宗斌等[11]采用FLAC3D中的Cvisc模型进行大连地区沿海路基土的沉降和CFG桩的数值模拟，得到蠕变对于沉降的影响很大，蠕变作用产生的位移占总位移的50%以上.

综上所述，国内外已有较多学者对路基沉降和基坑开挖展开丰富的蠕变数值模拟，但对邻近桩基受力特性的影响问题还鲜有报道.为此，本文拟在前文研究的基础上，依托于某实际工程，开展路基拼宽和既有隧道开挖引起软土路基侧移对邻近桥梁桩基影响的三维数值模拟研究，并将计算值与实测值对比，验证模型和参数的正确性，最后对桩基病害整治方案提供设计参考.

1 工程概况

某高速公路路基段下存在深厚淤泥软土层，建成通车12 a后，新建了城市快速路和互通立交桥上跨此软基区域.互通桥梁建成1 a后，为了适应交通量快速发展需求，对原高速公路路基进行了拼宽，拼宽路基下方设3排刚性桩对软土地基进行加固.各工程的相对位置关系如图1所示.

图1 各工程相对位置关系立面示意图(单位：m)Fig.1 Elevation diagram of relative position relationship of each project(unit:m)

软基拼宽4 a后，互通主线桥梁桩基发生了程度不一的偏移，墩顶最大偏移量达165 mm.软基拼宽7 a后，地铁盾构区间上行线和下行线分别侧穿既有桥梁桩基，检测发现桥梁桩基偏移进一步加剧，墩顶最大偏移量达240 mm.

从以上桥梁桩基病害发展过程可看出，桥梁桩基穿过的深厚淤泥层受到了多次扰动，应力历史十分复杂；另外，受淤泥蠕变特性的影响，桥梁桩基偏位和路面变形的发展呈现明显的时间性.

1.1 桥梁尺寸

本工程桥梁上部结构为预应力钢筋混凝土连续箱梁，下部结构为两柱两桩，其中立柱采用椭圆形墩柱，基础形式为钻孔灌注桩，桩基直径1.8 m，桩长23.75 m，持力层为中风化花岗岩，桩间距6.5 m，承台尺寸长宽高为9.5 m×3 m×2 m，承台混凝土C30，墩身混凝土C40，墩高12.3 m.

1.2 路基拼宽

路基拼宽宽度6.5 m，高度5.35 m，坡度1∶1.5.路基拼宽段地基处理采用三排桩径为0.5 m，桩间距为2.5 m的刚性桩，沿着线路纵向分布.

1.3 盾构尺寸

盾构侧穿桥梁桩基，盾构上行线和下行线分别距离桥梁桩基10 m和4 m，盾构埋深约为16.4 m.隧道内径5.5 m，衬砌采用通用环进行错缝拼装，壁厚0.35 m，环宽1.2 m，混凝土强度等级C55.

1.4 场地地质条件

场地地貌类型为第四系沉积层(属冲海积-海陆交互相地貌单元)和剥蚀残丘地貌.场地土层分布如表1所示.表1中：d为厚度；c为粘聚力；φ为摩擦角。

表1 土层物理力学参数Tab.1 Physico-mechanical parameters of soils

2 路基拼宽及隧道开挖数值模拟

2.1 弹塑性蠕变本构模型

常用土的流变模型，诸如Kelvin、Maxwell和Burgers模型等，均有一定的适用范围，如土的应力松弛与Maxwell相似，而弹性后效性质又与Kelvin相似，蠕变特性则与宾汉姆体相似.因此，在选用蠕变模型时应慎重考虑.

对于软黏土而言，Burgers模型能较好地反应软黏土的蠕变特性[15,19]，在加载时它既能表现瞬时弹性应变，又能表现延滞弹性与粘滞流动；在卸载时，能表现出瞬时弹性恢复和弹性后效，又有残余永久变形.为更好地模拟土体的流变与屈服特性，本文在计算模拟中采用FLAC3D内置的Cvisc流变模型，它是由Burgers流变模型和Mohr-Coulomb弹塑性模型串联组合而成的复合模型，如图2所示.

图2 Cvisc流变模型示意图Fig.2 Schematic diagram of Cvisc rheological model

流变模型响应的流变方程为：

(1)

式中：EM，ηM，Ek，ηk分别为Maxwell体和Kelvin体的弹性模量和粘性系数；εp为塑性应变.

由岩土体蠕变特性可知，对于出现加速蠕变的岩土体而言，岩土体的变形会随时间而不断发展，最终可能出现不切实际的位移；对于只出现减速蠕变的岩土材料，其变形随着时间的增长而逐渐趋于稳定.在Cvisc模型中通常将Maxwell粘度设置为无穷大来实现岩土材料仅出现衰减蠕变的力学特性[17].为便于研究，本文在此基础上研究软土地基的蠕变特性，使用的参数如表2所示，Gk和GM分别为Kelvin体和Maxwell体的剪切模量.

表2 黏弹塑性模型的参数Tab.2 Parameters of Cvisc model

2.2 网格的建立与参数的选取

创建如图3所示的几何模型，长×宽×高为100 m×130 m×80 m，共有271 635个单元，283 626个节点.隧道管片采用liner结构单元模拟，将管片作为均质圆环考虑，抗弯刚度进行0.75的折减以考虑接头对管片刚度的影响，liner单元接触参数如表3所示.

图3 有限元模型和网格划分Fig.3 Finite element model and mesh generation

表3 liner单元的接触参数Tab.3 Contact parameters of liner

桩基和刚性桩地基处理均采用FLAC3D中内置的pile单元模拟.由于桩底嵌入中风化花岗岩，嵌岩段模拟将桩单元节点与其附近网格通过rigid刚性连接.其余段落通过设置桩土接触参数，使其可以较好地模拟桩土的相互作用，接触面参数参考相关书籍并结合相关文献[20]进行选取.弹簧刚度kn=ks=10(K+4G)/Zmin，K和G分别为土体体积模量和剪切模量，其中K=E/3(1-2μ)，G=E/2(1+μ)，Zmin为相邻网格最小划分尺寸.桩与土之间的粘聚力c′=(1/2～1/3)c，摩擦角满足：tanφ′=(1/3-2/3)tanφ.其中c，φ为桩周土体粘聚力和内摩擦角.不考虑桩与土体相互作用的剪胀效应和抗拉强度，即取剪胀角和抗拉强度为零，桩土接触参数见表4所示.

表4 桩-土体接触参数Tab.4 Pile-soil contact parameters

桥墩采用beam单元模拟，并与桩pile单元刚性连接.根据桥梁设计资料，在桥墩顶部施加上部结构传递的竖向荷载6 000 kN，水平向施加屈服弹簧模拟支座侧向约束.根据《公路桥梁抗震设计细则(JTG/T B02-01—2008)》[21]第6.3.7条规定，盆式支座临界滑动摩擦力：

Fmax=μdR

(2)

初始刚度：

(3)

式中:μd为滑动摩擦系数，取0.02；R为支座所承担的上部结构重力，kN；xy为活动盆式支座屈服位移，取0.005 m.

经计算，Fmax=μdR=0.02×6 000 kN=120 kN，k=24 000 kN·m-1.因此取墩顶水平屈服弹簧刚度为24 000 kN·m-1，屈服力为120 kN.在路基拼宽完成后，根据中国车辆荷载规定，对路基施加车辆荷载15 kPa.

3 计算结果分析

3.1 土体位移规律

按照桥梁桩基周边各项工程的实际施工顺序进行了全过程数值模拟，图4为计算得到的路基拼宽、地铁隧道上行线和下行线开挖工况下土体位移矢量图.从图中可以看出，路基拼宽后，由于路基底部存在大范围淤泥土层，在加宽段自重及其交通荷载的作用下，路基及下方软基产生向下和向外侧的位移.在地铁隧道上行线和下行线开挖后，破坏了土体原有的应力平衡状态，进一步加剧了软基向外变形，进而导致桥梁桩基发生较大的水平偏位.

(a) 路基拼宽

3.2 墩顶水平位移结果验证

图5为墩顶水平位移现场实测位移和数值模拟结果的对比，从图5中可看出，上行线隧道开挖与模拟值存在些许偏差，但从整体趋势和量值来看，两者相差不大，从侧面验证了数值模拟模型和参数的正确性，为后续评价桩基承载能力和病害整治决策提供参考依据.根据实测结果，在地铁隧道下行线开挖后，桥梁桩基墩顶累计水平位移达24 cm，已严重影响到行车安全，需对桩基进行病害整治.

图5 墩顶水平位移数值模拟结果与实测值的对比Fig.5 Numerical simulation results comparation with field data

3.3 既有桥梁桩身水平位移和内力

图6为既有桥梁桩身内力与变形随深度变化曲线.由于淤泥质土提供较小的桩侧摩阻力，因此桩身轴力随深度变化不大.而随着地铁上行线和下行线的开挖，土体发生显著沉降，此时桩身承受了较大的负摩阻力，桩身轴力随工况不断增大.从图6中可看出，随着桩身水平位移的不断增大，桩身弯矩也逐渐增大，其最大值出现在桩底嵌岩段，这是由于随着土体水平侧移量的不断增大，桩侧承受较大的水平附加土压力，而桩底嵌入中风化岩，为桩端提供了良好的嵌固支承条件.

(a) 桩身轴力

提取路基下方刚性桩水平位移随深度变化曲线，如图7所示.将刚性桩与既有桥梁桩身水平位移(图6(c))进行对比可以发现，由于路基下方刚性桩的存在，各工况下刚性桩水平位移均比既有桥梁桩基水平位移明显增大，其发挥了类似隔离桩的作用，对土体水平位移起到了明显的减小作用，但屏蔽作用不明显，实际工程中应适当加大桩径、桩长和排数，来达到更为良好的屏蔽效果，从而减小既有桥梁桩基水平位移和内力.

图7 刚性桩水平位移随深度变化曲线Fig.7 Deflection of rigid pile along shaft

考虑到桥梁桩基除了受到桥梁上部结构传来的竖向荷载，在土体水平运动产生水平附加土压力作用下，还发生了较大的弯矩，因此参考《建筑桩基技术规范(JGJ 94—2008)》[22]第5.8.5条条例，对桩身最大弯矩所在截面进行正截面偏心受压承载力、斜截面受剪承载力和裂缝进行验算，验算结果如表5所示.

表5 桩身承载力和裂缝宽度验算结果Tab.5 Calculation results of pile bearing capacity and crack width

从表5中可以看出，原桩身配筋及截面尺寸已不满足正截面承载力验算要求，裂缝宽度也不满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG 3362—2018)》[23]第6.4.2条规定的0.2 mm要求.因此，在桩顶发生如此大水平位移条件下，既有桥梁桩基的承载能力已不满足规范要求，需进一步对事故桩基提出针对性的治理措施.

3.4 病害整治

目前国内已有诸多关于桩侧不平衡堆载引起既有桩基的水平偏位较大的工程实例及病害整治.可简要分为两类：1) 当水平偏位不大时，桩身承载能力状态尚满足规范要求，此时可采取如应力释放孔+高压旋喷+桩顶顶推纠偏的方式.2) 当水平偏位较大时，桩身承载能力状态已不满足规范要求，此时应采取在既有桩基周边打设新桩，对原桩基进行主动托换的方式.

参考3.3节验算结果，既有桥梁桩基的承载能力已不满足规范要求，因此拟采取桩基主动托换的方式对原事故桩基进行病害整治，其与原桩基的位置关系如图8所示.

图8 新增桩基示意图Fig.8 Schematic drawing of new pile

为了分析新增桩基的工后变形和受力情况，对桩基托换工况也进行了数值模拟.新增桩基采用pile单元模拟，并在桩顶施加箱梁自重荷载2 400 kN，其与土体接触参数同表4.

结合现场地表沉降实测数据，考虑到地铁下行线开挖后，软基尚未进入蠕变稳定状态，同样对新增桩基进行了蠕变计算，计算时间取10 a，计算结果如图9所示.从图9可看出，新增桩基桩顶水平预计在3 a后趋于稳定，桩顶水平位移约为3.5 cm.

图9 新增桩基桩顶水平位移蠕变曲线Fig.9 Horizontal displacement creep curve at the top of new pile

提取蠕变稳定后新增桩基桩身内力结果，如图10所示.可以看出，桩身内力沿深度逐渐增大，最大值出现在桩端嵌岩处.嵌岩段由于中风化岩提供了较大的水平及竖向反力，桩身内力在嵌岩段急剧减小.内力计算结果可为新增桩基截面设计和配筋提供一定参考.

(a) 桩身轴力

4 结语

1) 在软土地基中，路基拼宽可导致软基发生较大的水平位移，拼宽段正下方小直径排桩地基处理虽然对软土地基水平侧移有一定的隔离作用，但作用不明显.实际工程中为防止侧移对临近建构筑物的不利影响，应适当加密排桩间距、桩径和桩长.

2) 当既有桥梁桩顶水平位移较大时，应对实测结果进行反演分析，并对桥梁桩身承载能力进行验算，为后续病害整治决策提供参考.

3) 在病害发展过程中，既有桥梁桩基实际上承担了“抗滑桩”的功能，下一步桥梁桩基托换设计中应充分考虑后续软基蠕变引起的水平荷载.

4) 软基对施工扰动较为敏感，桥梁加固施工方案要尽可能减小施工扰动.若采用补桩加固方案，宜采用回钻式全套管施工，以尽可能减少土体扰动、开挖卸荷及施工振动等对临近桥梁桩基及既有盾构隧道的影响.