0 引言

随着我国基础设施建设的高速发展，各类土木工程建设项目对地基提出了更高的要求^[1]。当桩基础旁边有路堤等堆载存在时，桩基础不仅要受到上部结构的竖向荷载和水平荷载，同时也会受到邻近堆载的影响而产生侧向变形，由此而产生的桩基倾斜、偏移等病害屡见不鲜^[2-5]。针对堆载对软土地基桩基础受力及变形的影响，国内外学者^[6-9]采用现场试验、室内试验、数值模拟等方法进行了大量的研究。冯忠居等^[10]对在堆载甚至超载条件下，软土地基侧向位移模式、变形规律以及邻近桩基上的力学性状进行了分析，认为当软土地基上覆荷载过大时，软土会发生侧向变形，进而对临近桩基产生挤推作用。李志伟等^[11]认为，桥梁墩柱周边堆土反压对控制墩柱及桩基的偏位具有较好的作用，同时对控制基桩附加弯矩及裂缝宽度也有明显的效果。杨敏等^[12-13]提出了主动加固和被动加固的概念，研究了加固区的深度、宽度和加固体弹性模量对桩基侧向变形的影响。

在软土地区，软土具有孔隙比大、天然含水率高、压缩性高和强度低的特点，我国沿海、内陆江河湖泊地区分布着广泛的软土层^[14]，因此在河谷地区修筑桥梁时，对软土进行地基处理十分必要。我国现行地基处理方法^[15]有换填垫层法、预压地基法、水泥搅拌桩法等。在土质较弱地区，复合地基越来越成为主要的地基处理形式，为了适应不同的土层情况、承载力和变形要求等综合因素，多桩型复合地基成为了新的发展方向^[16]。其中，刚性长短桩在处理软土地基方面受到了学者们的广泛关注^[17-22]。潘林友等^[23]对饱和软黏土中刚性长短桩复合地基的强度及变形理论进行了重点讨论。郭院成等^[24-26]对刚性柔性基础下刚性长短桩复合地基桩土应力及桩土应力比曲线的性状、桩土应力比随荷载变化的规律及影响因素的作用机制进行了分析。

众多学者对临近堆载对桩基础影响进行了广泛的研究，但对于刚性长短桩处理侧向堆载的处理效果方面的研究还不甚全面。本研究针对马里河Ⅱ桥实体工程中堆载下软弱土层侧向挤出造成的桥梁桩基础侧向偏移情况，分析其病害原因，并结合现场监测数据，建立墩-桩-土相互作用的力学模型，对比分析不同刚性长短桩布置形式及处理距离对堆载邻近桩基的受力特性及变形特性的影响，得到刚性长短桩的最佳布置形式及合理加固区范围，提出刚性长短桩加固软土地基的最优设计方案。

1 工程概况 1.1 桥梁设计概况

马里河Ⅱ桥位于遵义市龙坑镇，桥梁原设计上部结构采用4×30.0 m先简支后结构连续的预应力混凝土T梁，下部结构为柱式桥墩，桥台为桩柱台和桩基础，桥梁全长132 m。其中桥墩桩径为2.0 m，桥台桩径为1.6 m，桥梁墩台基础设计方案为摩擦桩。1^#桥墩墩柱高18.0 m，直径1.8m，桩长35.3 m；3^#桥墩墩柱高16.5 m，直径1.8 m，桩长25.5 m；4^#桥台桩长30.0 m。

1.2 桥墩受损情况与原因分析

根据初步测量，马里河Ⅱ桥1^#桥墩的6根墩柱顶部向2^#墩方向偏移9~12 cm。1^#墩与堆载的位置关系如图 1所示。出现上述现象是由于1^#桥墩周边存在大量深厚软弱土层，当软弱土层上覆盖路基填土时，由于对软土层没有足够的重视，而直接在软土层上进行施工作业，导致软弱土层在堆载的作用下产生侧向挤压变形，软土对桩基础的变位和受力特性产生较大影响，从而导致桥墩产生偏移。

为避免桥墩此类病害的发生，本研究提出在路基填土前可利用刚性长短桩对含有软弱土层的地基预先处理，从而减少后期路基施工中堆载对桥梁桩基的影响, 提高施工效率, 保证工程质量，为桥梁的安全运营提供保障。

2 有限元模型 2.1 模型建立

采用Marc有限元软件建立墩-桩-土相互作用的力学模型，计算模型如图 2所示，刚性长短桩布置情况如图 3所示。地基土的计算范围取决于桩径D和桩长L以及堆填土体的加载方向。其中：x方向桩前土体范围取15D，即30 m；桩后堆载土体取22D，即44 m，规定桩顶位移方向为x轴正方向。y方向桩两侧土体范围各取15D，即30 m；z方向桩底至底边界取0.9L，即30 m。桥梁桩基础采用混凝土材料，采用理想弹性本构模型进行分析，地基土采用Mohr-Coulomb屈服准则进行分析。边界条件设定为地基土四周和底面固定x和y方向位移，堆载边界固定x方向位移。该模型中，墩系梁高度1.5 m，桩系梁高度2 m；路基填土宽度43.6 m，高度20 m；土层从上到下依次是软土层层厚16 m，强风化层层厚6 m，中风化层层厚42 m。

2.2 模型参数及计算方案 2.2.1 模型参数

模型所采用的材料参数见表 1，桩尺寸参数见表 2。

2.2.2 计算方案

从布置形式和处理距离两种影响因素入手，分析刚性长短桩软基预处理对堆载邻近桩基的影响。

(1) 布置形式

采用正方形、梅花形和交错布置3种形式，长桩22 m，短桩14 m，加固区顶面布置刚性垫层31 m×27.5 m×2 m，其中正方形和交错布置采用长桩7排、短桩7排，共14排长短桩交错排列的布置形式，加固区范围26 m；梅花形布置为长桩14排，短桩13排共27排长短桩交错排列的布置形式，加固区范围26 m，其布置形式如图 4所示。

(2) 处理距离

影响刚性长短桩地基处理效果的另一主要因素是刚性长短桩的处理距离，即刚性长短桩加固区边缘到桥桩的距离。以梅花形布置为例，针对梅花形布置设置7种工况，即27排梅花形布置的刚性长短桩距桥桩距离分别为2，4，6，8，10，12，14 m。刚性长短桩处理距离示意图如图 5所示。

2.3 模型验证

马里河Ⅱ桥1^#桥墩在桥台背大范围堆填土体的作用下发生偏移，利用全站仪对1^#墩墩顶纵桥向位移进行了3个月的现场监测。1^#墩墩顶纵桥向位移变化如图 6所示。

根据现场监数据得到的1^#-1，1^#-2，1^#-3桥墩墩顶偏移量分别为123.1，119.6，114.1 mm。本研究数值模拟得到的桥墩墩顶位移分别为126.87，126.67，126.46 mm，误差分别为3.06%，5.91%，10.83%。模拟计算得到的桥墩偏移量与实际工程的偏移量较吻合，如图 7所示。因此，可认为所建立的数值模型能够较好地反映工程实际，可在此基础上开展后续研究工作。

3 刚性长短桩布置形式对桩基础的影响

限于篇幅，以处理距离8 m为例分析布置形式对桥墩桩基的影响。

3.1 桩身纵桥向位移

各种布置形式下1^#-1，1^#-2，1^#-3桥墩及桩基础的桩身纵桥向位移如图 8所示，其中未处理地基中的桩身位移数据取自马里河Ⅱ桥实体工程中现场监测数据，如图 6所示。

可见，3种布置形式下的桩身位移规律一致，正方形布置的桩顶位移分别为7.86，7.00，6.19 mm，交错布置为8.08，7.23，6.42 mm，梅花形布置为6.00，5.16，4.33 mm，与未处理时的62.62，62.37，62.31 mm相比，3种布置形式减幅分别为87.43%~90.10%，87.08%~89.70%，90.34%~93.05%。梅花形布置对桩基础侧向位移的控制效果明显优于正方形布置和交错布置。并且在桩身深入强风化土层(16 m)后，位移曲线出现转折点，当桩长达到25 m深度时，位移再次反向，桩身发生挠曲。对比1^#-1，1^#-2，1^#-3位移曲线，当越靠近堆载中心时(如1^#-3号桩)，桩产生位移越小；反之，越远离堆载中心时(如1^#-1号桩)，桩产生位移相对较大。

对于这3种布置形式，由于软土层强度较弱，土层提供横向抗力小，因此桩身在侧向荷载作用下的位移较大。当桩身深入强风化和中风化层时，土层强度变高，土层的侧向抗力很大，因此桩身位移很小。从模型的纵桥向位移云图(图 9)中可以看出，34 m以下处理后，桩身产生正向位移是因为加固区高度小于桩长，后方堆载挤压软土层并从加固区下传递至桩身使桩底产生位移，而未处理地基中只产生正向位移。对比3种布置形式，正方形和交错布置的刚性长短桩排列稀疏且桩数相近，两种布置形式对堆载下软土的加固作用相近。采用梅花形布置时，刚性长短桩在加固区内的纵横向排列较紧密，土的挤密效果好，对土层的强化效果更显著，因此梅花形布置的刚性长短桩控制侧向位移效果较正方形布置和交错排布更优。

3.2 地表平面水平位移

1^#-1地表平面水平位移如图 10所示。

由图 10可知，梅花形布置在加固区内的地表整体水平位移小于正方形和交错布置，且位移变化更均匀，而正方形与交错布置的加固区内水平位移呈周期为4 m的波动，并在10 mm处上下波动。梅花形布置的加固区右侧，即36 m以后的土体最大产生了18.4 mm负位移，而交错布置和正方形布置的加固区右侧先产生正位移，40 m后才开始产生负位移，且最大负位移分别为17.2 mm和17.1 mm。

当采用正方形和交错布置时，因两排长桩间距离4 m，短桩未深入持力层，此时短桩主要起承担竖向荷载的作用，而承受侧向荷载时，主要由长桩承担。因此，长桩处因抵挡土抗力而产生位移，长桩右侧土体的位移值最小，长桩左侧由于短桩未伸入持力层，难以抵挡侧方软土的挤压作用，发生较大侧向位移。采用梅花形布置时，由于长短桩排布较为密集，两排长桩间距为2 m，挤土作用更显著，土体强化效果更好，因此位移曲线虽有轻微波动但整体曲线较平缓，位移较均匀。3种布置形式均产生负位移是因为刚性长短桩对地基进行加固后，加固区提供了抵抗软土变形的抗力，使未经处理的软弱土层在堆载作用下向背离加固区的方向移动。正方形和交错布置在36~40 m的未处理区仍产生正位移，说明加固区在堆载的作用下产生整体位移。梅花形布置在36 m后变为负位移，说明此时加固区在荷载作用下未发生整体侧向位移，佐证了3.1节中得出的梅花形布置的刚性长短桩在控制侧向位移时的效果较其他两种布置形式更优的结论。

3.3 桩侧土抗力

桩基1^#-1，1^#-2，1^#-3的桩侧土抗力如图 11所示。

从图 11中可以看出，正方形布置的桩侧土抗力最大值分别为238.34，228.13，211.39 kN/m，交错布置分别为242.44，232.02，215.15 kN/m，梅花形布置分别为210.20，200.08，183.20 kN/m，与未处理时相比，分别减少76.99%~79.04%，76.60~78.67%，79.91~81.84%，且桩侧土抗力曲线在软土和强风化砂岩分界有明显突变。

由于桩侧的软弱土层在填土荷载作用下，土体侧向挤出对桩身施加了横向荷载，软土层桩身变形较大，但因土层自身强度较弱，产生的土抗力较小，随深度增大土抗力逐渐增大。在桩身深度6 m范围内桩侧为主动土压力，这是由于此处系梁的存在强化了3根桩的协调变形，在上部先出现主动土压力，随着深度增大，堆载下土体侧向挤出变形挤压桩身，桩侧产生被动土压力。且14 m处土抗力突然增大，因为刚性长短桩中的短桩长14 m，该深度以下仅长桩提供抵抗侧方软土的强度，在软土和强风化岩层的分界面处(深度16 m处)产生最大土抗力。进入坚硬土层后，由于坚硬土层抗剪强度高、压缩性低，可以提供更大的土抗力，但受桩身挤压量很小，且桩身产生挠曲变形，所以桩身产生主动土压力很小，且在强风化和中风化岩层分界处(深度22 m处)土抗力为零。对比3种布置形式可以发现，梅花形布置的桩侧土抗力在软土层和强风化岩层中，均小于其余两种布置形式，进入中风化层后，由于岩层坚硬，不同布置形式下的位移量和桩侧土抗力大小都基本相同。

4 刚性长短桩处理距离对桩基础的影响

由上节可知，梅花形布置的刚性长短桩具有最优的处理效果，本节以梅花形布置为例，主要探讨处理距离对刚性长短桩处理效果的影响。

4.1 桩基纵桥向位移

(1) 桩身纵桥向位移

各种处理距离下1^#-1，1^#-2，1^#-3号桩的桩身纵桥向位移如图 12所示。

不同处理距离下桩身纵桥向位移沿桩身的变化规律一致，均在软土土层中时产生较大侧向位移。加固区距桩基础2 m和14 m时桩身整体位移较大，其次为12，4，6，10 m，距离为8 m时位移量最小。

(2) 桩顶纵桥向位移

各种处理距离下的桩顶位移如图 13所示。

可以看出，随着加固区距桥墩的距离逐渐增大，1^#-1，1^#-2，1^#-3桩的桩顶位移先减小后增大，在8 m处达到最小值，分别为5.98，5.16，4.34 mm。与未处理时桩基1^#-1，1^#-2，1^#-3的桩顶位移70.30，68.48，66.69 mm相比，分别减小了91.5%，92.5%，93.5%。

当刚性长短桩距桩基础2~6 m时，长短桩后的路基堆载较大，长短桩在承受上方荷载的同时被后方填土挤压，且后方未处理部分较多，长短桩受到的挤压作用大，加固区整体发生位移。当长短桩距桩基础8 m时，长短桩前土体荷载不大，长短桩承受上方传来的填土荷载，同时加固区的强度抵挡后方的填土荷载。当加固区继续远离桩基础时，加固区承受上方填土荷载，加固区前部分未处理的填土直接对桩基础产生挤土效应，从而影响桩的侧向位移，此时加固区后的填土荷载减少，经加固的土体具有抵抗后方填土荷载的强度。因此，处理距离不宜距桩基础过近，也不宜过远，合理处理距离为8 m。

4.2 桩侧土抗力

桩基1^#-1桩侧土抗力如图 14所示。

不同处理距离下，8 m处的桩侧土抗力最小，14 m处的桩侧土抗力最大，不同处理距离的处理效果与未处理时相比，桩侧土抗力减小了70.78%~81.84%。深度为16 m处，即软土与强风化岩层的分界面上桩侧土抗力最大，由于加固区距离桩基较远时，垫层对表层土起到了强化作用，10~14 m加固区的桩侧土抗力在深度2 m处出现转折。

上述结果表明，距离小于8 m的加固区产生的桩侧土抗力较大是由于加固区距离桩基较近，加固区作为部分荷载作用于桩侧，因此土抗力增大。距离大于8 m时，加固区前的未处理软弱土层面积较大，在堆载作用下的侧向挤压作用显著，因此随距离的增大，桩侧土抗力逐渐增大。加固区距桩基8 m时，加固区对桩后填土荷载的抵抗效果最好，同时加固区前的未处理软土层在堆载作用下的侧向挤出变形很小。

4.3 桩身弯矩

桩基1^#-1，1^#-2，1^#-3的桩身弯矩如图 15所示。

可以看出，8 m时产生的桩身最大弯矩值最小，14 m时产生的桩身最大弯矩值最大，较未处理时相比，弯矩减小70.78%~81.84%。此外，在深度5 m处，随加固区距离的增大，弯矩逐渐增大产生反弯点，另一个转折点出现在深度16 m处，即软土与强风化岩层的分界处，此处产生最大弯矩值，进入中风化岩层后弯矩几乎为零。

在软土与强风化岩层分界面上出现最大弯矩的原因是软土强度较低，在挤压作用下变形较大，而强风化岩层强度较高，分界面上下土体错动导致界面弯矩达到最大值。随着加固区与桩基间距离的增大，深度5 m处产生反弯点，其原因是当距离的很近时，桩与加固区间软弱夹层体积较小，土体表现出弹性性质，当加固区距离逐渐增大至8 m时，土体变形逐渐减小，最大弯矩值逐渐减小。加固区距桩身较远(10~14 m)时，由于加固区前未处理地基范围较大，软土层中出现塑性区，土体变形幅度也随之增大，软土浅表层产生塑性滑移区，距离越远滑移区位移越大，最大负弯矩值越大。

4.4 地表平面土体水平位移

各种处理距离下地表平面土体的水平位移如图 16所示。

可以看出，在8 m以内时，随着距离的增大，加固区的整体侧向位移逐渐减小，且2~6 m的加固区后仍先产生正向位移，随后再产生负向位移；加固区距桩基大于8 m时，加固区整体位移大幅减小，加固区前位移逐渐增大，且8~12 m在加固区后开始出现负位移，14 m时加固区内便产生负位移。

这是由于当加固区距离桩基较近(2~6 m)时，后方未处理软弱土层范围大，在侧方荷载很大，而大部分堆载下地基未处理时，加固区在侧向挤压作用下随土层产生整体位移。可以看出，加固区后位移曲线有拐点并且陡降后隆起，说明加固区后土体的侧向变形受到明显的抵挡作用。随着距离逐渐增大，加固区后出现负位移，说明加固区抵挡后方的堆载，同时加固区前未处理部分增大，加固区前堆载直接作用于桥桩上，因此8~12 m处理效果减弱。14 m时，加固区内产生负位移，说明这部分长短桩未发挥挡土效果，而随软弱土层共同产生负位移，且加固区前未处理部分最大，桩身产生较大位移。由此可得，加固区距桩基8 m时达到最优处理效果。

5 处治效果评价

马里河Ⅱ桥0^#桥台路基填方引起原设计方案中的1^#墩桩基础发生偏移。本研究提出在未填土时对软弱土层进行刚性长短桩预加固处理的方案，认为对堆载下的软弱土层采用加固区范围为26 m的梅花形布置刚性长短桩，加固区距离桩基础为8 m的处置措施时处治效果最优。其中，进行地基处理后的1^#墩柱因软弱土层产生的侧向挤出变形大幅减小，墩顶纵桥向位移量减少89.45%~90.86%，桩顶纵桥向位移量减少90.40%~93.05%，均小于6 mm的横向位移容许值，桩后土抗力降低82.655%~ 85.82%，达到稳定状态。可见对于堆载作用下的桥梁桩基础偏移病害，采用处于合理范围的梅花形布置的刚性长短桩进行预先地基处理是可靠的处治措施。

6 结论

依托马里河Ⅱ桥实体工程，基于Marc有限元软件，建立了符合工程实际的有限元模型，对桥梁桩基础侧方堆载下软弱土层采用各种布设条件下的刚性长短桩进行了数值模拟分析，得到如下结论。

(1) 堆载作用下，软弱土层的侧向挤压变形对桩身位移、桩侧土抗力有明显影响，桩身纵桥向位移曲线在16 m处(即软弱土层和强风化岩层的分界面)出现明显转折点。土层在分界面处发生错动，使得桩侧土抗力与桩身弯矩在分界面处达到最大值。

(2) 不同距离下的桩基、桩身位移、桩侧土抗力和桩身弯矩等变化规律基本一致但影响程度大小不同，影响程度由大到小依次为1^#-1，1^#-2，1^#-3，说明最靠近堆载外侧的桩(如1^#-1)处于最不利位置，设计时可适当提高边侧桩基的承载性能。

(3) 相较正方形布置、交错布置形式，梅花形布置对减少软弱土层侧向挤出变形对桥梁桩基础的影响效果最显著。

(4) 梅花形布置的加固区在不同处理距离下的处治效果相差较大。当处理距离为8 m时，加固效果最优，桩顶纵桥向位移减小了91.5%~93.5%。当处理距离大于等于14 m时，加固区后部桩失去抵抗效果，建议在采用梅花形刚性长短桩处理软弱地基时，其处理距离宜选用8 m，且不应超过14 m。