路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基失穩(wěn)破壞模式判別方法

陸清元

（中鐵二十三局集團(tuán)有限公司 四川成都 610072）

1 引言

高強(qiáng)度樁復(fù)合地基是指以具有較高抗壓抗彎強(qiáng)度的黏結(jié)材料樁作為豎向增強(qiáng)體的復(fù)合地基。由于其能顯著提高地基承載力、減小沉降變形、增強(qiáng)地基穩(wěn)定性，在路基工程軟基處理中得到了廣泛應(yīng)用[1－2]。然而，即使采用高強(qiáng)度樁加固軟弱地基，路堤地基失穩(wěn)工程事故也時(shí)有發(fā)生[3]96，主要是由于當(dāng)前對(duì)高強(qiáng)度樁復(fù)合地基失穩(wěn)破壞特性認(rèn)識(shí)尚不成熟，尤其是國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范中缺乏高強(qiáng)度樁復(fù)合地基破壞模式判別方法。因此，建立適用于路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基失穩(wěn)破壞模式的合理判別方法尤為必要[4]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基破壞模式的研究具有代表性的是天津大學(xué)鄭剛課題組[5－7]及日本 Kitazume 團(tuán)隊(duì)[8－9]。通過(guò)數(shù)值分析和離心模型試驗(yàn)等手段，研究了路堤荷載、地基條件、樁身材料特性、樁端錨固深度等影響因素對(duì)高強(qiáng)度樁復(fù)合地基破壞模式的影響，得到了較為一致的結(jié)論，即路堤下樁體復(fù)合地基發(fā)生失穩(wěn)破壞與樁體抗彎能力有關(guān)，當(dāng)樁體抗彎強(qiáng)度較高時(shí)，樁體易發(fā)生整體傾斜破壞；當(dāng)樁體抗彎強(qiáng)度較低時(shí)，樁體易發(fā)生彎折破壞。另外，對(duì)于極弱土中短樁，若滑動(dòng)面位于樁端之下，樁體的抗滑貢獻(xiàn)得不到發(fā)揮，表現(xiàn)為樁端下土體發(fā)生剪切破壞。

上述研究成果對(duì)于認(rèn)識(shí)路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基破壞模式具有重要意義，但由于高強(qiáng)度樁復(fù)合地基破壞模式影響因素較多，目前還沒(méi)有相關(guān)破壞模式的判別方法。為此，本文綜合考慮地基條件、樁身材料抗彎能力、滑面下錨固深度等復(fù)合地基穩(wěn)定因素，基于滑動(dòng)面上樁身材料抗彎能力與滑動(dòng)面下樁前土體抗滑力矩間的大小關(guān)系，建立高強(qiáng)度樁復(fù)合地基樁端滑移、樁體傾斜和樁體彎折破壞模式的判別準(zhǔn)則和控制條件，以期為路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基穩(wěn)定設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基典型破壞模式

（1）樁端滑移破壞

若樁身長(zhǎng)度小于滑動(dòng)面深度，失穩(wěn)滑面位于樁端之下時(shí)，此時(shí)樁體全部位于滑面之內(nèi)，樁體發(fā)生水平向滑移破壞，其破壞模式表現(xiàn)為圖1中滑面內(nèi)樁與樁間土沿水平面發(fā)生整體移動(dòng)。

圖1 路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基典型破壞模式

（2）樁體傾斜破壞

當(dāng)樁體強(qiáng)度及抗彎剛度較高時(shí)，樁身極限抗彎能力足以抵抗樁后土體產(chǎn)生的滑動(dòng)力，樁體將發(fā)生側(cè)向傾斜破壞，具體表現(xiàn)為樁與樁間土沿某一方向同時(shí)發(fā)生側(cè)向傾斜，破壞模式如圖1所示。

（3）樁體彎折破壞

若樁身長(zhǎng)度大于滑面深度時(shí)，滑面下地基土對(duì)樁體提供抗滑錨固力，當(dāng)樁體強(qiáng)度及抗彎剛度較低時(shí)，樁后土體產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩大于樁身極限抗彎能力，樁體易發(fā)生如圖1所示的樁體脆性彎折破壞。

3 高強(qiáng)度樁復(fù)合地基破壞模式分析及判別方法

3．1 滑動(dòng)面上樁后土體產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩

地基失穩(wěn)時(shí)樁后土體對(duì)樁體施加主動(dòng)土壓力，從而引起樁身被動(dòng)受力。對(duì)于具有較高材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的素混凝土樁、CFG樁等高強(qiáng)度樁，樁身材料極限彎矩MU可以抵抗側(cè)向土壓力產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩MD。取極限穩(wěn)定狀態(tài)分析，即路堤發(fā)生整體失穩(wěn)的一瞬間，所有樁體均沿最危險(xiǎn)滑動(dòng)面發(fā)生彎曲破壞，此時(shí)樁后側(cè)向土壓力產(chǎn)生的下滑力矩達(dá)到樁身材料極限彎矩，即MD＝MU。樁身極限抗彎強(qiáng)度MU可根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015版）》（GB 50010—2010）[10]按式（1）進(jìn)行確定。

式中：γ為樁截面抵抗矩塑性影響系數(shù)；ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。W為樁彎曲截面系數(shù)，矩形W＝lb2／6，b為沿彎矩作用方向的邊長(zhǎng)，一般b為長(zhǎng)邊，l為短邊，圓形 W ＝πd3／32。h 為截面高度（mm），當(dāng) h＜400時(shí)，取 h＝400，當(dāng) h＞1 600時(shí)，取 h＝1 600；對(duì)圓形、環(huán)形截面，取h＝2r，其中r為圓形截面半徑或環(huán)形截面外環(huán)半徑。γm為樁截面抵抗矩塑性影響系數(shù)基本值，矩形截面取1.55，圓形或環(huán)形截面取1.6～0.24r1／r，其中r1為環(huán)形截面的內(nèi)環(huán)半徑，圓形截面取r1＝0。

3．2 滑動(dòng)面下樁前土體提供的抗滑力矩

為保證樁體復(fù)合地基穩(wěn)定承載，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要保證樁體結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，還要保證樁周土體不發(fā)生剪切破壞，地基橫向容許承載力不應(yīng)低于樁前被動(dòng)土壓力和樁后主動(dòng)土壓力之差。當(dāng)?shù)孛鏌o(wú)橫坡或橫坡較小時(shí)，地基y點(diǎn)的橫向容許承載力按式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：[σH]為地基橫向容許承載力；σa、σb分別為樁后主動(dòng)和樁前被動(dòng)土壓應(yīng)力；γ、c、φ分別為滑動(dòng)面下土體的重度、黏聚力和內(nèi)摩擦角；L為滑動(dòng)面與樁身交點(diǎn)距地基平面間的距離；y為滑動(dòng)面至計(jì)算點(diǎn)的距離。

對(duì)于滑動(dòng)面以下的樁體部分，對(duì)樁底求矩可得到如式（3）所列的滑動(dòng)面下樁前土體橫向抗滑力矩MS，計(jì)算模式如圖2所示。

圖2 滑動(dòng)面下樁前土體橫向抗滑力矩計(jì)算模式

式中：σ1、σ2、σ3、σ4分別為深度 L、y1（樁間土參數(shù)）、y1（持力層參數(shù)）、y2處樁前土體的橫向容許承載力，可按式（4）～式（7）進(jìn)行計(jì)算。

考慮到樁體與樁周土之間存在一定的間隙，因此在計(jì)算樁前土體橫向抗滑力矩MS時(shí)，橫向承載力取容許橫向承載力的 1／3，即 σ1＝ [σH]1／3、σ2＝[σH]2／3、σ3＝[σH]3／3 和 σ4＝[σH]4／3。

將式（4）～式（7）代入式（3）即可得到滑動(dòng)面下樁前土體橫向抗滑力矩MS。

3．3 高強(qiáng)度樁復(fù)合地基破壞模式判別方法

路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基失穩(wěn)破壞模式受地基條件、樁身材料抗彎能力、滑面下樁體錨固深度等因素的影響。通過(guò)對(duì)比滑動(dòng)面上樁身材料抗彎強(qiáng)度提供的滑動(dòng)力矩與滑動(dòng)面下樁前土壓力提供的抗滑力矩大小，構(gòu)建了路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基樁端滑移破壞、樁體傾斜破壞和樁體彎折破壞的判別準(zhǔn)則和控制條件，即：

（1）當(dāng)樁身總長(zhǎng)度小于或等于滑面深度，即h≤L時(shí)，路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基失穩(wěn)破壞模式為樁端滑移破壞。

（2）當(dāng)樁前土體橫向抗滑力矩MS大于樁身極限抗彎強(qiáng)度MU（MS＞MU），路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基破壞模式為樁體傾斜破壞。

（3）當(dāng)樁前土體橫向抗滑力矩MS不大于樁身極限抗彎強(qiáng)度MU（MS≤MU），路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基破壞模式為樁體彎折破壞。

4 工程案例分析

4．1 CFG樁復(fù)合地基失穩(wěn)工程案例

東南沿海某高速鐵路DKXX＋673.82～DKXX＋810路基段處兩座山體邊緣，基底為斜坡?tīng)顟B(tài)，采用C15強(qiáng)度CFG樁進(jìn)行軟基加固，加固寬度為路堤坡腳外1.5 m。復(fù)合地基設(shè)計(jì)參數(shù)為樁徑0.5 m，樁間距1.6 m，正方形布置，樁長(zhǎng)9.5～13.5 m，樁頂鋪設(shè)0.6 m厚碎石墊層，墊層內(nèi)鋪設(shè)一層土工格室。

路基設(shè)計(jì)填土高度9.5 m，實(shí)際填土高度約5.9 m（含工作墊層）時(shí)，路基頂面發(fā)現(xiàn)細(xì)小裂縫轉(zhuǎn)而右側(cè)發(fā)生坍塌。坍塌從路基中心開(kāi)始，右半幅向線路外側(cè)整體滑移坍塌，事后開(kāi)挖調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該CFG樁復(fù)合地基承載力檢算符合規(guī)范要求，失穩(wěn)破壞由樁體彎折破壞所致，如圖3所示[3]96－102。

圖3 DK XX＋790段路堤坍塌及開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)

4．2 計(jì)算模型及參數(shù)

基于工點(diǎn)案例，建立了相應(yīng)的穩(wěn)定分析模型，模型剖面如圖4所示。計(jì)算模型中路堤高度5 m，路基面寬度24.6 m，各土層厚度、土體重度、土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ取現(xiàn)場(chǎng)勘察參數(shù)。需要說(shuō)明的是1＃、2＃和3＃樁嵌入強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r深度很小，對(duì)地基整體穩(wěn)定性影響可以不計(jì)，計(jì)算時(shí)忽略了該土層所提供的抗滑效應(yīng)。

圖4 計(jì)算模型剖面（單位：m）

4．3 結(jié)果分析及驗(yàn)證

基于建立的計(jì)算模型，采用二維極限平衡瑞典條分法進(jìn)行路堤下CFG樁復(fù)合地基穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果合理性在于滑動(dòng)面的確定。為得到真實(shí)的CFG樁復(fù)合地基失穩(wěn)破壞危險(xiǎn)滑動(dòng)面，首先以無(wú)樁天然地基危險(xiǎn)滑動(dòng)面為基礎(chǔ)，根據(jù)滑動(dòng)面確定滑動(dòng)面上部各樁初始樁體長(zhǎng)度L，進(jìn)而將滑面上部樁體抗彎強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)面上樁體等效抗剪強(qiáng)度；然后將各樁等效抗剪強(qiáng)度賦值再進(jìn)行第二次計(jì)算，即可得到新的滑動(dòng)面及各樁新的等效抗剪強(qiáng)度。以此類推，直至前后兩次得到的路堤穩(wěn)定安全系數(shù)基本一致時(shí)即可得到真實(shí)的滑動(dòng)面。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，第3次和第4次得到的穩(wěn)定安全系數(shù)均為0.617，取第3次計(jì)算得到的滑動(dòng)面來(lái)進(jìn)行復(fù)合地基破壞模式的判斷，結(jié)果如表1所示。

表1 CFG樁復(fù)合地基破壞模式判別計(jì)算結(jié)果

從表1可以看出，1?！?2＃樁樁前土體橫向抗滑力矩MS均遠(yuǎn)大于樁身極限抗彎強(qiáng)度MU，根據(jù)本文提出的高強(qiáng)度樁復(fù)合地基失穩(wěn)破壞判別方法，該復(fù)合地基失穩(wěn)為樁體發(fā)生彎折破壞所致，這與工程案例現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖樁體彎折破壞結(jié)果相一致，表明本文提出的路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基失穩(wěn)破壞判別方法的合理性。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于高強(qiáng)度樁復(fù)合地基易發(fā)生的樁端滑移、樁體傾斜和樁體彎折破壞等三種典型破壞模式，提出路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基失穩(wěn)破壞模式判別方法，并形成以下結(jié)論：

（1）根據(jù)地基條件、樁身抗彎能力、滑面下錨固深度等因素對(duì)復(fù)合地基穩(wěn)定性影響機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基樁端滑移、樁體傾斜和樁體彎折等三種典型破壞模式的劃分。

（2）基于滑動(dòng)面上樁身材料抗彎能力與滑動(dòng)面下樁前土體抗滑力矩間的大小關(guān)系，建立了路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基樁端滑移破壞、樁體傾斜破壞和樁體彎折破壞模式的判別準(zhǔn)則和控制條件。

（3）基于某高速鐵路CFG樁復(fù)合地基失穩(wěn)破壞工程案例，驗(yàn)證了提出的路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基破壞模式判別方法的合理性，可為路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基穩(wěn)定設(shè)計(jì)提供依據(jù)。