廣東某高速公路管樁復合地基失穩(wěn)原因及治理

仇紅超

（廣東省交通規(guī)劃設計研究院集團股份有限公司 廣州 510507）

0 引言

在我國東部、華南等沿海地區(qū)，軟土分布廣泛，有一部分高速公路或鐵路修筑在軟土地基上，由于軟土層具有抗剪強度低、壓縮性高、含水率高、承載力低等特點，工程性質差，因此必須采取合理的軟基處理方式來提高地基承載力和路堤穩(wěn)定性［1-2］，并減小路堤工后沉降。剛性樁復合地基因具有承載力高、路堤穩(wěn)定性較好、工后沉降小、施工工期短等優(yōu)點，已在高速公路和鐵路等地基處理案例中得到了廣泛應用［3］，但是也存在不少剛性樁路堤出現(xiàn)滑塌、開裂、沉降過大等工程事故，造成一定的經(jīng)濟損失。

造成剛性樁復合地基失穩(wěn)的原因有多種，比如施工樁體質量較差、樁體保護不當導致樁體傾斜、路堤土堆載過快等［4］，以及現(xiàn)有設計規(guī)范計算復合地基穩(wěn)定性采用的傳統(tǒng)極限平衡法，假定滑動面上土體與樁體發(fā)生剪切破壞，往往會高估路堤抗滑移破壞能力［5］。針對剛性樁復合地基的路堤穩(wěn)定性研究，眾多學者做了大量的相關研究，鄭剛等人［6］開展了較低抗彎剛度和強度的剛性樁復合地基離心模型試驗，發(fā)現(xiàn)坡腳附近部分樁體首先在軟硬土層交界面附近發(fā)生彎曲破壞，最后部分樁體發(fā)生整體傾覆或二次彎曲破壞而使路堤失穩(wěn)；楊新煜［7］通過離心模型試驗對素混凝土樁復合地基研究發(fā)現(xiàn)，路堤下不同位置樁體的破壞具有先后順序，路肩下樁體是維持路堤穩(wěn)定的關鍵；張東卿［8］歸納總結剛性樁復合地基的各種失穩(wěn)破壞模式，計算各破壞模式下樁體的最小抗滑力，并利用極限平衡法得到復合地基的穩(wěn)定安全系數(shù)。

本文介紹了廣東某高速公路某路段采用管樁進行軟基處理時出現(xiàn)路堤滑塌的事故，利用現(xiàn)有常用路堤穩(wěn)定性分析方法，分析路堤滑塌的原因，提出了失穩(wěn)路堤處治方案并驗證方案的合理性，可為類似的工程設計、施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 管樁復合地基失穩(wěn)概況

廣東某高速公路K26+208～K26+320 段地形地貌為沖積平原區(qū)，路線左側臨近河道，右側為菜地、水田，局部路段有魚塘，K26+208～K26+271 為一般路基段填土高度為8.4～9.2 m，原設計采用管樁方案，樁長17.5 m，轉間距2.8 m，采用正方形布樁。K26+271～K26+331 為橋頭路段，填土高度9.2～9.3 m，原設計采用管樁方案，樁長17.5 m，橋臺前處理器樁間距2.2 m，橋頭過渡段采用樁間距漸變方式布樁。

現(xiàn)場施工管樁采用預應力PHC樁，樁徑為30 cm，壁厚不小于7 cm，管樁離心混凝土強度為C70，樁頂設置1.2 m×1.2 m×0.35 m 的C25 鋼筋混凝土樁帽，褥墊層采用30 cm 碎石墊層，碎石墊層頂部和底部各鋪設一層雙向鋼塑土工格柵，管樁采用靜壓法分段開展管樁施工（先施工右幅，后施工左幅）。施工進度情況如表1所示?，F(xiàn)場滑塌情況如圖1所示。

表1 路基施工過程Tab.1 Embankment Construction Process

1.2 工程地質條件

根據(jù)現(xiàn)場勘察情況，本路段揭露了約8.5 m 厚的軟土層，各土層的物理力學參數(shù)如表2所示。

表2 各土層物理力學參數(shù)Tab.2 Physical and Mechanical Parameters of Each Soil Layer

1.3 失穩(wěn)原因分析

1.3.1 設計分析

現(xiàn)有公路地基處理相關規(guī)范對剛性樁復合地基穩(wěn)定性計算采用圓弧滑動法，假定樁體與土體發(fā)生剪切破壞，復合地基內滑動面的抗剪強度采用復合地基抗剪強度τps，可按式⑴進行計算：

式中：τp為樁體抗剪強度；τs為樁體抗剪強度；m為樁土面積置換率。

利用式⑴，采用圓弧滑動法計算得到復合地基穩(wěn)定系數(shù)為2.15，滿足相關規(guī)范安全系數(shù)1.2 要求。根據(jù)現(xiàn)場調查失穩(wěn)管樁路基，管樁樁體只發(fā)生傾斜而并未發(fā)生剪切破壞，故采用相關規(guī)范計算方法得到的路堤穩(wěn)定安全系數(shù)高估了路堤穩(wěn)定性。

1.3.2 施工分析

該路段原地貌為魚塘，魚塘底部為飽和流塑狀淤泥層（厚度約6 m），含水量＞80%，抗剪強度約15 kPa，極限承載力約80 kPa，流塑狀淤泥極大降低了樁間土的復合承載力；同時，原路基橫斷面地面線自左向右呈斜坡狀，對路基穩(wěn)定性造成不利影響。

根據(jù)現(xiàn)場調查，管樁樁體只發(fā)生傾斜而并未發(fā)生剪切破壞，可以判斷樁體質量較好，由于該路段征地拆遷困難，無法提供道路紅線外施工便道，施工便道設于右幅路基范圍，重型運輸車輛長期通行于右幅路基填筑段，可能導致部分管樁在重型車擠壓下發(fā)生傾斜。且該路段工期較為緊張，路面結構層施工過于密集，集中快速的加載以及水穩(wěn)料、瀝青運輸車輛通行時產生的動荷載疊加，致使地基承載力瞬間突破臨界點。

2 失穩(wěn)路基處治方案研究

2.1 失穩(wěn)路基處治方案

針對已失穩(wěn)的路基進行處治，為加快施工進度，且綜合考慮造價等影響因素，處治方案為采用補打管樁處治，先將填土卸載至原管樁樁帽1.5 m處，整平地面后補打管樁，管樁樁間距采用2.4 m，樁體直徑為40 cm，樁身強度為C80，設計平均樁長32 m，為保證樁體不受傾斜，管樁樁帽縱橫向設置C40鋼筋混凝土系梁連接。

2.2 數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)上述設計方案，建立有限元數(shù)型［9］（見圖2）。

2.3 數(shù)值模擬結果分析

根據(jù)建立的有限元數(shù)值模型進行計算，得到各施工工況下地基沉降值，其中施工期末與運營期末的地基沉降云圖如圖3所示，計算結果顯示，施工期末的路基中心沉降為19.1 cm，運營期末路基中心沉降為24.8 cm，因此路堤工后沉降為5.7 cm，滿足規(guī)范要求的橋頭路段工后沉降小于10 cm要求。

將數(shù)值模擬沉降值與現(xiàn)場實測沉降對比如表3 所示?？芍?，實際監(jiān)測數(shù)據(jù)稍小于數(shù)值模擬結果，主要原因為現(xiàn)狀路基失穩(wěn)前已進行預壓過，沉降已完成部分，但數(shù)值模擬結果與實測值誤差在合理范圍內，驗證了本文數(shù)值模擬過程的正確性。

表3 沉降數(shù)據(jù)對比Tab.3 Comparison of Settlement Data （cm)

采用強度折減法分析復合地基穩(wěn)定安全系數(shù)［10-11］，對樁周土體的抗剪強度指標進行折減，不斷降低樁周土體抗剪強度，直到樁-土體系達到極限破壞為止。對于摩爾-庫侖材料的屈服準則的抗剪強度過程如式⑵所示：

c′=c/FS，tanφ′=tanφ/FS⑵

根據(jù)上述計算原理，利用數(shù)值模型計算得到路堤穩(wěn)定安全系數(shù)為1.806，計算得到的地基土體應力云圖如圖4 所示，由計算結果可以看出填土基本無明顯貫穿性塑性滑動區(qū)，塑性變形主要集中在樁頂附近，因此可以判斷采用管樁補打路基處理后，地基沉降和穩(wěn)定均可滿足要求。

上述數(shù)模計算得到管樁樁體應力如圖5 所示，根據(jù)數(shù)值計算結果可知，靠近坡腳處樁體主要受彎曲應力，路堤中心下樁體主要承受壓應力，因此坡腳處的樁體對路堤穩(wěn)定性的作用更為重要，實際設計中，可以考慮增強坡腳處樁體強度或者對坡腳處的樁間距進行加密，可以有效提高路堤的穩(wěn)定性。

3 結語

本文以廣東某高速公路管樁復合地基失穩(wěn)事故為例，研究了剛性樁復合地基失穩(wěn)的原因，并通過數(shù)值模擬方法，研究了失穩(wěn)路基處治方案的合理性，得到結論如下：

⑴該案例管樁失穩(wěn)原因主要因為設計采用現(xiàn)有規(guī)范的極限平衡法會高估路堤的穩(wěn)定性，以及施工過程重型運輸車輛長期通行于右幅路基填筑段，導致部分管樁在重型車擠壓下發(fā)生傾斜。

⑵通過有限元數(shù)值模擬方法驗證了采用補打管樁處治失穩(wěn)路堤的合理性，通過將數(shù)值模擬結果與實際監(jiān)測值對比，驗證數(shù)值模擬的正確性，并采用強度折減法，計算路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.806，因此驗證采用管樁方案路堤工后沉降與穩(wěn)定安全系數(shù)均可滿足規(guī)范要求。

⑶通過數(shù)值模擬計算結果可知，靠近坡腳處的樁體主要承載彎曲應力，對路堤的穩(wěn)定性影響較大，工程設計中可考慮增強坡腳處樁體強度或者對坡腳處的樁間距進行加密，進而增強路堤穩(wěn)定性。