剛性樁復合地基路基繞流滑動穩定分析

毛朝

摘要：文章分別采用基于極限平衡理論的復合強度法、荷載折算法和基于有限元理論的強度折減法對路堤穩定性進行了對比分析，挑選出剛性樁復合地基路基繞流滑動穩定分析的合理可行、安全、簡便的分析方法。

關鍵詞：剛性樁；復合地基；穩定性分析

中圖分類號：TU44文獻標識碼： A

隨著城市快速路、公路、鐵路建設速度的加快，軟基處理深度的加大，路堤填土高度的增加，工后沉降要求的提高，復合地基作為一種施工簡便、快捷、可控性高的地基處理方法，在工程實踐中得以廣泛應用，特別是近年來隨著高速公路、鐵路的快速發展，復合地基技術越來越多地被應用于路基加固工程中，隨之對路基沉降及穩定性的要求也日趨嚴格，因此復合地基中的樁體開始由原來的碎石樁、攪拌樁等柔性樁發展到現在的 CFG 樁、PHC 樁等剛性樁。尤其在淤泥層較厚的軟土地區，剛性樁復合地基更是路堤加固的首選方案，然而剛性樁加固的復合地基路堤整體穩定性分析問題，國內目前還沒有一個公認的方法，因此，下文就幾種常見的方法做些探討。

一、穩定性分析方法介紹

1、復合抗剪強度法

復合抗剪強度法即假設滑動圓弧通常經過加固區和未加固區，兩區土體采用不同的強度．未加固區采用天然地基土體強度，加固區土體強度可采用復合土的抗剪強度計算，也可采用樁體和樁間土的抗剪強度計算。采用復合強度指標計算，復合土體的黏聚力Csp摩擦角? sp可采用下式計算

Csp=(1-m)Cs+mcp

tan? sp=(1-m) tan? s+m tan? p

公式中：cp，? p分別為樁體的黏聚力和內摩擦角；cs，? s分別為樁間土的黏聚力和內摩擦角m 為面積置換率。樁體樁間土剪強度分開考慮時，復合地基抗剪強度可按下式計算

τsp=(1-m)τs+mτp

式中：τspτsτp分別為復合地基、樁間土和樁體的抗剪強度。對于剛性樁采用復合抗剪強度指標時，其黏聚力取值為樁身混凝土抗壓強度的 0.20～0.25倍。

2、有限元法強度折減法

有限元法利用邊界上的力的平衡條件和協調條件、本構方程、邊界條件等對結構進行分析的方法，可以較為真實地模擬現場條件，在不必事先假定破壞面的情況下，可以通過分析自動得到較為真實的破壞狀態。強度折減法是通過逐漸減小剪切強度(c，φ)，直到計算沒有收斂為止，將沒有收斂的階段視為破壞，并將該階段的最大的強度折減率作為邊坡的最小安

全系數，安全系數計算公式如下

式中：為邊坡的剪切強度，τf為滑動面上的剪切應力，τ，τf的計算公式如下

?=tan-1()

式中： SRF 為強度折減系數

3、折算荷載法

此方法假定加固樁只是承擔地基的豎向荷載，地穩定主要受地基土分擔的荷載控制，穩定分析時先根據樁土應力比計算加固后樁間土分擔的荷載，在該荷載值下計算地基的整體穩定性。樁間土承擔的荷載計算公式為

式中：Psp為復合地基上作用的總荷載；n為樁土應力比，n 取 2～4，m 為樁土面積轉換率,其計算公式為

式中：d為樁身平均直徑，de為一根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑，de取值如下

等邊三角形布樁de=1.05s,正方形布樁de=1.13s, 矩形布樁de=1.13

二、工程實例描述及穩定性分析

1、工程描述

某段在深厚軟土區修建的鐵路工程，路基采用CFG 樁復合地基進行加固，樁間距 1.6m，樁徑 0.5m，樁長 15.0m，正三角形布置．設計路堤填土高度7.0m，實際路堤填筑到 6.2m高時，開始出現路堤中間沉陷較大、路面開裂、局部坍塌、路堤兩側隆起等情況，從現場的路堤破壞模式來看，路堤失穩的主要原因是軟土層側向位移或側向滑移，導致加固樁傾倒或折斷造成路堤的整體失穩．后經卸載、補強等措施得以繼續施工．本文就路堤高度填筑到 6.2m 時的工況進行穩定分析，斷面如圖 1 所示，各土層物理力學參數如表 1 所示。

圖1 斷面圖

2、穩定性計算

針對上述工程實例，分別采用復合抗剪強度法、有限元法和荷載折算法進行路堤的穩定性計算，計算如下.

①復合抗剪強度法計算

應用極限平衡理論，采用精度較高的畢肖甫法，借助專業邊坡穩定分析軟件 Geo-slope 進行計算，計算參數如下：

CFG樁抗壓強度為 15MPa，樁體黏聚力Cp=3.0 MPa，摩擦角?p=40°

加固區復合抗剪強度指標為

淤泥層：CSP=271.8 kPa，?sp=9°

淤泥質黏土層：Csp=275.4kPa，?sp =11.3°

黏土層：Csp=285.3 kPa，?sp =20.5°

地基土及路堤填土均采用M—C本構模型，墻土之間的相互作用采用Goodman界面單元模擬，通過給界面選取合適的界面強度折減因子來實現，考慮淤泥及淤泥質黏土為高靈敏性土層，其折減因子分別取值0.4和0.5，黏土層取0.7,采用PLAXIS計算路堤穩定性結果如圖3—5所示,從圖3網格變形圖可以看出，地基土發生了側向滑移，路堤放坡坡腳處隆起，CFG樁明顯向兩側傾斜，這些與現場的路堤破壞模式基本一致,圖4顯示，由于CFG樁的存在，路堤失穩破壞的滑裂面并非光滑、規則的滑弧面，而是在CFG樁前后存在突變，一方面說明樁體起到了抗滑作用，另穩定性計算結果如圖 2 所示。

圖2復合強度法計算結果 圖3有限元法計算結果

②有限元法計算

借助大型商業巖土專用軟件PLAXIS進行計算，把空間問題轉化為平面應變問題來考慮，將樁簡化為沿道路走向延伸的板墻，墻體采用線彈性模型，需要定義軸向剛度EA和抗彎剛度EI等材料性質。對于平面應變模型，EA和EI的取值與平面外的單位寬度剛度有關，軸向剛度EA表示為力每單位寬度，抗彎剛度EI表示為力乘以長度的平方每單位寬度，根據EA、EI等效原則確定板墻厚度。在PLAXIS模型中，板是疊加在一個連續體上的，因爾是與土體重疊的，為準確計算土與板的總容重，應該從板材料的容重里減去土的容重，表示為力每單位面積，如表2所示。

彈性模量 E/MPa 軸向剛度 EA/kN·m-1 抗彎剛度 EI/kN·m2 等效厚度/m 容重 W/kN·m-2 泊松比ν

20000 18.6 20.1 0.433 6.0 0.1

一方面也說明樁與土的破壞模式存在一定的差異，樁體可能發生了折斷或傾斜破壞。

圖 4 有限元法計算結果圖5 有限元法計算結果

圖5顯示，有限元法進行路堤穩定計算的最小安全系數為1.097，與復合抗剪強度法計算結果存在很大差異。

③荷載折算法計算

根據路堤填筑高度，復合地基上路堤作用的總荷載只。Psp=20x6.2=124kN。計算得置換率m為0.089，樁土應力比n根據原土強度低取大值，原土強度高取小值的原則，本工程取4，計算得樁間土分擔的荷載為98 kPa，為方便將其換算成4.9 m的土柱建模計算。路堤兩側反壓臺下的樁間土分擔荷載為32 kPa，換算成土柱高度為1.6 m。換算后的計算斷面及計算結果如圖6—7所示。

圖 6 荷載折算法計算斷面圖7 荷載折算法計算結果

3、計算結果分析

①滑移面分析

復合抗剪強度法穩定性計算的最危險滑移面位于路堤本體內，并未切入軟土地基，可能會忽略更不利的滑移面，且與實際工程情況不符。有限元強度折減法計算的滑移面為深層滑移面，最危險滑移面切入到淤泥層中部偏上的位置，并從距路堤5～7 m的地方滑出，出口隆起，土體及樁體的變形均與現場實際情況相似，即說明了有限元法對于路堤滑移、變形趨勢的分析是合理的。荷載折算法計算的最危險移滑面與有限元法相近，同樣為切人淤泥層的深層滑移面，即此方法對于路堤的穩定性分析是合理的。

②安全系數分析

根據相關規定，在不考慮軌道和列車荷載的情況下，列車設計時速小于160 km／h時，路堤穩定性安全系數應不小于1.2。

以上三種方法的計算結果顯示：復合抗剪強度法計算的路堤穩定性安全系數為2.197，能夠滿足規范要求，但與工程實際不符；有限元法計算的路堤穩定性安全系數為1.097，不能滿足規范要求，但可能出現路堤滑移破壞情況，接近工程實際；荷載折算法計算的路堤穩定性安全系數為1.024，處于路堤滑移的臨界狀態，與實際工程情況更為接近。

結語

通過上述幾種邊坡穩定性計算方法對路堤的穩定性進行了計算，并經過對比分析，得出如下結論：

(1) 在流塑狀的軟土中做剛性樁復合地基加固，其穩定性計算若采用復合抗剪強度法會大大高估地基的穩定性，存在較高的工程風險。

(2) 對于剛性樁復合地基加固軟土地基的穩定性分析，采用有限元強度折減法和荷載折算法計算的結果相近，且都與工程實際相吻合。

(3) 荷載折算法較有限元方法而言，采用較為成熟的極限平衡理論，計算方法簡便，參數明確、宜得，更適應于剛性樁加固的流塑狀軟土復合地基的穩定性計算。

參考文獻

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