飽和松軟土剛性樁復合地基失穩變形特性研究

任華鋒

（中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031）

剛性樁復合地基由剛性樁、樁間土和褥墊層構成，可有效調節剛性樁和樁間土的受力分擔比，具有適用范圍廣、樁間土承載力發揮充分、地基承載力提高幅度大、地基變形小、施工質量易保證等特點，在處理高速鐵路軟土地基中得到了廣泛的應用［1-2］。長期以來，科研人員和工程技術人員針對剛性樁復合地基在路堤荷載作用下的沉降規律、承載力特性、樁土承載比分擔規律和荷載傳遞規律進行了大量的科學研究和工程實踐，提出了許多減少路基沉降的措施［3-6］，但對剛性樁復合地基在柔性路堤荷載作用下路基失穩變形特性仍缺乏深入的認識。隨著高速鐵路的飛速發展，在軟土地基上修建的高速鐵路路基也越來越普遍，研究剛性樁復合地基在柔性路堤荷載作用下的失穩變形特性也顯得尤為重要。

巖土工程試驗研究方法主要包括現場原位測試試驗、小比尺室內模型試驗和土工離心模型試驗?，F場原位測試試驗可用來直接觀察結構物的性狀和巖土體的性質，但是采用該方法步驟繁雜，成本較高且周期長，現實中很少采用。小比尺室內模型試驗相對來說操作方便，經濟性較好且針對性較強，但是該方法不能合理地模擬重力荷載，試驗結果在數值上與真實結構沒有直接的聯系。土工離心模型試驗可由原型材料制作模型，在原型應力狀態下直接觀察結構物或土體的變形狀態及其破壞過程，并可將試驗結果在數值上與真實結構或土體建立直接的聯系，該方法省時省力，被廣泛用來驗證或研究巖土力學的有關理論和解決巖土工程中的關鍵技術問題。

本試驗采用粉質粘土制作軟土，并取不同樁間距制作模型，根據土工離心模型試驗并結合數值仿真，分析樁間距對復合地基的變形特性和基樁失穩模式的影響，進一步探索飽和松軟土中剛性樁復合地基的適用性，以期為高速鐵路地基處理提供指導。

1 離心模型試驗設計

離心模型試驗模擬對象為深厚軟土地區雙線鐵路高路堤，地基上部軟土層厚8 m，路堤中心高6 m，路基面寬12 m，邊坡坡度為1∶1.5；地基中剛性樁樁徑1 m，樁長10 m，長方形布置并穿過軟土層；路堤底部設0.5 m厚砂礫石墊層，中間夾一層雙向抗拉強度為80 kN／m的土工格柵。離心模型試驗典型斷面如圖1所示。

圖1 離心模型試驗典型斷面圖

模型率N取50，共進行3組試驗，樁間距分別為3 m、4 m和6 m。模型中地基土分為兩層，上、下層分別為粉質粘土和粉砂；路基本體采用風化花崗巖填筑；剛性樁分為現澆樁和測試樁，采用適當配合比的水泥、粉煤灰以及碎石拌合而成；砂墊層采用標準級配的石英砂代替；土工格柵近似采用抗拉強度為1 738.33 N／m的紗網模擬。路基頂面放置雙線軌道重量與雙線列車中活載換算土柱等寬度等質量的鋼板，鋼板的密度為7.85 kg／m3，鋼板尺寸（寬×高）為65 mm×14 mm。

2 有限元數值仿真

2.1 模型建立

盡管離心模型試驗是研究復合地基工作性狀的有效的方法，但由于試驗本身以及測試方法的限制，復合地基中坡體的刺入量等無法進行測定。因此，建立有限元分析模型不僅可彌補離心試驗的不足，也可對離心試驗的結果進行驗證。

2.2 模型計算假定和參數選取

建立模型時，作如下假設：

（1）假定樁間土、墊層、下臥層和路堤均為理想彈塑性體，假定樁體和土工格柵為線彈性體。

（2）不考慮地基土體的固結，忽略地基土模量和泊松比在樁體、路堤填筑的施工過程中的變化。

（3）除土工格柵外，所有材料均為各向同性均質實體，不考慮溫度影響。

（4）Mohr-Coulomb模型的偏量偏心率取計算默認值。

數值仿真工況與離心模型試驗相同，路堤填料及地基土的計算參數如表1所示。

表1 巖土物理力學參數表

剛性樁樁體的計算參數分別為：密度為2.2 g／cm3，彈性模量為15 GPa，泊松比為0.2。

根據路堤尺寸的大小，確定模型外界尺寸為36 m×20.5 m×20 m；土體采用四節點實體模型，樁、褥墊層采用結構單元進行模擬；模型共有14 448個節點和12 600個單元，模型上表面為自由邊界，兩側為水平約束，底部為橫向和豎向約束，如圖2所示。

圖2 剛性樁復合地基三維數值模型圖

2.3 模型計算方案

考慮到路基結構的對稱性，選取半幅路基建立模型進行計算，對路堤和墊層沿線路縱向和對稱面施加位移邊界條件。

樁體、碎石墊層以及土工格柵采用生死單元模擬施工。路堤高度和分層填筑高度按實際情況考慮。在材料參數不變的情況下，通過改變復合地基的樁間距和樁徑來模擬樁間距和樁徑對復合地基工作性狀的影響。

3 試驗結果及分析

3.1 路基沉降變形

離心模型試驗的地基表面沉降實測值與計算值分布如圖3所示。路基面沉降最大值均發生在線路中心附近，樁間距為3 m、4 m和6 m時最大沉降值分別為15 mm、20 mm和26.6 mm，比數值計算結果稍大。在上部路堤荷載作用下地基土產生向外的擠出效應，導致坡腳外側土體出現隆起，隆起量極值出現于坡腳外側約180 mm處，樁間距為3 m、4 m和6 m時對應的極值分別為8.0 mm、9.2 mm與15.2 mm。

圖3 離心模型試驗結束后地表沉降計算和試驗曲線圖

試驗結果表明，隨著樁間距的增大，路堤中心附近最大沉降和坡腳附近隆起值均逐漸增大。樁間距由3 m增大到4 m時，坡腳外側隆起量極值增大了15%；樁間距由4 m增大到6 m時則增大了67.8%。這是由于隨著樁間距的增大，樁土置換率下降，當上部荷載作用時，樁間土“土拱效應”明顯，導致樁間土承受的豎向荷載增大，進而導致地基沉降和坡腳外側隆起值明顯增加。當樁間距增大到6 m時，此時路基中心地表沉降及坡腳外側隆起最大值均超過了15 mm，此時復合地基的穩定性受到顯著的影響。

路基中心地表沉降隨路基填筑高度變化曲線如圖4所示，計算結果與試驗結果基本一致。樁間距的大小對剛性樁復合地基的穩定及沉降控制有較大的影響，綜合考慮造價和處理效果，應將樁間距控制在4 m以內。本次分析基于在固定填方高度為6 m時不同樁間距的邊坡變形情況，并未分析不同填方高度情況下復合地基的變形情況。

圖4 路基中心地表沉降隨路基填筑高度變化計算及試驗曲線圖

3.2 地基水平位移

路堤坡腳處水平位移的大小直接關系到復合地基的變形系數（評價地基的穩定程度），因此，研究剛性樁復合地基的穩定性時，坡腳處水平位移大小是主要技術指標。模型試驗中坡腳處剖面水平位移分布曲線隨路堤填筑過程變化情況如圖5所示（以3 m樁間距為例）。

圖5 坡腳處剖面隨路堤填筑高度變化的水平位移計算典型曲線圖

計算結果表明，隨著地基深度的增加，水平變形先增大后減小，最大值出現在地基深度約80 mm處；在地基深度200 mm以下，地基水平位移已大大減小。地基的水平位移主要發生在剛性樁加固區，坡腳處水平位移最大值剛好在加固區中間深度范圍內，形成“中間大兩頭小”的凸面，這主要是由于砂墊層、下臥層及剛性樁對加固區共同約束造成的。

路基填筑完成后，坡腳處的水平位移試驗值與計算值對比曲線如圖6所示，兩者吻合良好。隨著樁間距的增大，坡腳處的水平變形逐漸增大；樁間距為3 m、4 m和6 m時坡腳處水平位移分別為12 mm、15 mm與22 mm；當樁間距由3 m增加到6 m時，地基的變形系數（坡腳處的水平位移與路堤中心處的沉降比值）由0.663增大到0.8，增幅明顯，剛性樁復合地基的穩定性有所降低。

圖6 地基坡腳剖面水平變形對比圖

3.3 基樁的穩定性分析

隨著樁間距的增大，基樁傾斜程度增大。3 m樁間距模型斷面5根基樁均比較完整，只有坡腳處基樁發生微小傾斜，傾斜角度在5°左右；4 m樁間距模型斷面坡腳處基樁在軟土層與下臥層交界面的上方斷裂成兩半，上半部分已向外側滑移了2 mm左右；3 m樁間距模型斷面靠近坡腳的2根基樁均在軟土層和下臥層交界面的上方發生斷裂，坡腳處基樁傾斜20°左右。

從試驗結果可知，在路堤柔性荷載作用下，剛性樁復合地基的側向變形使樁發生側向傾斜，樁體的傾斜程度與樁間距和上部荷載有關。樁間距越大，樁的傾斜程度越大；離坡腳越近，樁傾斜程度越明顯；主要原因是隨著樁間距的增加，地基土體在水平荷載作用下容易發生整體滑移，從而使樁體容易被剪斷，部分斷裂面與水平面成45°角。隨著樁體被剪斷，樁體承擔的荷載大幅度降低，進而引起復合地基樁間土破壞，造成剛性樁復合地基的整體失穩變形。

從基樁剪壞的位置可以得出，樁體剪壞的位置一般位于軟土層和下臥層交界面的上方1～2 m左右，隨著樁體離路基中心距離的增大，斷樁位置逐漸下移。這主要是由于上部土體在荷載作用下向外滑移擠出，上部土體的彈性模量小于下部土體的彈性模量，樁身剪應力增大，剪應力最大值出現在土層分界面附近，而此時樁身應變最大值也在土層分層面附近如圖7所示，當最大值超過樁體抗剪強度時，樁基被剪斷，此時剛性樁無法約束軟土地基的側向位移，造成復合地基整體失穩。

圖7 路堤中心附近基樁樁身應變隨樁間距變化試驗曲線圖

3.4 復合地基破壞模式

素混凝土樁復合地基破壞模式受多種因素影響，不僅與基礎剛度、地基土強度和土層分布有關，還與復合地基的設計參數（包括樁體強度、樁間距、樁長）有關。試驗中主要通過改變樁間距對復合地基的破壞模式進行了分析，在樁間距為6 m時，路基坡腳發生了局部剪切破壞。坡腳外側土體出現明顯外移現象，靠近坡腳處的路堤邊坡出現較大裂縫，最外排樁具有明顯的刺入現象；靠近坡腳最外排樁體向外傾斜最嚴重，第二排次之，其余樁體傾斜不明顯；部分樁體出現斷樁，坡腳局部出現滑裂面，滑裂面切斷最外排樁體，貫穿至路堤坡面。

4 結論

本文采用離心模型試驗和數值模擬，探索了在不同樁間距下飽和松軟土中剛性樁復合地基的沉降變形規律、水平位移特性以及基樁的穩定性，得出以下結論：

（1）不同樁間距對路基沉降有較大的影響，樁間距越小，路基表面沉降越??；當樁間距增大到6 m時，線路中心沉降及坡腳隆起值均超過了15 mm，此時復合地基穩定性受到較大影響，應將樁間距控制在4 m以內。

（2）隨著深度的增加，土體側向位移先增大后減小，最大側向位移發生在軟土加固區的中間深度范圍內，主要由于墊層、下臥層及樁體共同作用造成的。不同樁間距對坡腳處的水平位移影響較大，樁間距越大，復合地基整體穩定系數越小。

（3）隨著樁間距的增大，基樁穩定性越差，坡腳處的基樁容易發生傾斜和斷樁?；鶚稊嗔训奈恢迷谲浲翆雍拖屡P層交界面附近，主要原因是下臥層模量比軟土層模量大，基樁在交界面附近受到的剪應力突然增大，進而導致基樁斷裂，復合地基形成局部剪切破壞模式。