剛性樁加固邊坡失穩(wěn)機理研究

趙光輝

（92306部隊綜合計劃處，海南 陵水572425）

剛性樁加固邊坡失穩(wěn)機理研究

趙光輝

（92306部隊綜合計劃處，海南 陵水572425）

目前剛性樁在邊坡治理中已經(jīng)得到了較多的應(yīng)用，而對剛性樁加固邊坡中樁的工作狀態(tài)及失穩(wěn)機理的研究卻鮮有進行。基于一群樁加固邊坡的工程實例，應(yīng)用ABAQUS有限元軟件對此實例中樁的工作狀態(tài)進行了研究。結(jié)果表明，傳統(tǒng)方法中認為的樁的剪切破壞并非此情況下樁的主要破壞模式，位于坡面的樁由于較多承擔(dān)水平推力作用，而表現(xiàn)出彎曲破壞的趨勢，傳統(tǒng)方法會大大高估剛性樁加固邊坡的安全系數(shù)。

剛性樁 邊坡穩(wěn)定 ABAQUS 破壞模式

1 概述

近幾年來，隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，地質(zhì)條件基礎(chǔ)較差上的邊坡工程有了越來越多的應(yīng)用，如軟土地基上的路堤工程，引航道工程等。然而邊坡的穩(wěn)定性一直是工程上非常關(guān)心的問題，且到目前為止還沒有徹底解決。在工程上，通常采用碎石樁、擠密砂樁、石灰樁等對軟土進行加固處理以提高邊坡的穩(wěn)定性。由于在某些特殊情況下，當(dāng)采用上述樁體時可能不會滿足邊坡的穩(wěn)定性或沉降要求，因此采用剛性樁（素混凝土樁、鋼筋混凝土樁、預(yù)應(yīng)力管樁等）加固邊坡的方法應(yīng)用的越來越廣泛。

根據(jù)樁的剛度和強度特征將剛性樁分為兩類：沒有配筋的抗彎強度較低的剛性樁，例如素混凝土樁；配筋的抗彎強度較高的剛性樁，例如鋼筋混凝土樁。在實際工程中，即使采用各種樁體加固邊坡，各種邊坡失穩(wěn)事故仍時有發(fā)生。臺華高速公路采用干振碎石樁進行軟土地基處理[1]，在路堤填筑過程中發(fā)生了地基失穩(wěn)滑移，后來提出剛性樁地基處理加固方案，經(jīng)數(shù)值分析及現(xiàn)場剛性樁試驗段測試結(jié)果表明剛性樁方案可以滿足路堤填筑要求。浙江沿海地區(qū)某高速公路[2]，軟基路段約占總長的三分之一，在路基填筑過程中，粒料樁處理路段出現(xiàn)了路基滑移和沉降偏大的現(xiàn)象。某線鐵路軟土路堤[3]采用水泥攪拌樁進行加固處理，在施工過程中當(dāng)路堤填高至5.2 m時突然發(fā)生失穩(wěn)滑塌。廣珠高速公路某軟土路段采用管樁復(fù)合地基處理，樁頂墊層中鋪設(shè)兩層土工格柵，當(dāng)填土高度達到7 m時，路基滑塌，管樁隨路基滑動而傾覆，表現(xiàn)出管樁與軟土難以協(xié)調(diào)變形，樁間土先發(fā)生滑動，進而帶動管樁傾覆。

導(dǎo)致有樁加固邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的影響因素很多，如樁體成樁質(zhì)量、施工過程等，但主要是由于現(xiàn)階段分析樁體加固路堤穩(wěn)定性的計算方法存在不合理性而可能過高估計路堤的穩(wěn)定性，因此如何正確研究剛性樁在邊坡加固工程中的失穩(wěn)機理是評估邊坡整體穩(wěn)定性的一個亟需解決的工程問題。

2 剛性樁加固邊坡有限元模擬

為了研究群樁條件下不同位置樁的破壞模式，本文中參照某剛性樁加固邊坡工程的實例，建立一個二維典型算例，采用ABAQUS有限元軟件模擬對不同狀態(tài)下不同位置處剛性樁的破壞模式進行了深入研究。

模型的尺寸圖如圖1所示，坡面高度為7 m，坡面長度為21 m，坡比為1：3。為減少邊界效應(yīng)對模型計算結(jié)果的影響，左側(cè)邊界距坡腳處為15 m，右側(cè)邊界距坡頂處為10 m。模型的左右兩側(cè)邊界限制水平方向位移，下側(cè)邊界限制水平及豎直方向的位移。坡面處共設(shè)置9排剛性樁，樁間距為3 m，樁徑為0.5 m，樁長為10 m ～17 m，根據(jù)鄭剛[5]等的加筋混凝土剛性樁抗彎及抗剪強度的計算方法，取該剛性樁的抗彎強度為189kN·m、抗剪強度為469kN，剛性樁采用線彈性模型。土體分為五層，分別為填土、淤泥、淤泥質(zhì)粘土、粘土、粉土，各土層底部深度分別為4 m、13 m、17 m、24 m、27 m，土體選用摩爾庫倫模型，土體及樁的材料參數(shù)如表1所示。模型主要分為兩個分析步，第一個分析步為地應(yīng)力平衡，目的為達到邊坡初始的應(yīng)力狀態(tài)，第二步為荷載加載步，主要在坡頂加載50kPa超載以分析樁體在正常使用情況下的內(nèi)力狀態(tài)。

圖1 . 某剛性樁加固邊坡示意圖

表1. 數(shù)值模擬土體及樁的強度參數(shù)

3 計算結(jié)果及分析

在坡頂50kPa荷載作用下，最終剪力的計算結(jié)果如圖2所示，可見剪力的數(shù)值最大未超過80kN，遠遠小于該剛性樁的抗剪強度469kN，彎矩計算結(jié)果如圖3所示，樁身的最大彎矩達到了近200kN·m，已經(jīng)超過了該剛性樁的抗彎強度189 kN·m。

以上結(jié)果表明在正常使用的情況下，樁身的剪力遠未達到樁身的抗剪強度，即剪切破壞不是此情況下樁的主要破壞形式，樁身彎矩達到較大的數(shù)值，趨近于破壞強度，即此情況下樁的彎曲破壞是剛性樁失穩(wěn)破壞的主要模式。這也表明以抗剪強度計算整體安全系數(shù)的傳統(tǒng)計算方法是偏于不安全的，亟需一種可以反映樁的彎曲破壞實質(zhì)的剛性樁加固邊坡的穩(wěn)定計算方法。

圖3 . 50kPa超載作用下1～9號樁身剪力值

圖4 . 50kPa超載作用下1～9號樁身彎矩值

4 結(jié)語

本文通過對某剛性樁加固邊坡實例的有限元模擬，分析了群樁條件下不同位置處各樁樁身的彎矩與剪力分布，結(jié)果表明：

1. 樁身剪力分布呈S形分布，剪力的最大值出現(xiàn)在樁的下半段，且剪力的最大值不超過80kN，遠遠小于樁身的抗剪強度469kN。

2. 樁身彎矩值分布的大致趨勢為隨著深度的增加先增大至最大值后減小，彎矩最大值出現(xiàn)在樁的下半段。彎矩的最大值達到了198kN·m，已經(jīng)超過了樁身的抗彎強度189kN·m，而位于坡頂?shù)?號樁則彎矩與剪力都較小。以上表明坡面處主要承擔(dān)水平推力作用的樁以彎曲破壞為剛性樁失穩(wěn)破壞的主要模式。

3. 目前相關(guān)規(guī)范未給出剛性樁加固邊坡安全系數(shù)計算的簡化方法，亟需一種能夠反映剛性樁彎曲破壞實質(zhì)的簡化計算方法。

[1] 曹衛(wèi)平, 陳云敏. 臺華高速公路路堤失穩(wěn)原因分析與對策[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2007, 26(7):1504-1510.

[2] 張衛(wèi)民, 凌道盛, 陳蘭云等. 粒料樁加固的軟土地基上填筑路堤的穩(wěn)定分析[J]. 鐵道建筑, 2007, (11):46-49.

[3] 秦立新, 王釗. 某線鐵路軟土路堤失穩(wěn)分析[J]. 路基工程, 2007, (2):42-44.

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1007-6344（2015）04-0338-01