單排樁條件下的高邊坡剛性樁復合地基的失穩(wěn)破壞機理探究

陳梓華 李浩

摘 要：邊坡工程的穩(wěn)定性一直是巖土工作者重點關(guān)注問題，其對人民生命和財產(chǎn)安全以及國家經(jīng)濟和社會都會產(chǎn)生相當大的影響。本文基于廣東清遠萬科城八期的實際工程，使用MIDAS/GTS軟件，運用二維有限元計算方法，對單排樁條件下剛性樁（PHC管樁）復合地基上高邊坡（擋墻邊坡）進行失穩(wěn)破壞機理探究。

關(guān)鍵詞：擋墻邊坡；剛性樁；復合地基；有限元；穩(wěn)定性

0 引言

在地形復雜的山區(qū)建造房屋，有時候需要處理高填方的問題。由于高填方邊坡填筑量大且高，施工中填土的壓實質(zhì)量很難保證，填筑缺陷多，導致坡土的穩(wěn)定性較差，從而容易產(chǎn)生整體滑動、邊坡變形過大、擋土墻滑動、傾覆、路基沉降不均勻等問題[1]。

由此可知，邊坡穩(wěn)定問題若能得到妥善解決，將會避免嚴重的經(jīng)濟損失和不良社會影響。對于提高邊坡的穩(wěn)定性具有很多方法，其中包括樁式復合地基處理，而本文基于單排樁條件，就剛性樁復合地基下的高邊坡（擋墻邊坡）的失穩(wěn)破壞機理進行探究。

對于這一方面的研究，有鄭剛等[2]基于群樁條件下，考慮cut-off機制，以三維模擬分析方法來研究剛性樁加固軟弱地基上路堤穩(wěn)定性問題；吳春秋[3]等將極限平衡法和數(shù)值方法并用，分析低強度樁（攪拌樁等）復合地基支撐路堤的穩(wěn)定性；龔玉華[4]等采用極限平衡法分析某陡坡高填方邊坡穩(wěn)定性。雖然目前有關(guān)這方面的研究已經(jīng)有不少的成果，但是大部分都是研究高邊坡（擋墻邊坡）穩(wěn)定和剛性樁復合地基邊坡中的二者之一，很少有對剛性樁復合地基高邊坡（擋墻邊坡）的穩(wěn)定性進行研究。

本文以廣東清遠萬科城八期項目為依托，針對某標段的擋墻邊坡，基于單排樁條件，就不同位置剛性樁的受力特征、破壞模式以及擋墻邊坡的失穩(wěn)破壞機理進行探究。

1 有限元計算分析

1.1 基本算例

（1）計算模型

基于廣東清遠萬科城八期項目的實際情況，擋墻邊坡寬度取20.5m～25m，總高度為9m，邊坡比為1：1.5。整個擋墻邊坡分為8層填筑，其中第1層從擋墻底板開始填，高度為2m，余下7層皆為1m。其剖面和平面分別如圖1和圖2所示。模型的側(cè)向邊界限制其兩個水平方向的位移，底邊界限制其兩個水平方向以及豎向的位移。

（2）擋墻邊坡和地基土體

本文中土體采用摩爾庫倫模型，擋墻邊坡和地基土體各土層物理力學參數(shù)如表1所示。對于土體彈性模量，參照廣東省標準建筑地基基礎設計規(guī)范[S][5]，取值為勘察報告當中對應土體的標貫擊數(shù)的2.2倍，單位為MPa。

（3）樁體及各等效參數(shù)

計算模型中樁體分別位于向填土中心方向距坡腳6m、3m、0m和-3m，分別命名為A、B、C和D樁，樁間距為1.8m。樁體采用彈性模型，使用具有較高抗壓、抗剪和抗彎強度的PHC管樁，樁外徑為800mm，壁厚為130mm，C80混凝土，屬AB型管樁，其極限彎矩檢驗值為kN·m，極限抗剪強度檢驗值等效為495kN/m?，計算過程參考預應力管樁圖集（10G409）[6]。

1.2 不同位置下剛性樁內(nèi)力分析

（1）彎矩分布

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，將A、B、C和D樁對應于填土高度分別為3m及4m的樁身彎矩分布情況繪制成圖3。對于每一根樁，分別比較=3m和4m的情況，可知樁身彎矩分布的總體趨勢是隨著填土高度的增高而變大，而最大值皆為樁頂下12m處，即填土與砂質(zhì)黏性土交界面。當=3m時，均小于1，說明PHC管樁仍未發(fā)生彎曲破壞，但當=4m時，A樁和B樁的最大值分別為1.04和1.05，說明其在樁頂下12m處已經(jīng)受彎破壞。而對于C樁和D樁，，但經(jīng)強度折減法分析可知，當=4m時，它們的安全系數(shù)分別為0.87和0.92，即已發(fā)生穩(wěn)定破壞（A樁和B樁的安全系數(shù)分別為1.07和1.03）。

（2）剪應力分布

由統(tǒng)計數(shù)據(jù)繪制成圖，A、B、C和D樁對應于填土高度分別為3m及4m的樁身剪應力分布情況如圖4所示。對于每一根樁，分別比較=3m和4m的情況，可知樁身剪應力分布的總體趨勢是隨著填土高度的增高而變大，但不論是填土高度為3m或是4m，四根樁的樁身最大剪力均未達到自身的極限抗剪強度，即。即通過數(shù)值模擬分析表明，比起受剪破壞，樁體更易首先發(fā)生彎曲破壞。

從對樁身彎矩和剪應力分布進行分析可知，當對邊坡?lián)鯄Σ捎脝闻艠兜膹秃系鼗幚頃r，隨著填土高度的增加，樁體更容易發(fā)生彎曲破壞而不是剪切破壞，從而證明上述基于以上條件下，擋墻邊坡的整體穩(wěn)定性取決于加固樁的極限抗彎強度。

在以上分析當中，B樁所受的彎矩最大，針對B樁樁體的破壞模式進一步探究。當擋墻邊坡的填土從3m增加至3.2m，得出B樁的樁身彎矩分布情況如圖5所示，在距樁頂下12m處（填土與砂質(zhì)黏性土交界面），彎矩值達到815.12kN·m，即，樁體發(fā)生彎曲破壞，而此時的整體穩(wěn)定系數(shù)為1.25，尚未發(fā)生失穩(wěn)。

3. 結(jié)論及展望

本文利用MIDAS/GTS有限元數(shù)值軟件，對擋墻邊坡下的單排樁復合地基進行了數(shù)值分析，由于主要利用數(shù)值分析方法進行探究，缺少實際試驗結(jié)果以支撐結(jié)論。如果條件允許，應用足夠的試驗去加以證明，如李帥等以大量的離心模型試驗[7]對路堤邊坡失穩(wěn)破壞機理進行分析。

此外，根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范來看，其中并無給出剛性樁復合地基的穩(wěn)定分析方法，尤其是針對擋墻邊坡的情況。因此希望其日后能夠有所補充，為設計工作提供指導性幫助，從而避免設計人員不得不盲目依靠經(jīng)驗來設計，減少邊坡失穩(wěn)事故。

參考文獻（References）

[1] 張尚武，賈慧茹. 淺議山嶺區(qū)公路路基施工技術(shù)[J]. 公路工程. 2002， 27（1）： 18-19.

[2] 鄭剛，劉力，韓杰. 剛性樁加固軟弱地基上路堤穩(wěn)定性問題（Ⅱ）——群樁條件下的分析[J]. 巖土工程學報. 2010， 32（12）： 1811-1820.

[3] 吳春秋，肖大平. 復合地基加固路堤的穩(wěn)定性分析[J]. 巖土力學. 2007（s1）： 905-908.

[4] 曾耀，龔玉華. 山區(qū)陡坡高填方路堤穩(wěn)定性分析及處治措施研究[C]. 2011.

[5] 楊光華. 深基坑支護結(jié)構(gòu)的實用計算方法及其應用[C]. 2005.

[6] 中國建筑標準設計研究院組織編制. 國家建筑標準設計圖集.預應力混凝土管樁[M]. 中國計劃出版社， 2010.

[7] 李帥. 剛性樁復合地基支承路堤的失穩(wěn)破壞機理及其穩(wěn)定分析方法研究[D]. 天津大學， 2012.

（作者單位：華南理工大學 土木與交通學院）