高速鐵路柔性路基下CFG樁彎曲破壞研究

劉珣

（國家鐵路局 規劃與標準研究院，北京 100055）

我國高速鐵路路基的設計已經從“強度控制”轉變為“強度+變形控制”，而軟土地基處理技術是制約鐵路路基工后沉降的關鍵。水泥粉煤灰碎石樁（Cement Fly?ash Gravel Pile，CFG 樁）復合地基處理技術具有施工速度快、工期短、造價低、質量可控等優點，已在鐵路工程軟土地基處理中得到廣泛的應用［1］。CFG 樁復合地基主要采用樁網或樁筏結構，適用于基礎變形控制嚴格的軟弱地基，已成功應用于武廣客運專線、鄭西客運專線、哈大鐵路、京滬高速鐵路等項目［2-3］。國內外關于CFG 樁復合地基的研究主要圍繞承載特性、沉降特性、樁體荷載分擔比、樁土應力比、樁身軸力、樁側摩阻力等方面展開，主要采用的研究方法有理論研究、模型試驗、現場試驗、數值模擬等［4］。

關于地基穩定性和破壞模式的研究，Terzaghi等［5］提出可以分為整體剪切破壞、局部剪切破壞、沖剪破壞等，但這只限于豎直荷載、剛性基礎下地基的破壞形式，對于鐵路柔性路基下的穩定性和破壞模式的研究鮮見報道。英國規范中采用圓弧滑動法來計算復合地基的穩定性［6］。Ashour 等［7］考慮了樁間距、樁徑、土壤類型等對樁土相互作用的影響，建立了新的穩定性分析方法。陳建峰等［8］采用圓弧滑動極限平衡法分析了軟土路基上加筋路堤的穩定性，并總結出加筋路堤的破壞可以分為圓弧內加筋破壞、圓弧外加筋破壞和加筋路堤整體破壞。鄭剛等［9］對上軟下硬成層土地基中剛性樁復合地基支承路堤進行了單排樁和群樁條件下路堤穩定破壞機理的離心模型試驗，研究了不同樁體抗彎剛度、抗彎強度、加固位置、樁間距，以及樁端嵌入硬土層深度條件下樁體的受力與變形性狀，觀察到了剛性樁的破壞模式。

鐵路路堤作為柔性基礎，與剛性基礎下復合地基的變形和承載特性差異較大。雖然已經開展了一些關于柔性路基下復合地基設計方法的研究，但是關于柔性路基下CFG 樁復合地基穩定性及彎曲破壞模式的研究還不成熟，這給我國制定并完善鐵路路基相關規范帶來一定的挑戰。因此，系統研究柔性路基下CFG 樁復合地基穩定性及彎曲破壞模式，完善鐵路工程地基處理技術和地基設計方法是一個亟待解決的關鍵問題。

1 復合地基破壞模式

TB 10106—2010《鐵路工程地基處理技術規程》給出復合地基中樁體的破壞模式有：刺入破壞、鼓脹破壞、滑動剪切破壞、樁體剪切破壞和樁體壓潰破壞，見圖1。

圖1 復合地基破壞模式

目前采用的邊坡穩定性計算方法，只能分析剪切破壞模式，對于其他破壞模式（如彎曲破壞）無法判別。因此，采用邊坡穩定性計算方法得出的穩定系數即使滿足路堤邊坡穩定性時，也不能完全保證復合地基不發生破壞。

2 CFG樁彎曲破壞準則

地基土的塑性變形是構成CFG 樁變形的最重要因素，模型試驗和離心試驗均表明，CFG 樁可能產生彎曲破壞［10］。在邊坡穩定性分析方法中，常用的方法有極限平衡法和強度折減法［11］。下面將采用極限平衡法對CFG 樁復合地基穩定性和破壞模式進行研究。在極限平衡法中，路堤和地基的整體穩定性宜采用圓弧滑動法計算。

采用CFG 樁加固地基，每根樁都會提供一定的抗滑力，且各樁提供的抗滑力大小不均等，給計算帶來一定的困難。假設路基和地基處于極限平衡狀態，土條作用在每根樁上的抗滑壓力都相等，可得懸臂段（滑動面以上的部分）最長的樁體所承受的下滑力最大。當懸臂端（指懸臂段的最上端）固定在碎石墊層中時，CFG 樁最有可能產生彎曲破壞，則純彎曲破壞準則表示為

當樁頂存在軸向壓力時，壓彎破壞準則表示為

式中：σb為樁身混凝土彎曲受壓應力，kPa；Mmax為樁身最大彎矩，kN·m；W為抗彎截面系數，m3；N為樁身軸力，kN；A為樁截面面積，m2；［σb］為樁身混凝土彎曲受壓容許應力，kPa。

在使用壓彎破壞準則時，要重點考慮樁土相對剛度。當樁土剛度比非常大時，樁間土可能發生繞樁體的流動破壞，此時，土體的側向力無法施加到樁體上，不會產生壓彎破壞模式。當樁土剛度比接近1 時，可能產生滑動剪切破壞模式。

以C15混凝土CFG樁為例，其抗剪強度取700 kPa，填料綜合內摩擦角取38°。填料綜合內摩擦角和地基系數不同時，分別計算CFG 樁剪切破壞和彎曲破壞的復合地基穩定系數（表1）。

表1 CFG樁剪切破壞和彎曲破壞復合地基穩定系數

由表1可知，當地基系數較小時，CFG 樁彎曲破壞的穩定系數小于剪切破壞的，說明產生彎曲破壞的可能性較大；隨著地基系數的增大，CFG 樁彎曲破壞的穩定系數與剪切破壞的相近；當地基系數較大且樁土剛度接近時，CFG 樁彎曲破壞的穩定系數大于剪切破壞的，此時樁土復合地基剪切強度控制整個復合地基的穩定性。

3 CFG樁加固前后穩定性驗算

3.1 工程概況

工點位于浙江省內，屬平原地貌，地形平坦，地層從上到下分為5個大層，各層名稱及力學參數如下。

①素填土：重度19.0 kN/m3，黏聚力0 kPa，內摩擦角30°，地基土水平抗力系數的比例系數4 MN/m4。

②淤泥：重度 15.0 kN/m3，黏聚力10.04 kPa，內摩擦角1.96°，地基土水平抗力系數的比例系數1 MN/m4。

③1卵石土：樁周土極限側阻力90 kPa。

③2黏土：重度 18.5 kN/m3，黏聚力 38.0 kPa，內摩擦角15.1°，樁周土極限側阻力40 kPa。

③3粉質黏土：重度18.7 kN/m3，黏聚力50 kPa，內摩擦角19.1°。樁周土極限側阻力55 kPa，樁尖土極限端阻力2 200 kPa。

④1礫砂：樁周土極限側阻力70 kPa，樁尖土極限端阻力3 500 kPa。

④2碎石土：輕型重力動力觸探標準值5～6 擊/（10 cm），樁周土極限側阻力90 kPa，樁尖土極限端阻力4 000 kPa。

⑤1全風化凝灰巖：黏聚力0 kPa，內摩擦角35°，樁尖土極限端阻力8 000 kPa。

⑤2強風化凝灰巖：樁尖土極限端阻力10 000 kPa。

地基采用CFG 樁加固，樁徑0.5 m，樁間距2 m，呈正方形布置，樁長6.0～22.0 m。樁底嵌入碎石土不宜小于2.0 m，嵌入強風化凝灰巖不宜小于0.2 m。CFG樁施工完成后在樁頂鋪設0.6 m 厚碎石墊層，墊層內鋪設1層土工格柵。

當路堤填筑高度達到4.85 m 時，一段長約50 m的路基在左線中心附近產生弧狀裂縫，寬度達0.015 m?；宰缶€中心附近開始，右半幅路堤扇形滑移坍塌，在路基填筑范圍內形成兩級下沉，路堤右側坡腳施工便道隆起0.74 m。從左向右，第1 級下沉量為0.8 m，第2 級下沉量為1.64 m，路基坡腳與第2 級高差為2.37 m；臺階處形成多條環狀垂直裂縫，裂縫最大寬度約0.2 m。

3.2 加固前后地基穩定性

為了分析復合地基穩定性和破壞模式，以4.85 m為路堤填高，研究CFG 樁加固前后地基的穩定性，采用瑞典條分法，各地層的參數見表2。

表2 計算參數覽表

未采用CFG 樁加固前，計算得出路堤邊坡穩定系數為0.67，圓弧半徑為8.46 m，滑動力矩為3 163.7 kN·m，抗滑力矩為2 149.9 kN·m。

采用CFG 樁加固后（圖2），軸向力取400 kN，計算得到最大彎矩36 kN·m，則允許水平荷載為15.5 kPa。采用圓弧滑動法計算抗滑力矩（表3），則復合地基的穩定系數達1.218，滿足設計要求的穩定系數1.20。通過現場開挖，發現樁的質量問題以及部分樁體發生彎曲破壞，是導致此次滑坍的重要因素。因此，有必要詳細研究CFG 樁彎曲破壞時的穩定系數及其影響因素。

圖2 CFG樁加固后的穩定性計算

表3 各樁抗滑力矩

4 彎曲破壞的影響因素

4.1 懸臂段長度

在采用瑞典條分法進行穩定性計算時，可以控制滑動圓弧的半徑和懸臂段長度。研究發現，對于彎曲破壞，當懸臂段長度為4 m時，允許水平荷載為14 kPa，CFG 樁加固前、后復合地基穩定系數分別變為0.692和1.116。說明懸臂段長度越小，力臂越小，所能提供的抗滑力矩越?。ū?）。因此，在層狀地層中，CFG 樁加固后的復合地基穩定系數要通過大量試算。而且CFG 樁加固后，最危險滑動面與未加固情況下并不重疊。

4.2 穩定系數

在計算CFG 樁復合地基穩定系數時，復合地基黏聚力c復合按樁土面積置換率m采用樁土的抗剪強度τp與地基土黏聚力c土進行加權計算，即

在復合地基中采用圓弧滑動法時，最危險滑動面不會進入復合地基，可以采用固定圓心和半徑的方法，取與無CFG 樁加固時相同的滑動面，此時獲得的不同破壞模式下的穩定系數見表4。

表4 不同破壞模式下CFG樁復合地基的穩定系數

通過對比可見，考慮CFG 樁彎曲破壞的穩定系數最小，與實際破壞模式相符。

4.3 成樁質量

在本工程案例中，CFG 樁彎曲破壞時復合地基的穩定系數為1.116，小于運營期所需的1.150，導致路基出現滑坍。通過現場開挖，發現路基出現滑坍的主要原因是部分CFG 樁成樁質量不好，出現縮徑、開裂或斷樁現象。如果本例中取消1 根樁的抗滑力矩，計算得出的穩定系數驟降至0.993，說明此時的復合地基已經處于非穩定狀態，與實際情況相符。

在軟土地層中，由于側向約束力不大，CFG 樁成樁質量不高，會產生彎曲破壞。已有案例顯示CFG 樁在海相、湖相、沼澤相地層中存在成樁困難的問題。鑒于此，建議在CFG 樁復合地基的彎曲破壞穩定系數計算中，引入與成樁質量相關的折減系數β，穩定系數K的計算公式為

式中：MSR為土體提供的抗滑力矩；MPR為樁體提供的抗滑力矩；MT為滑動力矩。

在軟土地層中出現縮徑、開裂、斷樁等情況后，復合地基樁土應力會重新分布，建議折減系數β取0.8～1.0，當土質較差時，取小值；當土質較好時，取大值。

4.4 坡腳外加樁

在柔性樁復合地基中，普遍會在坡腳外增加1～2排樁，主要考慮加固圓弧滑動面的剪出口范圍。在CFG 樁復合地基中，通常只限于路堤范圍內加樁。但是當路堤有下伏軟弱層時，可考慮在坡腳外設樁。

在坡腳外分別設0，1，2，3 排樁（圖3），計算路堤邊坡的穩定系數，結果見表5。

圖3 坡腳外加樁示意

表5 坡腳外設樁的路堤邊坡穩定系數

可知，坡腳外加樁對路堤整體穩定性有明顯改善。當坡腳不設樁時，穩定系數為1.116；當設置第1排樁時，穩定系數提高0.095；當設置第2排樁時，穩定系數提高0.146；當設置第3 排樁時，由于加固體在滑動圓弧外面，對復合地基的穩定系數沒有影響。坡腳外樁體能否提供抗滑力矩以及加樁后整體穩定系數提高程度決定了坡腳處是否加樁。當穩定系數不足時，建議坡腳設樁不超過2排。

4.5 加筋墊層

CFG 樁網結構一般會設計加筋墊層結構，加筋墊層主要為碎石層，中間夾一層土工格柵。按加筋墊層的筋材與樁體的失效順序，可分為3種破壞模式：加筋墊層的筋材與樁體同時破壞、樁體先破壞、筋材先破壞。筋材一般可以承受較大的變形，因此實際復合地基失穩更接近于“樁體先破壞、筋材后破壞”的模式。

在本工程案例中，分別計算了無樁、加樁、加樁+加筋情況下路基的穩定性，筋材采用土工格柵，2%伸長率對應的拉力為21 kN/m，穩定系數計算結果見表6。

表6 考慮加筋墊層影響的路基穩定系數

由表6可知，采用加筋墊層后，CFG 樁能夠提供的抗滑力顯著提高，路基整體穩定性也明顯提高。這說明筋材可通過碎石墊層作用在CFG 樁帽上，并以彈性約束的方式施加到樁頂，改善樁頂的約束條件，提高復合地基整體抗彎能力。

5 結論與建議

1）基于CFG 樁彎曲破壞模式計算得出的最危險圓弧滑動面與不加CFG 樁時不重疊，需要采用更智能的搜索計算方法確定加樁后復合地基的最小穩定系數。

2）與復合地基剪切破壞模式和英國BS 8006?1：2010規范獲得的穩定系數相比，基于彎曲破壞強度理論計算得出的CFG 樁復合地基穩定系數最小，與實際情況相符。

3）對于CFG 樁加固復合地基，土質較好時整體穩定性較高，且潛在滑動面在坡腳內時坡腳外可不設置樁；當土質較差，需要CFG 樁提供側向抗滑力以減少彎曲破壞時，可設置1～2排樁。

4）加筋墊層可以在樁頂施加一個拉力，并以水平約束的方式施加到樁頂，提高CFG 樁承受側向荷載的能力，從而提高樁網結構復合地基的穩定系數，降低彎曲破壞發生的概率。