吳賢國， 戴小松， 張凱南， 劉 洋， 凌 誠

(1. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074； 2. 中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司，湖北 武漢 430064； 3. 武漢大學(xué) 中南醫(yī)院， 湖北 武漢 400071)

在軟土地基修建高速公路和鐵路需面臨兩個關(guān)鍵性問題，一是路堤在填筑過程中地基穩(wěn)定性的保障，二是控制地基路基的變形量、不均勻沉降量[1]。因剛性樁具有較大的抗彎強(qiáng)度、剛度和抗剪強(qiáng)度，地基承載力大幅提高，可調(diào)性強(qiáng)，質(zhì)量容易控制，施工速度快，工程造價低廉[2]，近年來剛性樁加固處理軟土基得到國內(nèi)外廣泛應(yīng)用。

導(dǎo)致剛性樁地基路基事故的主要原因是對剛性樁及剛性樁地基路基破壞模式認(rèn)識不清，一些學(xué)者在現(xiàn)有案例下采用數(shù)值模擬分析對剛性樁的應(yīng)力-位移規(guī)律、破壞模式、抗彎性能以及路基穩(wěn)定性有所研究。夏元友等[3]對采集到的路基孔隙水壓力和樁土相對位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，驗(yàn)證了剛性樁豎向土拱的存在性；劉吉福等[4]基于大量公路路基軟基試驗(yàn)和監(jiān)測工程，提出了根據(jù)復(fù)合地基沉降得到樁身彎矩的簡易方法；楊德健等[5]探討天津軟土地區(qū)剛性樁復(fù)合地基、土、墊層共同作用的特點(diǎn)，分析不同荷載作用下剛性樁復(fù)合地基樁土位移場及樁土應(yīng)力比的變化規(guī)律；鄭剛等[6]對單樁位于路堤下不同位置時的路堤穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并與傳統(tǒng)復(fù)合抗剪強(qiáng)度極限平衡法穩(wěn)定分析結(jié)果進(jìn)行對比；王長丹等[7]根據(jù)e-lgp曲線法計(jì)算地基沉降的方法對高速鐵路剛性樁樁網(wǎng)復(fù)合地基進(jìn)行沉降計(jì)算，并與現(xiàn)有復(fù)合地基計(jì)算方法及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析；符云峰[8]深入探討剛性樁復(fù)合地基的荷載傳遞機(jī)理，引入分級加載的思想提出了一種剛性樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的計(jì)算方法；佟建興等[9]通過與天然地基對比分析，獲得了剛性樁復(fù)合地基的側(cè)向土壓力特性及分布規(guī)律。

截止目前為止，關(guān)于剛性樁地基的離心模型試驗(yàn)研究在國內(nèi)外研究較少，本文以離心模型試驗(yàn)為工程背景，通過七個剛性樁地基模型試驗(yàn)結(jié)果分析剛性樁的破壞模式、位移-加速度、沉降量彎矩等規(guī)律，得到提高路基穩(wěn)定性方法。

1 離心模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

離心模型試驗(yàn)是將土工模型置于高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)中，讓模型承受大于重力加速度的離心加速度的作用，補(bǔ)償因模型縮尺帶來的土工構(gòu)筑物自重?fù)p失。它比通常在靜力(重力加速度)條件下的物理模擬更接近于實(shí)際。土是一種非線性變形材料,它的性狀受應(yīng)力水平的影響。當(dāng)對土工構(gòu)筑物進(jìn)行物理模擬時，首要條件是保證模型的應(yīng)力水平與原型相同。利用高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)，在模型上施加超過重力n倍的離心慣性力，補(bǔ)償模型因縮尺1/n所造成的自重應(yīng)力的損失，達(dá)到與原型相同的應(yīng)力水平，這樣就可以在模型中再現(xiàn)原狀土工構(gòu)筑物的性狀。根據(jù)近代相對論的原理，重力與慣性力是等效的，而土的性質(zhì)又不因加速度的變化而改變，因此，離心模擬技術(shù)對于以重力為主要荷載的土工構(gòu)筑物來說就特別有效。離心模型試驗(yàn)采用南京水利科學(xué)研究院土工離心模型試驗(yàn)室 NHRI 400 g-ton 土工離心機(jī)(圖1)。試驗(yàn)方案見表1，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2～8。

圖1 NHRI 400 g-ton 大型土工離心機(jī)

圖2 M1模型尺寸/mm

圖3 M2模型尺寸/mm

圖4 M3模型尺寸/mm

圖5 M4模型尺寸/mm

圖6 M5模型尺寸/mm

圖7 M6模型尺寸/mm

圖8 M7模型尺寸/mm

表1 試驗(yàn)方案

1.2 模型制作

(1)土層制作

如圖9，其中土層的平均密度、含水率、干密度如表2，粉質(zhì)粘土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)如表3。

圖9 軟土層制作

表2 土層平均密度、含水率、干密度

表3 粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

(2)模型樁

M2～M4試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆恫捎猛鈴?0 mm、壁厚1 mm的空心鋁管代替。測試土壓力的方樁邊長15 mm(圖10)。

圖10 模型樁制作

2 離心模型試驗(yàn)結(jié)果

以M2離心模型為例，從剛性樁的位移、樁身彎矩、樁身水平土壓力和樁身軸力角度闡述試驗(yàn)結(jié)果。

2.1 M2模型離心試驗(yàn)的位移

M2模型的離心試驗(yàn)的變形和位移如圖11，剛性管樁的傾斜情況如圖12，13為位移與離心加速度關(guān)系。

圖11 變形照片和位移場

圖12 管樁傾斜情況

圖13 位移-加速度關(guān)系曲線

由圖11～ 13可知：

(1)從加載開始至路基破壞，地基和路堤均向左側(cè)產(chǎn)生水平位移；豎向位移則基本以左側(cè)坡腳為界，左側(cè)坡腳以內(nèi)發(fā)生沉降；左側(cè)坡腳以外發(fā)生隆起。

(2)路堤開裂之前，路堤以豎向位移為主，地基以水平位移為主，且位移主要發(fā)生在坡腳內(nèi)側(cè)及坡腳外局部范圍內(nèi)。隨著加速度增大，發(fā)生較大位移的區(qū)域逐漸擴(kuò)大，坡腳外隆起范圍也不斷擴(kuò)大。

(3)最大水平位移大于最大地基沉降，水平位移面積大于地基沉降面積的主要原因是沉降面積統(tǒng)計(jì)不完整。試驗(yàn)結(jié)束后地基頂面線對應(yīng)的沉降面積(106.0 cm2)大于隆起面積(82.4 cm2)。

(4)初始滑動面與最終滑動面不完全相同，初始滑動面經(jīng)過路基中線附近，但其誘發(fā)滑動面后壁發(fā)生牽引式滑動，最終滑動面經(jīng)過右側(cè)坡肩附近。

(5)坡腳內(nèi)側(cè)0.16倍邊坡寬度處水平位移最大，最大位移在軟土層厚度的0.2倍處。

(6)滑動面之內(nèi)管樁樁底端基本未發(fā)生沉降，樁頂降低主要是傾斜造成的，邊坡范圍的3根樁樁頂與樁間土基本齊平或低于樁間土，其他管樁頂高于樁間土。

(7)左邊坡及坡肩附近的樁身上部位移大于樁間土位移，樁身中下部位移小于樁間土位移。靠近路基中線樁身位移大于樁間土位移。

(8)隆起量與加速度基本成線性關(guān)系。路堤開裂之后(30g左右)，沉降、水平位移與加速度的斜率增大；60g之后斜率又變緩，是路基滑動后達(dá)到新的平衡狀態(tài)所致。

(9)路基破壞過程應(yīng)為：樁間土荷載逐漸增大→樁間土位移逐漸增大→管樁逐漸傾倒→樁間距增大或樁承載力降低→樁間荷載進(jìn)一步增大→路基滑塌。因此路基破壞的根源是樁間土荷載過大導(dǎo)致管樁傾倒。

2.2 M2模型離心試驗(yàn)樁身彎矩

如圖14，15為樁身彎矩與深度和加速度的關(guān)系，從圖可以看出：

(1)管樁負(fù)彎矩(樁體內(nèi)側(cè)受拉)較小且在較小荷載下就開始出現(xiàn)正彎矩(樁體外側(cè)受拉)，說明管樁進(jìn)入硬土層長度較小時錨固效果差、容易傾斜。

(2)彎矩-加速度曲線拐點(diǎn)或峰值對應(yīng)的加速度多為40g，與路堤開裂時機(jī)基本吻合。

圖14 樁身彎矩-深度關(guān)系曲線

圖15 樁身彎矩-加速度關(guān)系曲線

2.3 M2模型離心試驗(yàn)樁身水平土壓力

圖16，17是嵌入方樁的微型土壓力盒(土壓力盒朝向路基中線一側(cè))測試的水平土壓力。由圖17可以看出：

(1)加速度10g時水平土壓力與深度基本成線性，說明測試的土壓力規(guī)律性較好。其后水平土壓力隨深度增大而增大，隨著加速度的增大而增大；

(2)加速度在40g(4-2樁)或50g(4-1樁)之后，水平土壓力隨加速度增大的速率增大；13 cm范圍內(nèi)，深度越大，水平土壓力與加速度的斜率越大，說明樁間土繞流趨勢逐漸增大，特別是軟土中部趨勢更明顯。

圖16 樁身水平土壓力-深度關(guān)系曲線

圖17 樁身水平土壓力-加速度關(guān)系曲線

(3)加速度大于10g后，樁身下部水平土壓力與深度的斜率大于樁身上部，說明樁土存在負(fù)摩擦力，越靠近樁頂端，樁土相對位移越大，負(fù)摩擦力發(fā)揮越充分。

2.4 M2模型離心試驗(yàn)樁身軸力

由圖18，19樁身軸力與深度、與加速度關(guān)系圖可見：

(1)樁身軸力不大，說明樁間土承擔(dān)較多荷載；

圖18 樁身軸力-深度關(guān)系曲線

圖19 樁身軸力-加速度關(guān)系曲線

(2)總體而言，隨著加速度增大，樁身某個深度的軸力先增大后減小，加速度達(dá)到40g～50g時樁身軸力達(dá)到最大值，稍遲于路堤開裂時間；

(3)加速度小于20g時，樁身軸力沿深度有增大的趨勢，其后變化規(guī)律不明顯。

3 試驗(yàn)綜合分析

試驗(yàn)的綜合分析將從剛性樁斷裂與豎向荷載實(shí)效關(guān)系分析、七種模型試驗(yàn)位移對比和受力對比三個角度來闡述。

3.1 剛性樁斷裂與豎向承載失效關(guān)系分析

表4是各階段對應(yīng)的加速度。由表4可知，軸力峰值與路基開裂對應(yīng)的加速度值接近，因此軸力衰減可以預(yù)警路基穩(wěn)定性。

表4 不同階段對應(yīng)的加速度

表5是剛性樁地基路基離心模型試驗(yàn)中剛性樁軸力峰值對應(yīng)的最大水平位移，剛性樁軸力峰值對應(yīng)的最大水平位移與軟土深度的比值為5.4%～14.9%，剛性樁軸力峰值前一級對應(yīng)的最大水平位移與軟土深度的比值為2.1%～7.45%。表6是CFG樁地基路基離心模型試驗(yàn)結(jié)束后路中線附近斷裂CFG樁處的實(shí)測最大水平位移，CFG樁斷裂時對應(yīng)的最大水平位移可能小于表中數(shù)值。

表5 剛性樁軸力峰值對應(yīng)最大水平位移

對比表5，6可知，剛性樁軸力峰值對應(yīng)的最大水平位移大于樁斷裂對應(yīng)的最大水平位移。因此剛性樁受彎斷裂后豎向承載力不一定馬上失效，路基也不會馬上失穩(wěn)，只有繼續(xù)加載、位移繼續(xù)加大才會導(dǎo)致剛性樁豎向承載力失效、路基失穩(wěn)。

表6 M5、M6路中線附近混凝土樁對應(yīng)最大水平位移

3.2 位移對比

(1)管樁復(fù)合地基軟土強(qiáng)度與位移對比

圖20為管樁復(fù)合地基軟土強(qiáng)度與位移對比圖，由圖20可知：

圖20 管樁復(fù)合地基軟土強(qiáng)度與位移對比

1) 各模型軟土不排水抗剪強(qiáng)度從小到大依次為：M3，M2，M1，M4，M3-1；沉降、隆起從小到大依次為M3-1，M3，M4，M2，M1；側(cè)向位移從小到大依次為M3-1，M4，M3，M2，M1。

2)M2，M3沉降、隆起、側(cè)向位移小于M1，而其強(qiáng)度也小于M1，說明復(fù)合地基穩(wěn)定性大于天然地基。

3)M3軟土強(qiáng)度小于M2，M1，M4，而沉降、隆起小于M2，M1，M4，說明樁頂設(shè)置連梁有利于路基穩(wěn)定。

4)M4沉降、隆起大于M3，但是軟土強(qiáng)度大于M3，說明增加強(qiáng)度深度的作用不如樁頂設(shè)置連梁。

(5)M2沉降、隆起大于M4，同時M2軟土強(qiáng)度大于M4，因此無法說明增加嵌固深度對路基穩(wěn)定的作用。

(2)CFG樁復(fù)合地基軟土強(qiáng)度與位移對比

圖21為和CFG樁復(fù)合地基軟土強(qiáng)度與位移的對比，由圖21可知：

1)軟土不排水抗剪強(qiáng)度由小到大依次為M6，M7，M1，M5，M4；隆起量、側(cè)向位移、沉降由小到大依次為M4，M6，M5，M7，M1。

2)M1隆起和沉降均大于M6，M7，且M1軟土不排水抗剪強(qiáng)度大于M6，M7，因此CFG樁復(fù)合地基相對天然地基的穩(wěn)定性高。

3)M6隆起量、側(cè)向位移、沉降小于M5，但M6軟土不排水抗剪強(qiáng)度小于M5，因此軟基厚度減小有利于復(fù)合地基穩(wěn)定性。

圖21 CFG樁復(fù)合地基軟土強(qiáng)度與位移對比

4)M7隆起量、側(cè)向位移、沉降大于M6，但M7軟土不排水抗剪強(qiáng)度大于M6，因此，剛性樁存在斷裂缺陷會降低路基穩(wěn)定性。

5)雖然M4的沉降和隆起均小于M6，但是M4軟土不排水抗剪強(qiáng)度大于M6，因此不能說明管樁復(fù)合地基穩(wěn)定性大于參數(shù)相同的CFG樁復(fù)合地基。

3.3 受力對比

七組離心模型試驗(yàn)的受力對比主要參照表7。

表7 不同試驗(yàn)的彎矩對比

由表7可以看出：

(1)由M2，M3，M3-1可知，嵌固深度為2d(d為剛性樁直徑)時，最大正彎矩大于最大負(fù)彎矩；由M4～M7可知，嵌固深度為7d時，最大負(fù)彎矩大于最大正彎矩。

(2)由M2，M3，M3-1可知，樁間土繞流時，軟土強(qiáng)度越大，繞流阻力越大，導(dǎo)致樁身彎矩越大。

4 結(jié) 論

論文基于七組離心模型試驗(yàn)，從試驗(yàn)方案、模型制作、試驗(yàn)結(jié)果和綜合分析，分析七個離心模型剛性樁斷裂時豎向承載失效關(guān)系、軟土地基沉降對比、剛性樁樁身彎矩對比，結(jié)果表明：

(1)剛性樁常見破壞模式為樁身傾倒和受彎斷裂，樁身最大正、負(fù)彎矩絕對值隨著加速度的增大而增大，當(dāng)樁身斷裂或傾倒時樁身彎矩變化規(guī)律差。而CFG樁通常受彎斷裂，軟硬土層交界處樁身彎矩可能大于樁身上部彎矩，CFG樁通常在該處和軟土層中部附近發(fā)生斷裂?；瑒用嬗扇沃本€組成，滑動面中部最明顯且最早出現(xiàn)，兩端不明顯。前端接近于被動區(qū)，后端接近于主動區(qū)。初始滑動面后壁往往誘發(fā)滑動面外側(cè)土體變形和坍塌。

(2)通常情況下坡腳內(nèi)側(cè)發(fā)生沉降，坡腳外側(cè)發(fā)生隆起；路基兩側(cè)軟土水平位移受到約束時，坡腳內(nèi)一定范圍內(nèi)也發(fā)生隆起。路基隆起量、沉降量、水平位移等與加速度基本呈線性關(guān)系，路基開裂對其影響不明顯；樁身軸力、水平土壓力隨加速度的變化規(guī)律在路基開裂前后產(chǎn)生變化。

(3)剛性樁復(fù)合地基可以有效提高路基穩(wěn)定性，增大嵌固深度、樁頂設(shè)置連梁均可提高路基穩(wěn)定性，樁頂設(shè)置連梁作用大于增大嵌固深度。加速度較小時，樁身斷樁缺陷并未影響樁身軸力的傳遞，但會降低路基穩(wěn)定性，軟土厚度變小可以提高路基穩(wěn)定性。剛性樁軸力峰值對應(yīng)的最大水平位移大于樁斷裂對應(yīng)的最大水平位移，剛性樁受彎斷裂后豎向承載力不一定馬上失效，路基也不會馬上失穩(wěn)。