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        單排樁條件下的高邊坡剛性樁復(fù)合地基的失穩(wěn)破壞機(jī)理探究

        2018-12-18 19:34:06陳梓華李浩
        世界家苑 2018年12期
        關(guān)鍵詞:復(fù)合地基穩(wěn)定性有限元

        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(diǎn)關(guān)注問(wèn)題,其對(duì)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全以及國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)都會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。本文基于廣東清遠(yuǎn)萬(wàn)科城八期的實(shí)際工程,使用MIDAS/GTS軟件,運(yùn)用二維有限元計(jì)算方法,對(duì)單排樁條件下剛性樁(PHC管樁)復(fù)合地基上高邊坡(擋墻邊坡)進(jìn)行失穩(wěn)破壞機(jī)理探究。

        關(guān)鍵詞:擋墻邊坡;剛性樁;復(fù)合地基;有限元;穩(wěn)定性

        0 引言

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

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

        對(duì)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(jī)制,以三維模擬分析方法來(lái)研究剛性樁加固軟弱地基上路堤穩(wěn)定性問(wèn)題;吳春秋[3]等將極限平衡法和數(shù)值方法并用,分析低強(qiáng)度樁(攪拌樁等)復(fù)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(fù)合地基邊坡中的二者之一,很少有對(duì)剛性樁復(fù)合地基高邊坡(擋墻邊坡)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

        本文以廣東清遠(yuǎn)萬(wàn)科城八期項(xiàng)目為依托,針對(duì)某標(biāo)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(jī)理進(jìn)行探究。

        1 有限元計(jì)算分析

        1.1 基本算例

        (1)計(jì)算模型

        基于廣東清遠(yuǎn)萬(wàn)科城八期項(xiàng)目的實(shí)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(gè)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(gè)水平方向的位移,底邊界限制其兩個(gè)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(kù)倫模型,擋墻邊坡和地基土體各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。對(duì)于土體彈性模量,參照廣東省標(biāo)準(zhǔn)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S][5],取值為勘察報(bào)告當(dāng)中對(duì)應(yīng)土體的標(biāo)貫擊數(shù)的2.2倍,單位為MPa。

        (3)樁體及各等效參數(shù)

        計(jì)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(qiáng)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(yàn)值為kN·m,極限抗剪強(qiáng)度檢驗(yàn)值等效為495kN/m?,計(jì)算過(guò)程參考預(yù)應(yīng)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(jì)結(jié)果,將A、B、C和D樁對(duì)應(yīng)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(duì)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(shì)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(dāng)=3m時(shí),均小于1,說(shuō)明PHC管樁仍未發(fā)生彎曲破壞,但當(dāng)=4m時(shí),A樁和B樁的最大值分別為1.04和1.05,說(shuō)明其在樁頂下12m處已經(jīng)受彎破壞。而對(duì)于C樁和D樁,,但經(jīng)強(qiáng)度折減法分析可知,當(dāng)=4m時(shí),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(yīng)力分布

        由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)繪制成圖,A、B、C和D樁對(duì)應(yīng)于填土高度分別為3m及4m的樁身剪應(yīng)力分布情況如圖4所示。對(duì)于每一根樁,分別比較=3m和4m的情況,可知樁身剪應(yīng)力分布的總體趨勢(shì)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(dá)到自身的極限抗剪強(qiáng)度,即。即通過(guò)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(duì)樁身彎矩和剪應(yīng)力分布進(jìn)行分析可知,當(dāng)對(duì)邊坡?lián)鯄Σ捎脝闻艠兜膹?fù)合地基處理時(shí),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(qiáng)度。

        在以上分析當(dāng)中,B樁所受的彎矩最大,針對(duì)B樁樁體的破壞模式進(jìn)一步探究。當(dāng)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(dá)到815.12kN·m,即,樁體發(fā)生彎曲破壞,而此時(shí)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(duì)擋墻邊坡下的單排樁復(fù)合地基進(jìn)行了數(shù)值分析,由于主要利用數(shù)值分析方法進(jìn)行探究,缺少實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果以支撐結(jié)論。如果條件允許,應(yīng)用足夠的試驗(yàn)去加以證明,如李帥等以大量的離心模型試驗(yàn)[7]對(duì)路堤邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)理進(jìn)行分析。

        此外,根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范來(lái)看,其中并無(wú)給出剛性樁復(fù)合地基的穩(wěn)定分析方法,尤其是針對(duì)擋墻邊坡的情況。因此希望其日后能夠有所補(bǔ)充,為設(shè)計(jì)工作提供指導(dǎo)性幫助,從而避免設(shè)計(jì)人員不得不盲目依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì),減少邊坡失穩(wěn)事故。

        參考文獻(xiàn)(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(wèn)題(Ⅱ)——群樁條件下的分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào). 2010, 32(12): 1811-1820.

        [3] 吳春秋,肖大平. 復(fù)合地基加固路堤的穩(wěn)定性分析[J]. 巖土力學(xué). 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(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)用計(jì)算方法及其應(yīng)用[C]. 2005.

        [6] 中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院組織編制. 國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集.預(yù)應(yīng)力混凝土管樁[M]. 中國(guó)計(jì)劃出版社, 2010.

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

        (作者單位:華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院)

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