許源華 譚化川 劉 品

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

素混凝土樁屬于剛性樁的一種，同時具有抗彎剪承載力和抗壓承載力，在處理深厚軟基時具有較多優(yōu)勢。

眾多學者對剛性樁復(fù)合地基路堤穩(wěn)定性問題開展了研究。部分學者采用離心模型試驗、數(shù)值模擬分析等方法研究了剛性樁抗彎承載力對處理后的路堤穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果表明：不同部位的剛性樁對路堤穩(wěn)定性的作用不同，受彎斷裂是路堤剛性樁的主要破壞模式，且剛性樁發(fā)生漸進性破壞[1-4]。劉吉福等提出的修正密度法可以合理分析滑塌工程穩(wěn)定性[5]，但剛性樁承載力發(fā)揮程度遠大于樁間土承載力發(fā)揮程度，因此路堤計算的安全系數(shù)通常偏大。楊堅[6]提出剛性樁樁身的水平位移從樁頂至樁底逐漸減少，同時因樁身剛度和強度均很大，導致發(fā)生破壞時，樁體整體傾斜先于樁身局部破壞。

針對剛性樁復(fù)合地基的豎向承載力現(xiàn)也有較多研究。吳春林等[7]對天然地基和單樁、復(fù)合地基的現(xiàn)場靜載試驗結(jié)果和樁、土壓力的測定結(jié)果進行對比分析，根據(jù)樁、土的受力特性，提出按照面積比疊加土體和樁的承載力來計算復(fù)合地基承載力的簡易計算公式，并將簡易計算公式計算的結(jié)果與工程實測資料進行對比分析，驗證了簡易計算公式的可行性。費康等[8]假設(shè)考慮剛性樁復(fù)合地基的豎向變形，忽略水平向變形，從土體平衡條件出發(fā)并考慮幾何、物理方程，最后由邊界條件得到了復(fù)合地基沉降計算的簡化公式。此公式可通過已知沉降量計算得到復(fù)合地基的承載力，并得到了工程上的驗證。

綜上所述，大量學者對剛性樁加固地基進行了充分地研究，取得一系列有用的結(jié)論[9-10]。為進一步驗證剛性樁對軟土基礎(chǔ)的加固效果，本文以實際工程為研究對象，在充分利用剛性樁的抗彎剪承載力和抗壓承載力的基礎(chǔ)上，擬采用“素混凝土樁+反壓護道”的治理方案，對軟土地基進行處理，并運用三維有限差分軟件FLAC3D對處理方案進行計算分析，分析過程充分考慮樁土-耦合效應(yīng)，以驗證該方案的合理可行性，為素混凝土樁在軟基路堤滑坡的治理中提供借鑒及參考。

1 分析方法

傳統(tǒng)的理論計算方法一般采用簡化Bishop法、不平衡推力法等極限平衡法，這些方法計算方便、應(yīng)用廣泛。但由于方法中引入了許多簡化假定，無法準確反映實際施工工序及樁土-耦合效應(yīng)等對土體變形的影響，存在一定的局限性。

有限元軟件FLAC3D是基于有限差分法的數(shù)值分析軟件。該軟件可以較好地模擬地質(zhì)材料在達到強度極限或屈服極限后發(fā)生的破壞或塑性流動，特別適用于分析巖土工程漸進破壞失穩(wěn)過程及大變形模擬。同時其內(nèi)置的結(jié)構(gòu)樁單元可以通過具有彈簧性能的link單元與周圍土體連接，能有效地模擬素混凝土樁復(fù)合地基的樁土-耦合效應(yīng)。因此，本項目擬采用FLAC3D程序?qū)浲谅坊M行模擬，計算路基填筑過程中不同施工階段的變形受力情況，同時模擬素混凝土樁的抗彎剪加固效果，以期準確預(yù)測施工過程中復(fù)合地基整體的穩(wěn)定性和變形量。

2 工程實例

2.1 工程概況

貴州省某高速公路K12+440-K12+800段為填方路基，原設(shè)計最大填高20.25 m。場區(qū)位于巖溶洼地內(nèi)，四周地勢較高，中間地勢較低，場區(qū)內(nèi)巖溶消水洞較發(fā)育。路基邊坡地面橫坡較緩，基底為硬塑狀粉質(zhì)黏土，路基填料為粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等軟質(zhì)巖與粉質(zhì)黏土混合體。

由于未及時完善臨時排水措施，原有的消水通道被堵塞，地表水匯積于洼地內(nèi)，導致地基土層軟化。由于填方基底存在一個軟弱層，在路基施工過程中，路基填筑地面以上10 m左右時，路堤邊坡發(fā)生滑動和塌陷，其中K12+516.747-K12+595段滑坡后緣出現(xiàn)最大裂縫約50 cm，錯臺高度約為170 cm，前緣發(fā)生隆起。K12+600涵洞出口處發(fā)生塌陷，K12+600-K12+640段路堤右側(cè)也有不同程度裂縫出現(xiàn)，K12+600處涵洞未發(fā)生明顯變形。

場區(qū)內(nèi)的覆蓋層主要由人工填土、紅黏土、碎石土組成，基巖為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r，該場地的巖土組成，見圖1。

圖1 典型工程地質(zhì)橫斷面圖(尺寸單位:m)

人工填土。黑褐色煤系地層的粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等，厚5～10.7 m。

紅黏土(Qel+dl)。褐黃色，軟塑至可塑狀，含碎石，表層為耕植土，含少量植物根系；其間夾約10%～20%的灰?guī)r碎石，粒徑小于2 cm，鉆探及物探揭露厚度7.5～16.3 m。

碎石土(Qel+dl)。褐黃色，結(jié)構(gòu)松散～稍密，碎石含量約50%，粒徑2～5 cm，成分為灰?guī)r，鉆探揭露厚度4.0～12.7 m。

強風化灰?guī)r?；疑?，薄～中厚層狀，節(jié)理較發(fā)育，局部有溶蝕現(xiàn)象，巖體較完整，巖質(zhì)軟，巖芯呈柱狀、碎塊狀，鉆探揭露厚3.0～6.0 m。

中風化灰?guī)r。灰色，薄～中厚層狀，節(jié)理少量發(fā)育，巖體完整，巖質(zhì)較硬，巖芯多呈柱狀，極少量呈碎塊狀。

深厚軟基工程采用C20素混凝土樁復(fù)合地基進行處理。以樁直徑為0.5 m、樁間距為1.4 m或1.6 m分區(qū)設(shè)置素混凝土樁。在進行地基處理前，先將現(xiàn)已填筑的路基進行全部清除。采用復(fù)合地基處理完成，經(jīng)檢測合格后開始填筑路基，路基填料采用具有透水性、抗風化能力強的硬質(zhì)巖石料。在填方邊坡坡腳設(shè)置反壓護道，反壓護道寬度約為17 m、高度為7 m，坡率為1∶2，反壓護道基底進行4 m超挖后，然后回填硬質(zhì)巖石渣。

2.2 治理效果評價

運用有限差分軟件FLAC3D模擬治理前及設(shè)置素混凝土樁后填方體的受力及變形情況，在FLAC3D中對巖土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型巖土計算參數(shù)，結(jié)果見表1，對素混凝土樁采用彈性模型進行模擬，采用FLAC3D中結(jié)構(gòu)單元pile進行模擬，參數(shù)取值見表2。在此基礎(chǔ)上進行填方體沉降、整體穩(wěn)定性、樁-土相互作用的模擬。

分析采用的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型的理論基礎(chǔ)是Mohr強度理論，是一種彈塑性本構(gòu)模型。該模型不但可以有效地體現(xiàn)出填方體的壓縮沉降變形，同時還可以很好的反應(yīng)其整體穩(wěn)定性。

表1 巖土計算參數(shù)

表2 樁單元的主要物理力學參數(shù)

2.2.1治理前模擬

根據(jù)實際地質(zhì)情況，K12+580段地質(zhì)情況較為典型，因此選取該斷面進行計算。按照各地層厚度建立三維模型，三維模型見圖2。采用實際參數(shù)對其進行賦值，根據(jù)現(xiàn)場施工工序?qū)μ罘郊虞d過程進行模擬，進而對路基進行沉降計算和填方路堤整體穩(wěn)定性分析評價。

圖2 三維模型圖

在未進行素混凝土樁復(fù)合地基處理前，隨著填方體的加載，當填筑到10 m高左右時(完成第二級填方)，填方體本身及其下部的黏土層產(chǎn)生壓縮沉降，其豎向位移云圖見圖3。由圖3可見，人工填土層的最大沉降量為0.19 m，黏土層的最大沉降量為0.10 m。

圖3 土體豎向位移云圖(填筑完成第二級填方)(單位：m)

隨著第一級填方體的填筑，填方體由沉降變形發(fā)展為整體滑移失穩(wěn)，豎向變形發(fā)展為填方體中部向下沉降，坡腳向上擠出，由位移云圖4可以清晰的看出滑面的位置，最大位移位于坡腳，位移量達到4.5 m，基本能反映現(xiàn)場情況。

圖4 土體位移云圖(填筑完成)(單位：m)

2.2.2素混凝土樁模擬

在填方體填筑之前。對軟基采用素混凝土樁進行治理，素混凝土樁呈正三角形布置，間距1.4 m，樁徑0.5 m，在坡腳增設(shè)反壓護道，建模見圖5。

圖5 三維模型圖(樁單元)

在進行素混凝土樁復(fù)合地基處理后，隨著填方體的加載，當填筑完成時，填方體本身產(chǎn)生較為顯著的沉降，其豎向位移云圖見圖6，由圖6可知，最大沉降量為0.122 m，其下部的黏土層沉降量較小，豎向位移滿足規(guī)范要求。

圖6 土體豎向位移云圖(增設(shè)素混凝土樁)(單位：m)

樁體豎向位移云圖見圖7。由圖7可知，豎向位移主要產(chǎn)生在填方體正下方，最大沉降量為0.025 m。

樁體水平向位移云圖見圖8，由圖8可知，樁體位移主要為水平向位移，樁在抵抗滑坡推力時產(chǎn)生了變形，最大位移值為0.049 m。

圖8 樁體水平向位移云圖(單位：m)

樁體水平力云圖見圖9。由圖9可見，樁體在抵抗滑坡推力時產(chǎn)生了水平力，最大值為255 kN，說明樁體在滑坡推力下承擔一定的剪切力。

圖9 樁體水平力云圖(剪力)(單位：kN)

樁體同時在xoz平面內(nèi)存在彎矩，尤其是在坡腳位置，達到最大值約9 kN·m，說明樁體在滑坡推力下承擔了一定的彎矩，樁在xoz平面的彎矩云圖見圖10。

圖10 樁在xoz平面彎矩云圖(單位：kN·m)

由以上數(shù)值計算可以看出，在未設(shè)置復(fù)合地基時，填方體填筑后沉降及穩(wěn)定性均不能滿足規(guī)范要求，在施加素混凝土樁復(fù)合地基后，填方體沉降最大值為0.04 m，滿足規(guī)范要求。樁體起到了抗滑移的效果，其最大水平位移為0.049 m。利用FLAC3D自帶程序采用強度折減法計算填方體的穩(wěn)定性，其整體穩(wěn)定性系數(shù)為1.35，滿足規(guī)范要求。因此，變更設(shè)計方案有效合理。

2.2.3計算結(jié)果分析

將數(shù)值模擬的結(jié)果與理論計算進行對比分析，匯總見表3。

表3 穩(wěn)定安全系數(shù)及工后沉降對照表

由表3可見，2種方法的計算結(jié)果相近。路堤和地基的整體穩(wěn)定性安全計算中，數(shù)值模擬計算結(jié)果較傳統(tǒng)理論計算結(jié)果大，是由于計算路堤和地基的整體穩(wěn)定性時，理論計算將剛性樁的抗剪作用等效為樁-土聯(lián)合體的綜合抗剪強度，而數(shù)值模擬充分考慮了每根素混凝土樁的抗剪作用及樁-土共同作用的效果；沉降計算結(jié)果中，數(shù)值模擬計算結(jié)果較傳統(tǒng)理論計算結(jié)果偏小，理論計算將剛性樁的壓縮性能等效為復(fù)合地基的綜合壓縮模量，而數(shù)值模擬充分考慮了每根素混凝土樁的豎向變形及樁-土相互作用的效果。由對比結(jié)果可以得出，數(shù)值模擬與傳統(tǒng)計算結(jié)果相差不大，但在計算中充分考慮了剛性樁對工程的影響，因此計算結(jié)果更接近實際。經(jīng)素混凝土樁復(fù)合地基治理后的路基穩(wěn)定性及沉降滿足《公路路基設(shè)計規(guī)范》要求，治理措施合理有效。

2.3 實施效果

ZK12+450-ZK12+750段軟土路基滑坡治理已于2017年8月完成治理，同年9月該高速公路建成通車。自通車運營以來，監(jiān)控顯示路基穩(wěn)定，沉降值在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，說明復(fù)雜軟土路基治理成功，實施方法得當。

3 結(jié)語

該段高填方軟土路基為巖溶區(qū)域深厚軟基、規(guī)模較大的復(fù)雜滑坡體，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，對其進行分析研究后得出以下結(jié)論。

1) 充分利用素混凝土樁的抗彎剪能力和提高承載力的特點，采用素混凝土樁進行復(fù)合地基處理，既解決了整體穩(wěn)定性問題，同時又解決了承載力問題，對以后工程建設(shè)具有借鑒作用。

2) 采用FLAC3D能有效地模擬素混凝土樁的變形受力和樁-土共同作用，能準確地預(yù)測隨著施工過程的推進，路基的穩(wěn)定性及沉降量。通過樁單元的位移和內(nèi)力分析驗證了素混凝土樁的抗彎剪能力。數(shù)值模擬計算得出的路基沉降及路基穩(wěn)定安全系數(shù)與理論計算較為接近。

3) 本治理方案采用素混凝土樁復(fù)合地基對深層軟土路基滑坡進行治理，同時考慮排水、反壓護道等非支擋措施，使治理方案達到安全、經(jīng)濟、合理、環(huán)保的要求，經(jīng)過精密施工，該路段現(xiàn)已通車，治理效果良好。