劉珣

（國(guó)家鐵路局 規(guī)劃與標(biāo)準(zhǔn)研究院，北京 100055）

我國(guó)高速鐵路路基的設(shè)計(jì)已經(jīng)從“強(qiáng)度控制”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皬?qiáng)度+變形控制”，而軟土地基處理技術(shù)是制約鐵路路基工后沉降的關(guān)鍵。水泥粉煤灰碎石樁（Cement Fly?ash Gravel Pile，CFG 樁）復(fù)合地基處理技術(shù)具有施工速度快、工期短、造價(jià)低、質(zhì)量可控等優(yōu)點(diǎn)，已在鐵路工程軟土地基處理中得到廣泛的應(yīng)用［1］。CFG 樁復(fù)合地基主要采用樁網(wǎng)或樁筏結(jié)構(gòu)，適用于基礎(chǔ)變形控制嚴(yán)格的軟弱地基，已成功應(yīng)用于武廣客運(yùn)專線、鄭西客運(yùn)專線、哈大鐵路、京滬高速鐵路等項(xiàng)目［2-3］。國(guó)內(nèi)外關(guān)于CFG 樁復(fù)合地基的研究主要圍繞承載特性、沉降特性、樁體荷載分擔(dān)比、樁土應(yīng)力比、樁身軸力、樁側(cè)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(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等［4］。

關(guān)于地基穩(wěn)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(chǔ)下地基的破壞形式，對(duì)于鐵路柔性路基下的穩(wěn)定性和破壞模式的研究鮮見報(bào)道。英國(guó)規(guī)范中采用圓弧滑動(dòng)法來(lái)計(jì)算復(fù)合地基的穩(wěn)定性［6］。Ashour 等［7］考慮了樁間距、樁徑、土壤類型等對(duì)樁土相互作用的影響，建立了新的穩(wěn)定性分析方法。陳建峰等［8］采用圓弧滑動(dòng)極限平衡法分析了軟土路基上加筋路堤的穩(wěn)定性，并總結(jié)出加筋路堤的破壞可以分為圓弧內(nèi)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(duì)上軟下硬成層土地基中剛性樁復(fù)合地基支承路堤進(jìn)行了單排樁和群樁條件下路堤穩(wěn)定破壞機(jī)理的離心模型試驗(yàn)，研究了不同樁體抗彎剛度、抗彎強(qiáng)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(chǔ)，與剛性基礎(chǔ)下復(fù)合地基的變形和承載特性差異較大。雖然已經(jīng)開展了一些關(guān)于柔性路基下復(fù)合地基設(shè)計(jì)方法的研究，但是關(guān)于柔性路基下CFG 樁復(fù)合地基穩(wěn)定性及彎曲破壞模式的研究還不成熟，這給我國(guó)制定并完善鐵路路基相關(guān)規(guī)范帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)。因此，系統(tǒng)研究柔性路基下CFG 樁復(fù)合地基穩(wěn)定性及彎曲破壞模式，完善鐵路工程地基處理技術(shù)和地基設(shè)計(jì)方法是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 復(fù)合地基破壞模式

TB 10106—2010《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》給出復(fù)合地基中樁體的破壞模式有：刺入破壞、鼓脹破壞、滑動(dòng)剪切破壞、樁體剪切破壞和樁體壓潰破壞，見圖1。

圖1 復(fù)合地基破壞模式

目前采用的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法，只能分析剪切破壞模式，對(duì)于其他破壞模式（如彎曲破壞）無(wú)法判別。因此，采用邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法得出的穩(wěn)定系數(shù)即使?jié)M足路堤邊坡穩(wěn)定性時(shí)，也不能完全保證復(fù)合地基不發(fā)生破壞。

2 CFG樁彎曲破壞準(zhǔn)則

地基土的塑性變形是構(gòu)成CFG 樁變形的最重要因素，模型試驗(yàn)和離心試驗(yàn)均表明，CFG 樁可能產(chǎn)生彎曲破壞［10］。在邊坡穩(wěn)定性分析方法中，常用的方法有極限平衡法和強(qiáng)度折減法［11］。下面將采用極限平衡法對(duì)CFG 樁復(fù)合地基穩(wěn)定性和破壞模式進(jìn)行研究。在極限平衡法中，路堤和地基的整體穩(wěn)定性宜采用圓弧滑動(dòng)法計(jì)算。

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

當(dāng)樁頂存在軸向壓力時(shí)，壓彎破壞準(zhǔn)則表示為

式中：σb為樁身混凝土彎曲受壓應(yīng)力，kPa；Mmax為樁身最大彎矩，kN·m；W為抗彎截面系數(shù)，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(yīng)力，kPa。

在使用壓彎破壞準(zhǔn)則時(shí)，要重點(diǎn)考慮樁土相對(duì)剛度。當(dāng)樁土剛度比非常大時(shí)，樁間土可能發(fā)生繞樁體的流動(dòng)破壞，此時(shí)，土體的側(cè)向力無(wú)法施加到樁體上，不會(huì)產(chǎn)生壓彎破壞模式。當(dāng)樁土剛度比接近1 時(shí)，可能產(chǎn)生滑動(dòng)剪切破壞模式。

以C15混凝土CFG樁為例，其抗剪強(qiáng)度取700 kPa，填料綜合內(nèi)摩擦角取38°。填料綜合內(nèi)摩擦角和地基系數(shù)不同時(shí)，分別計(jì)算CFG 樁剪切破壞和彎曲破壞的復(fù)合地基穩(wěn)定系數(shù)（表1）。

表1 CFG樁剪切破壞和彎曲破壞復(fù)合地基穩(wěn)定系數(shù)

由表1可知，當(dāng)?shù)鼗禂?shù)較小時(shí)，CFG 樁彎曲破壞的穩(wěn)定系數(shù)小于剪切破壞的，說(shuō)明產(chǎn)生彎曲破壞的可能性較大；隨著地基系數(shù)的增大，CFG 樁彎曲破壞的穩(wěn)定系數(shù)與剪切破壞的相近；當(dāng)?shù)鼗禂?shù)較大且樁土剛度接近時(shí)，CFG 樁彎曲破壞的穩(wěn)定系數(shù)大于剪切破壞的，此時(shí)樁土復(fù)合地基剪切強(qiáng)度控制整個(gè)復(fù)合地基的穩(wěn)定性。

3 CFG樁加固前后穩(wěn)定性驗(yàn)算

3.1 工程概況

工點(diǎn)位于浙江省內(nèi)，屬平原地貌，地形平坦，地層從上到下分為5個(gè)大層，各層名稱及力學(xué)參數(shù)如下。

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

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

③1卵石土：樁周土極限側(cè)阻力90 kPa。

③2黏土：重度 18.5 kN/m3，黏聚力 38.0 kPa，內(nèi)摩擦角15.1°，樁周土極限側(cè)阻力40 kPa。

③3粉質(zhì)黏土：重度18.7 kN/m3，黏聚力50 kPa，內(nèi)摩擦角19.1°。樁周土極限側(cè)阻力55 kPa，樁尖土極限端阻力2 200 kPa。

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

④2碎石土：輕型重力動(dòng)力觸探標(biāo)準(zhǔn)值5～6 擊/（10 cm），樁周土極限側(cè)阻力90 kPa，樁尖土極限端阻力4 000 kPa。

⑤1全風(fēng)化凝灰?guī)r：黏聚力0 kPa，內(nèi)摩擦角35°，樁尖土極限端阻力8 000 kPa。

⑤2強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r：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(zhǎng)6.0～22.0 m。樁底嵌入碎石土不宜小于2.0 m，嵌入強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r不宜小于0.2 m。CFG樁施工完成后在樁頂鋪設(shè)0.6 m 厚碎石墊層，墊層內(nèi)鋪設(shè)1層土工格柵。

當(dāng)路堤填筑高度達(dá)到4.85 m 時(shí)，一段長(zhǎng)約50 m的路基在左線中心附近產(chǎn)生弧狀裂縫，寬度達(dá)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(nèi)形成兩級(jí)下沉，路堤右側(cè)坡腳施工便道隆起0.74 m。從左向右，第1 級(jí)下沉量為0.8 m，第2 級(jí)下沉量為1.64 m，路基坡腳與第2 級(jí)高差為2.37 m；臺(tái)階處形成多條環(huán)狀垂直裂縫，裂縫最大寬度約0.2 m。

3.2 加固前后地基穩(wěn)定性

為了分析復(fù)合地基穩(wěn)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(wěn)定性，采用瑞典條分法，各地層的參數(shù)見表2。

表2 計(jì)算參數(shù)覽表

未采用CFG 樁加固前，計(jì)算得出路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.67，圓弧半徑為8.46 m，滑動(dòng)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(jì)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(dòng)法計(jì)算抗滑力矩（表3），則復(fù)合地基的穩(wěn)定系數(shù)達(dá)1.218，滿足設(shè)計(jì)要求的穩(wěn)定系數(shù)1.20。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)開挖，發(fā)現(xiàn)樁的質(zhì)量問(wèn)題以及部分樁體發(fā)生彎曲破壞，是導(dǎo)致此次滑坍的重要因素。因此，有必要詳細(xì)研究CFG 樁彎曲破壞時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)及其影響因素。

圖2 CFG樁加固后的穩(wěn)定性計(jì)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(zhǎng)度

在采用瑞典條分法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，可以控制滑動(dòng)圓弧的半徑和懸臂段長(zhǎng)度。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于彎曲破壞，當(dāng)懸臂段長(zhǎng)度為4 m時(shí)，允許水平荷載為14 kPa，CFG 樁加固前、后復(fù)合地基穩(wěn)定系數(shù)分別變?yōu)?.692和1.116。說(shuō)明懸臂段長(zhǎng)度越小，力臂越小，所能提供的抗滑力矩越小（表3）。因此，在層狀地層中，CFG 樁加固后的復(fù)合地基穩(wěn)定系數(shù)要通過(guò)大量試算。而且CFG 樁加固后，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面與未加固情況下并不重疊。

4.2 穩(wěn)定系數(shù)

在計(jì)算CFG 樁復(fù)合地基穩(wěn)定系數(shù)時(shí)，復(fù)合地基黏聚力c復(fù)合按樁土面積置換率m采用樁土的抗剪強(qiáng)度τp與地基土黏聚力c土進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，即

在復(fù)合地基中采用圓弧滑動(dòng)法時(shí)，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面不會(huì)進(jìn)入復(fù)合地基，可以采用固定圓心和半徑的方法，取與無(wú)CFG 樁加固時(shí)相同的滑動(dòng)面，此時(shí)獲得的不同破壞模式下的穩(wěn)定系數(shù)見表4。

表4 不同破壞模式下CFG樁復(fù)合地基的穩(wěn)定系數(shù)

通過(guò)對(duì)比可見，考慮CFG 樁彎曲破壞的穩(wěn)定系數(shù)最小，與實(shí)際破壞模式相符。

4.3 成樁質(zhì)量

在本工程案例中，CFG 樁彎曲破壞時(shí)復(fù)合地基的穩(wěn)定系數(shù)為1.116，小于運(yùn)營(yíng)期所需的1.150，導(dǎo)致路基出現(xiàn)滑坍。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)開挖，發(fā)現(xiàn)路基出現(xiàn)滑坍的主要原因是部分CFG 樁成樁質(zhì)量不好，出現(xiàn)縮徑、開裂或斷樁現(xiàn)象。如果本例中取消1 根樁的抗滑力矩，計(jì)算得出的穩(wěn)定系數(shù)驟降至0.993，說(shuō)明此時(shí)的復(fù)合地基已經(jīng)處于非穩(wěn)定狀態(tài)，與實(shí)際情況相符。

在軟土地層中，由于側(cè)向約束力不大，CFG 樁成樁質(zhì)量不高，會(huì)產(chǎn)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(wèn)題。鑒于此，建議在CFG 樁復(fù)合地基的彎曲破壞穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算中，引入與成樁質(zhì)量相關(guān)的折減系數(shù)β，穩(wěn)定系數(shù)K的計(jì)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(dòng)力矩。

在軟土地層中出現(xiàn)縮徑、開裂、斷樁等情況后，復(fù)合地基樁土應(yīng)力會(huì)重新分布，建議折減系數(shù)β取0.8～1.0，當(dāng)土質(zhì)較差時(shí)，取小值；當(dāng)土質(zhì)較好時(shí)，取大值。

4.4 坡腳外加樁

在柔性樁復(fù)合地基中，普遍會(huì)在坡腳外增加1～2排樁，主要考慮加固圓弧滑動(dòng)面的剪出口范圍。在CFG 樁復(fù)合地基中，通常只限于路堤范圍內(nèi)加樁。但是當(dāng)路堤有下伏軟弱層時(shí)，可考慮在坡腳外設(shè)樁。

在坡腳外分別設(shè)0，1，2，3 排樁（圖3），計(jì)算路堤邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，結(jié)果見表5。

圖3 坡腳外加樁示意

表5 坡腳外設(shè)樁的路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)

可知，坡腳外加樁對(duì)路堤整體穩(wěn)定性有明顯改善。當(dāng)坡腳不設(shè)樁時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)為1.116；當(dāng)設(shè)置第1排樁時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)提高0.095；當(dāng)設(shè)置第2排樁時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)提高0.146；當(dāng)設(shè)置第3 排樁時(shí)，由于加固體在滑動(dòng)圓弧外面，對(duì)復(fù)合地基的穩(wěn)定系數(shù)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(wěn)定系數(shù)提高程度決定了坡腳處是否加樁。當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)不足時(shí)，建議坡腳設(shè)樁不超過(guò)2排。

4.5 加筋墊層

CFG 樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)一般會(huì)設(shè)計(jì)加筋墊層結(jié)構(gòu)，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(shí)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(shí)際復(fù)合地基失穩(wěn)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(jì)算了無(wú)樁、加樁、加樁+加筋情況下路基的穩(wěn)定性，筋材采用土工格柵，2%伸長(zhǎng)率對(duì)應(yīng)的拉力為21 kN/m，穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 考慮加筋墊層影響的路基穩(wěn)定系數(shù)

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(wěn)定性也明顯提高。這說(shuō)明筋材可通過(guò)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?shù)募s束條件，提高復(fù)合地基整體抗彎能力。

5 結(jié)論與建議

1）基于CFG 樁彎曲破壞模式計(jì)算得出的最危險(xiǎn)圓弧滑動(dòng)面與不加CFG 樁時(shí)不重疊，需要采用更智能的搜索計(jì)算方法確定加樁后復(fù)合地基的最小穩(wěn)定系數(shù)。

2）與復(fù)合地基剪切破壞模式和英國(guó)BS 8006?1：2010規(guī)范獲得的穩(wěn)定系數(shù)相比，基于彎曲破壞強(qiáng)度理論計(jì)算得出的CFG 樁復(fù)合地基穩(wěn)定系數(shù)最小，與實(shí)際情況相符。

3）對(duì)于CFG 樁加固復(fù)合地基，土質(zhì)較好時(shí)整體穩(wěn)定性較高，且潛在滑動(dòng)面在坡腳內(nèi)時(shí)坡腳外可不設(shè)置樁；當(dāng)土質(zhì)較差，需要CFG 樁提供側(cè)向抗滑力以減少?gòu)澢茐臅r(shí)，可設(shè)置1～2排樁。

4）加筋墊層可以在樁頂施加一個(gè)拉力，并以水平約束的方式施加到樁頂，提高CFG 樁承受側(cè)向荷載的能力，從而提高樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)合地基的穩(wěn)定系數(shù)，降低彎曲破壞發(fā)生的概率。