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        路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基失穩(wěn)破壞模式判別方法

        2021-07-12 09:40:16陸清元
        鐵道建筑技術(shù) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:滑面樁體高強(qiáng)度

        陸清元

        (中鐵二十三局集團(tuán)有限公司 四川成都 610072)

        1 引言

        高強(qiáng)度樁復(fù)合地基是指以具有較高抗壓抗彎強(qiáng)度的黏結(jié)材料樁作為豎向增強(qiáng)體的復(fù)合地基。由于其能顯著提高地基承載力、減小沉降變形、增強(qiáng)地基穩(wěn)定性,在路基工程軟基處理中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。然而,即使采用高強(qiáng)度樁加固軟弱地基,路堤地基失穩(wěn)工程事故也時(shí)有發(fā)生[3]96,主要是由于當(dāng)前對(duì)高強(qiáng)度樁復(fù)合地基失穩(wěn)破壞特性認(rèn)識(shí)尚不成熟,尤其是國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范中缺乏高強(qiáng)度樁復(fù)合地基破壞模式判別方法。因此,建立適用于路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基失穩(wěn)破壞模式的合理判別方法尤為必要[4]。

        目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基破壞模式的研究具有代表性的是天津大學(xué)鄭剛課題組[5-7]及日本 Kitazume 團(tuán)隊(duì)[8-9]。通過數(shù)值分析和離心模型試驗(yàn)等手段,研究了路堤荷載、地基條件、樁身材料特性、樁端錨固深度等影響因素對(duì)高強(qiáng)度樁復(fù)合地基破壞模式的影響,得到了較為一致的結(jié)論,即路堤下樁體復(fù)合地基發(fā)生失穩(wěn)破壞與樁體抗彎能力有關(guān),當(dāng)樁體抗彎強(qiáng)度較高時(shí),樁體易發(fā)生整體傾斜破壞;當(dāng)樁體抗彎強(qiáng)度較低時(shí),樁體易發(fā)生彎折破壞。另外,對(duì)于極弱土中短樁,若滑動(dòng)面位于樁端之下,樁體的抗滑貢獻(xiàn)得不到發(fā)揮,表現(xiàn)為樁端下土體發(fā)生剪切破壞。

        上述研究成果對(duì)于認(rèn)識(shí)路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基破壞模式具有重要意義,但由于高強(qiáng)度樁復(fù)合地基破壞模式影響因素較多,目前還沒有相關(guān)破壞模式的判別方法。為此,本文綜合考慮地基條件、樁身材料抗彎能力、滑面下錨固深度等復(fù)合地基穩(wěn)定因素,基于滑動(dòng)面上樁身材料抗彎能力與滑動(dòng)面下樁前土體抗滑力矩間的大小關(guān)系,建立高強(qiáng)度樁復(fù)合地基樁端滑移、樁體傾斜和樁體彎折破壞模式的判別準(zhǔn)則和控制條件,以期為路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基穩(wěn)定設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

        2 路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基典型破壞模式

        (1)樁端滑移破壞

        若樁身長(zhǎng)度小于滑動(dòng)面深度,失穩(wěn)滑面位于樁端之下時(shí),此時(shí)樁體全部位于滑面之內(nèi),樁體發(fā)生水平向滑移破壞,其破壞模式表現(xiàn)為圖1中滑面內(nèi)樁與樁間土沿水平面發(fā)生整體移動(dòng)。

        圖1 路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基典型破壞模式

        (2)樁體傾斜破壞

        當(dāng)樁體強(qiáng)度及抗彎剛度較高時(shí),樁身極限抗彎能力足以抵抗樁后土體產(chǎn)生的滑動(dòng)力,樁體將發(fā)生側(cè)向傾斜破壞,具體表現(xiàn)為樁與樁間土沿某一方向同時(shí)發(fā)生側(cè)向傾斜,破壞模式如圖1所示。

        (3)樁體彎折破壞

        若樁身長(zhǎng)度大于滑面深度時(shí),滑面下地基土對(duì)樁體提供抗滑錨固力,當(dāng)樁體強(qiáng)度及抗彎剛度較低時(shí),樁后土體產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩大于樁身極限抗彎能力,樁體易發(fā)生如圖1所示的樁體脆性彎折破壞。

        3 高強(qiáng)度樁復(fù)合地基破壞模式分析及判別方法

        3.1 滑動(dòng)面上樁后土體產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩

        地基失穩(wěn)時(shí)樁后土體對(duì)樁體施加主動(dòng)土壓力,從而引起樁身被動(dòng)受力。對(duì)于具有較高材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的素混凝土樁、CFG樁等高強(qiáng)度樁,樁身材料極限彎矩MU可以抵抗側(cè)向土壓力產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩MD。取極限穩(wěn)定狀態(tài)分析,即路堤發(fā)生整體失穩(wěn)的一瞬間,所有樁體均沿最危險(xiǎn)滑動(dòng)面發(fā)生彎曲破壞,此時(shí)樁后側(cè)向土壓力產(chǎn)生的下滑力矩達(dá)到樁身材料極限彎矩,即MD=MU。樁身極限抗彎強(qiáng)度MU可根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(2015版)》(GB 50010—2010)[10]按式(1)進(jìn)行確定。

        式中:γ為樁截面抵抗矩塑性影響系數(shù);ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。W為樁彎曲截面系數(shù),矩形W=lb2/6,b為沿彎矩作用方向的邊長(zhǎng),一般b為長(zhǎng)邊,l為短邊,圓形 W =πd3/32。h 為截面高度(mm),當(dāng) h<400時(shí),取 h=400,當(dāng) h>1 600時(shí),取 h=1 600;對(duì)圓形、環(huán)形截面,取h=2r,其中r為圓形截面半徑或環(huán)形截面外環(huán)半徑。γm為樁截面抵抗矩塑性影響系數(shù)基本值,矩形截面取1.55,圓形或環(huán)形截面取1.6~0.24r1/r,其中r1為環(huán)形截面的內(nèi)環(huán)半徑,圓形截面取r1=0。

        3.2 滑動(dòng)面下樁前土體提供的抗滑力矩

        為保證樁體復(fù)合地基穩(wěn)定承載,設(shè)計(jì)時(shí)不僅要保證樁體結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定,還要保證樁周土體不發(fā)生剪切破壞,地基橫向容許承載力不應(yīng)低于樁前被動(dòng)土壓力和樁后主動(dòng)土壓力之差。當(dāng)?shù)孛鏌o橫坡或橫坡較小時(shí),地基y點(diǎn)的橫向容許承載力按式(2)進(jìn)行計(jì)算。

        式中:[σH]為地基橫向容許承載力;σa、σb分別為樁后主動(dòng)和樁前被動(dòng)土壓應(yīng)力;γ、c、φ分別為滑動(dòng)面下土體的重度、黏聚力和內(nèi)摩擦角;L為滑動(dòng)面與樁身交點(diǎn)距地基平面間的距離;y為滑動(dòng)面至計(jì)算點(diǎn)的距離。

        對(duì)于滑動(dòng)面以下的樁體部分,對(duì)樁底求矩可得到如式(3)所列的滑動(dòng)面下樁前土體橫向抗滑力矩MS,計(jì)算模式如圖2所示。

        圖2 滑動(dòng)面下樁前土體橫向抗滑力矩計(jì)算模式

        式中:σ1、σ2、σ3、σ4分別為深度 L、y1(樁間土參數(shù))、y1(持力層參數(shù))、y2處樁前土體的橫向容許承載力,可按式(4)~式(7)進(jìn)行計(jì)算。

        考慮到樁體與樁周土之間存在一定的間隙,因此在計(jì)算樁前土體橫向抗滑力矩MS時(shí),橫向承載力取容許橫向承載力的 1/3,即 σ1= [σH]1/3、σ2=[σH]2/3、σ3=[σH]3/3 和 σ4=[σH]4/3。

        將式(4)~式(7)代入式(3)即可得到滑動(dòng)面下樁前土體橫向抗滑力矩MS。

        3.3 高強(qiáng)度樁復(fù)合地基破壞模式判別方法

        路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基失穩(wěn)破壞模式受地基條件、樁身材料抗彎能力、滑面下樁體錨固深度等因素的影響。通過對(duì)比滑動(dòng)面上樁身材料抗彎強(qiáng)度提供的滑動(dòng)力矩與滑動(dòng)面下樁前土壓力提供的抗滑力矩大小,構(gòu)建了路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基樁端滑移破壞、樁體傾斜破壞和樁體彎折破壞的判別準(zhǔn)則和控制條件,即:

        (1)當(dāng)樁身總長(zhǎng)度小于或等于滑面深度,即h≤L時(shí),路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基失穩(wěn)破壞模式為樁端滑移破壞。

        (2)當(dāng)樁前土體橫向抗滑力矩MS大于樁身極限抗彎強(qiáng)度MU(MS>MU),路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基破壞模式為樁體傾斜破壞。

        (3)當(dāng)樁前土體橫向抗滑力矩MS不大于樁身極限抗彎強(qiáng)度MU(MS≤MU),路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基破壞模式為樁體彎折破壞。

        4 工程案例分析

        4.1 CFG樁復(fù)合地基失穩(wěn)工程案例

        東南沿海某高速鐵路DKXX+673.82~DKXX+810路基段處兩座山體邊緣,基底為斜坡狀態(tài),采用C15強(qiáng)度CFG樁進(jìn)行軟基加固,加固寬度為路堤坡腳外1.5 m。復(fù)合地基設(shè)計(jì)參數(shù)為樁徑0.5 m,樁間距1.6 m,正方形布置,樁長(zhǎng)9.5~13.5 m,樁頂鋪設(shè)0.6 m厚碎石墊層,墊層內(nèi)鋪設(shè)一層土工格室。

        路基設(shè)計(jì)填土高度9.5 m,實(shí)際填土高度約5.9 m(含工作墊層)時(shí),路基頂面發(fā)現(xiàn)細(xì)小裂縫轉(zhuǎn)而右側(cè)發(fā)生坍塌。坍塌從路基中心開始,右半幅向線路外側(cè)整體滑移坍塌,事后開挖調(diào)查發(fā)現(xiàn),該CFG樁復(fù)合地基承載力檢算符合規(guī)范要求,失穩(wěn)破壞由樁體彎折破壞所致,如圖3所示[3]96-102。

        圖3 DK XX+790段路堤坍塌及開挖現(xiàn)場(chǎng)

        4.2 計(jì)算模型及參數(shù)

        基于工點(diǎn)案例,建立了相應(yīng)的穩(wěn)定分析模型,模型剖面如圖4所示。計(jì)算模型中路堤高度5 m,路基面寬度24.6 m,各土層厚度、土體重度、土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ取現(xiàn)場(chǎng)勘察參數(shù)。需要說明的是1#、2#和3#樁嵌入強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r深度很小,對(duì)地基整體穩(wěn)定性影響可以不計(jì),計(jì)算時(shí)忽略了該土層所提供的抗滑效應(yīng)。

        圖4 計(jì)算模型剖面(單位:m)

        4.3 結(jié)果分析及驗(yàn)證

        基于建立的計(jì)算模型,采用二維極限平衡瑞典條分法進(jìn)行路堤下CFG樁復(fù)合地基穩(wěn)定性計(jì)算,計(jì)算結(jié)果合理性在于滑動(dòng)面的確定。為得到真實(shí)的CFG樁復(fù)合地基失穩(wěn)破壞危險(xiǎn)滑動(dòng)面,首先以無樁天然地基危險(xiǎn)滑動(dòng)面為基礎(chǔ),根據(jù)滑動(dòng)面確定滑動(dòng)面上部各樁初始樁體長(zhǎng)度L,進(jìn)而將滑面上部樁體抗彎強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)面上樁體等效抗剪強(qiáng)度;然后將各樁等效抗剪強(qiáng)度賦值再進(jìn)行第二次計(jì)算,即可得到新的滑動(dòng)面及各樁新的等效抗剪強(qiáng)度。以此類推,直至前后兩次得到的路堤穩(wěn)定安全系數(shù)基本一致時(shí)即可得到真實(shí)的滑動(dòng)面。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn),第3次和第4次得到的穩(wěn)定安全系數(shù)均為0.617,取第3次計(jì)算得到的滑動(dòng)面來進(jìn)行復(fù)合地基破壞模式的判斷,結(jié)果如表1所示。

        表1 CFG樁復(fù)合地基破壞模式判別計(jì)算結(jié)果

        從表1可以看出,1?!?2#樁樁前土體橫向抗滑力矩MS均遠(yuǎn)大于樁身極限抗彎強(qiáng)度MU,根據(jù)本文提出的高強(qiáng)度樁復(fù)合地基失穩(wěn)破壞判別方法,該復(fù)合地基失穩(wěn)為樁體發(fā)生彎折破壞所致,這與工程案例現(xiàn)場(chǎng)開挖樁體彎折破壞結(jié)果相一致,表明本文提出的路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基失穩(wěn)破壞判別方法的合理性。

        5 結(jié)束語

        基于高強(qiáng)度樁復(fù)合地基易發(fā)生的樁端滑移、樁體傾斜和樁體彎折破壞等三種典型破壞模式,提出路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基失穩(wěn)破壞模式判別方法,并形成以下結(jié)論:

        (1)根據(jù)地基條件、樁身抗彎能力、滑面下錨固深度等因素對(duì)復(fù)合地基穩(wěn)定性影響機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基樁端滑移、樁體傾斜和樁體彎折等三種典型破壞模式的劃分。

        (2)基于滑動(dòng)面上樁身材料抗彎能力與滑動(dòng)面下樁前土體抗滑力矩間的大小關(guān)系,建立了路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基樁端滑移破壞、樁體傾斜破壞和樁體彎折破壞模式的判別準(zhǔn)則和控制條件。

        (3)基于某高速鐵路CFG樁復(fù)合地基失穩(wěn)破壞工程案例,驗(yàn)證了提出的路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基破壞模式判別方法的合理性,可為路堤下高強(qiáng)度樁復(fù)合地基穩(wěn)定設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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