仇紅超

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510507）

0 引言

在我國(guó)東部、華南等沿海地區(qū)，軟土分布廣泛，有一部分高速公路或鐵路修筑在軟土地基上，由于軟土層具有抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高、含水率高、承載力低等特點(diǎn)，工程性質(zhì)差，因此必須采取合理的軟基處理方式來提高地基承載力和路堤穩(wěn)定性［1-2］，并減小路堤工后沉降。剛性樁復(fù)合地基因具有承載力高、路堤穩(wěn)定性較好、工后沉降小、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)，已在高速公路和鐵路等地基處理案例中得到了廣泛應(yīng)用［3］，但是也存在不少剛性樁路堤出現(xiàn)滑塌、開裂、沉降過大等工程事故，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

造成剛性樁復(fù)合地基失穩(wěn)的原因有多種，比如施工樁體質(zhì)量較差、樁體保護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致樁體傾斜、路堤土堆載過快等［4］，以及現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算復(fù)合地基穩(wěn)定性采用的傳統(tǒng)極限平衡法，假定滑動(dòng)面上土體與樁體發(fā)生剪切破壞，往往會(huì)高估路堤抗滑移破壞能力［5］。針對(duì)剛性樁復(fù)合地基的路堤穩(wěn)定性研究，眾多學(xué)者做了大量的相關(guān)研究，鄭剛等人［6］開展了較低抗彎剛度和強(qiáng)度的剛性樁復(fù)合地基離心模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)坡腳附近部分樁體首先在軟硬土層交界面附近發(fā)生彎曲破壞，最后部分樁體發(fā)生整體傾覆或二次彎曲破壞而使路堤失穩(wěn)；楊新煜［7］通過離心模型試驗(yàn)對(duì)素混凝土樁復(fù)合地基研究發(fā)現(xiàn)，路堤下不同位置樁體的破壞具有先后順序，路肩下樁體是維持路堤穩(wěn)定的關(guān)鍵；張東卿［8］歸納總結(jié)剛性樁復(fù)合地基的各種失穩(wěn)破壞模式，計(jì)算各破壞模式下樁體的最小抗滑力，并利用極限平衡法得到復(fù)合地基的穩(wěn)定安全系數(shù)。

本文介紹了廣東某高速公路某路段采用管樁進(jìn)行軟基處理時(shí)出現(xiàn)路堤滑塌的事故，利用現(xiàn)有常用路堤穩(wěn)定性分析方法，分析路堤滑塌的原因，提出了失穩(wěn)路堤處治方案并驗(yàn)證方案的合理性，可為類似的工程設(shè)計(jì)、施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 管樁復(fù)合地基失穩(wěn)概況

廣東某高速公路K26+208～K26+320 段地形地貌為沖積平原區(qū)，路線左側(cè)臨近河道，右側(cè)為菜地、水田，局部路段有魚塘，K26+208～K26+271 為一般路基段填土高度為8.4～9.2 m，原設(shè)計(jì)采用管樁方案，樁長(zhǎng)17.5 m，轉(zhuǎn)間距2.8 m，采用正方形布樁。K26+271～K26+331 為橋頭路段，填土高度9.2～9.3 m，原設(shè)計(jì)采用管樁方案，樁長(zhǎng)17.5 m，橋臺(tái)前處理器樁間距2.2 m，橋頭過渡段采用樁間距漸變方式布樁。

現(xiàn)場(chǎng)施工管樁采用預(yù)應(yīng)力PHC樁，樁徑為30 cm，壁厚不小于7 cm，管樁離心混凝土強(qiáng)度為C70，樁頂設(shè)置1.2 m×1.2 m×0.35 m 的C25 鋼筋混凝土樁帽，褥墊層采用30 cm 碎石墊層，碎石墊層頂部和底部各鋪設(shè)一層雙向鋼塑土工格柵，管樁采用靜壓法分段開展管樁施工（先施工右幅，后施工左幅）。施工進(jìn)度情況如表1所示。現(xiàn)場(chǎng)滑塌情況如圖1所示。

表1 路基施工過程Tab.1 Embankment Construction Process

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察情況，本路段揭露了約8.5 m 厚的軟土層，各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 各土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.2 Physical and Mechanical Parameters of Each Soil Layer

1.3 失穩(wěn)原因分析

1.3.1 設(shè)計(jì)分析

現(xiàn)有公路地基處理相關(guān)規(guī)范對(duì)剛性樁復(fù)合地基穩(wěn)定性計(jì)算采用圓弧滑動(dòng)法，假定樁體與土體發(fā)生剪切破壞，復(fù)合地基內(nèi)滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度采用復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度τps，可按式⑴進(jìn)行計(jì)算：

式中：τp為樁體抗剪強(qiáng)度；τs為樁體抗剪強(qiáng)度；m為樁土面積置換率。

利用式⑴，采用圓弧滑動(dòng)法計(jì)算得到復(fù)合地基穩(wěn)定系數(shù)為2.15，滿足相關(guān)規(guī)范安全系數(shù)1.2 要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查失穩(wěn)管樁路基，管樁樁體只發(fā)生傾斜而并未發(fā)生剪切破壞，故采用相關(guān)規(guī)范計(jì)算方法得到的路堤穩(wěn)定安全系數(shù)高估了路堤穩(wěn)定性。

1.3.2 施工分析

該路段原地貌為魚塘，魚塘底部為飽和流塑狀淤泥層（厚度約6 m），含水量＞80%，抗剪強(qiáng)度約15 kPa，極限承載力約80 kPa，流塑狀淤泥極大降低了樁間土的復(fù)合承載力；同時(shí)，原路基橫斷面地面線自左向右呈斜坡狀，對(duì)路基穩(wěn)定性造成不利影響。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，管樁樁體只發(fā)生傾斜而并未發(fā)生剪切破壞，可以判斷樁體質(zhì)量較好，由于該路段征地拆遷困難，無法提供道路紅線外施工便道，施工便道設(shè)于右幅路基范圍，重型運(yùn)輸車輛長(zhǎng)期通行于右幅路基填筑段，可能導(dǎo)致部分管樁在重型車擠壓下發(fā)生傾斜。且該路段工期較為緊張，路面結(jié)構(gòu)層施工過于密集，集中快速的加載以及水穩(wěn)料、瀝青運(yùn)輸車輛通行時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)荷載疊加，致使地基承載力瞬間突破臨界點(diǎn)。

2 失穩(wěn)路基處治方案研究

2.1 失穩(wěn)路基處治方案

針對(duì)已失穩(wěn)的路基進(jìn)行處治，為加快施工進(jìn)度，且綜合考慮造價(jià)等影響因素，處治方案為采用補(bǔ)打管樁處治，先將填土卸載至原管樁樁帽1.5 m處，整平地面后補(bǔ)打管樁，管樁樁間距采用2.4 m，樁體直徑為40 cm，樁身強(qiáng)度為C80，設(shè)計(jì)平均樁長(zhǎng)32 m，為保證樁體不受傾斜，管樁樁帽縱橫向設(shè)置C40鋼筋混凝土系梁連接。

2.2 數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，建立有限元數(shù)型［9］（見圖2）。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)建立的有限元數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，得到各施工工況下地基沉降值，其中施工期末與運(yùn)營(yíng)期末的地基沉降云圖如圖3所示，計(jì)算結(jié)果顯示，施工期末的路基中心沉降為19.1 cm，運(yùn)營(yíng)期末路基中心沉降為24.8 cm，因此路堤工后沉降為5.7 cm，滿足規(guī)范要求的橋頭路段工后沉降小于10 cm要求。

將數(shù)值模擬沉降值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降對(duì)比如表3 所示?？芍瑢?shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)稍小于數(shù)值模擬結(jié)果，主要原因?yàn)楝F(xiàn)狀路基失穩(wěn)前已進(jìn)行預(yù)壓過，沉降已完成部分，但數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值誤差在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬過程的正確性。

表3 沉降數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Comparison of Settlement Data （cm)

采用強(qiáng)度折減法分析復(fù)合地基穩(wěn)定安全系數(shù)［10-11］，對(duì)樁周土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行折減，不斷降低樁周土體抗剪強(qiáng)度，直到樁-土體系達(dá)到極限破壞為止。對(duì)于摩爾-庫(kù)侖材料的屈服準(zhǔn)則的抗剪強(qiáng)度過程如式⑵所示：

c′=c/FS，tanφ′=tanφ/FS⑵

根據(jù)上述計(jì)算原理，利用數(shù)值模型計(jì)算得到路堤穩(wěn)定安全系數(shù)為1.806，計(jì)算得到的地基土體應(yīng)力云圖如圖4 所示，由計(jì)算結(jié)果可以看出填土基本無明顯貫穿性塑性滑動(dòng)區(qū)，塑性變形主要集中在樁頂附近，因此可以判斷采用管樁補(bǔ)打路基處理后，地基沉降和穩(wěn)定均可滿足要求。

上述數(shù)模計(jì)算得到管樁樁體應(yīng)力如圖5 所示，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，靠近坡腳處樁體主要受彎曲應(yīng)力，路堤中心下樁體主要承受壓應(yīng)力，因此坡腳處的樁體對(duì)路堤穩(wěn)定性的作用更為重要，實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以考慮增強(qiáng)坡腳處樁體強(qiáng)度或者對(duì)坡腳處的樁間距進(jìn)行加密，可以有效提高路堤的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

本文以廣東某高速公路管樁復(fù)合地基失穩(wěn)事故為例，研究了剛性樁復(fù)合地基失穩(wěn)的原因，并通過數(shù)值模擬方法，研究了失穩(wěn)路基處治方案的合理性，得到結(jié)論如下：

⑴該案例管樁失穩(wěn)原因主要因?yàn)樵O(shè)計(jì)采用現(xiàn)有規(guī)范的極限平衡法會(huì)高估路堤的穩(wěn)定性，以及施工過程重型運(yùn)輸車輛長(zhǎng)期通行于右幅路基填筑段，導(dǎo)致部分管樁在重型車擠壓下發(fā)生傾斜。

⑵通過有限元數(shù)值模擬方法驗(yàn)證了采用補(bǔ)打管樁處治失穩(wěn)路堤的合理性，通過將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)值對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性，并采用強(qiáng)度折減法，計(jì)算路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.806，因此驗(yàn)證采用管樁方案路堤工后沉降與穩(wěn)定安全系數(shù)均可滿足規(guī)范要求。

⑶通過數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，靠近坡腳處的樁體主要承載彎曲應(yīng)力，對(duì)路堤的穩(wěn)定性影響較大，工程設(shè)計(jì)中可考慮增強(qiáng)坡腳處樁體強(qiáng)度或者對(duì)坡腳處的樁間距進(jìn)行加密，進(jìn)而增強(qiáng)路堤穩(wěn)定性。