作者簡(jiǎn)介：

盧照磊（1992—），工程師，研究方向：道路橋梁工程。

為研究路堤樁基在軟土地基邊坡工程中的作用機(jī)理，文章建立了樁基加固軟土邊坡的有限元模型，分析了不同加固位置和樁長(zhǎng)度對(duì)軟土邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：（1）樁基的不同加固位置對(duì)軟土邊坡的安全系數(shù)和變形量有顯著影響，當(dāng)加固位置為邊坡右側(cè)時(shí)，安全系數(shù)比加固位置為邊坡左側(cè)的高出近50%；（2）不同加固位置的樁基剪應(yīng)力主要集中在-4～-1 m的區(qū)域，樁基在該區(qū)域更易受到破壞；（3）樁長(zhǎng)為3 m時(shí)，軟土邊坡的安全系數(shù)滿足工程規(guī)范要求，但變形量相對(duì)較大，最大變形可達(dá)120 mm，且變形主要集中在路堤右側(cè)，是樁長(zhǎng)為6 m和9 m時(shí)路堤豎向變形的20～30倍；（4）在工程施工過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)剪應(yīng)力和位移的分布情況，采取合理措施調(diào)整樁基加固位置和長(zhǎng)度等施工方案。

樁基；邊坡；軟土地基；加固；穩(wěn)定性

U416.1+4A260933

0?引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，許多偏遠(yuǎn)山區(qū)陸續(xù)修建公路和鐵路，經(jīng)常會(huì)遇到軟黏土質(zhì)邊坡填筑的路堤。軟土邊坡不應(yīng)僅視為邊坡基礎(chǔ)和軟土路基的簡(jiǎn)單組合，因此，研究在軟土地基邊坡上修建路堤的可行性至關(guān)重要。軟土地基通常具有傾斜的土層面，地基土松散、力學(xué)強(qiáng)度低，壓縮性高，給邊坡穩(wěn)定、路堤填筑施工和路塹開(kāi)挖帶來(lái)一定困難［1］。此外，在邊坡、軟土層和路堤自重的影響下，同時(shí)還承受車輛荷載，易出現(xiàn)沉降不均、側(cè)向變形過(guò)大等工程問(wèn)題。在傾斜的軟土地基上修建大型工程項(xiàng)目時(shí)，易發(fā)生邊坡失穩(wěn)［2］。因此，需采取經(jīng)濟(jì)合理的有效措施以加固邊坡，減小變形，增大邊坡的安全系數(shù)［3］。國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程實(shí)踐表明，樁基在邊坡加固工程中具有明顯優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的應(yīng)用。工程中可采用樁基加固來(lái)滿足路堤穩(wěn)定性的要求［4］。姜彥彬等［5］在土體自重和豎向荷載條件下，對(duì)比樁加筋邊坡和無(wú)筋邊坡，進(jìn)行了一系列模型試驗(yàn)。黃延等［6］研究建立了考慮不同埋深和樁位的三維邊坡加固微抗滑樁模型。胡燁之等［7］使用PLAXIS-3D軟件，研究了土質(zhì)邊坡、不排水粘聚力、樁土界面粘附力、樁徑和樁帽對(duì)黏土坡頂樁橫向承載力的影響。張國(guó)軍等［8］分析了用于穩(wěn)定邊坡的樁的最佳位置問(wèn)題。然而，關(guān)于樁基加固斜坡軟土路堤的穩(wěn)定性仍待進(jìn)一步研究。為了滿足工程規(guī)范要求，有必要研究邊坡軟土路堤的穩(wěn)定性和樁基加固的效果。

本文采用有限元分析法和強(qiáng)度折減法相結(jié)合的方法對(duì)樁基加固軟土邊坡路堤進(jìn)行研究，建立了樁基-路堤模型，研究了樁基的位置和長(zhǎng)度對(duì)路堤穩(wěn)定性的影響，對(duì)比了不同加固方案對(duì)邊坡軟土路堤穩(wěn)定性和樁基力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果對(duì)樁基加固軟土邊坡路堤的設(shè)計(jì)具有參考意義。

1?模型的建立

本文基于一個(gè)典型的軟土地基邊坡路堤工程，利用ABAQUS建立了樁基-路堤模型。為了減少模型邊界效應(yīng)對(duì)有限元分析的影響，本文模型長(zhǎng)度設(shè)置為120 m，路堤坡度設(shè)置為1∶1.85，軟土層厚度為3 m，坡度為9°，如圖1所示。該模型由路堤填料、軟土層和下臥剛性層組成。模型的左右兩側(cè)在水平方向上受到約束，底部在水平和豎直方向上受到限制，路堤和坡面是自由狀態(tài)。土體和樁之間的接觸是硬接觸，采用平面應(yīng)變四邊形單元對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

本文在建立軟土地基邊坡路堤工程時(shí)，只考慮了土體自重的影響，沒(méi)有考慮地震、降雨和降雪等其他因素。數(shù)值模型的安全系數(shù)采用有限元分析，結(jié)合強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算。樁基在位置1、位置2、位置3、位置4、位置5和位置6點(diǎn)進(jìn)行加固，如圖1所示。相鄰樁基之間的間距為5 m，樁徑為0.8 m，樁基彈性模量為32 GPa。路堤填土層和軟土層采用摩爾-庫(kù)倫理論，模擬土體的力學(xué)強(qiáng)度，下伏剛性層和樁基采用彈性本構(gòu)模型。路堤填土層的彈性模量設(shè)置為110 MPa，泊松比為0.37，重度為19.5 kN/m3，內(nèi)摩擦角取28°。軟土地基土的彈性模量設(shè)置為15 MPa，泊松比為0.35，重度為18.5 kN/m3。

2?分析與討論

本文研究了不同樁基位置和長(zhǎng)度對(duì)軟土地基邊坡路堤穩(wěn)定性的影響，主要包括路堤的豎直方向變形和安全系數(shù)，以及樁基的剪應(yīng)力和水平位移。本文研究中路堤變形未考慮方向?qū)ψ冃沃档挠绊懀Q向變形為數(shù)值模型在垂直方向上的位移。

2.1?強(qiáng)度折減方法

有限元分析方法具有計(jì)算簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，強(qiáng)度折減法被廣泛采用于計(jì)算邊坡的安全系數(shù)。因此，本文采用有限元分析法與強(qiáng)度折減法相結(jié)合，對(duì)樁基加固軟土地基邊坡上的路堤進(jìn)行了研究。強(qiáng)度折減法是通過(guò)逐漸降低邊坡的強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)分析邊坡穩(wěn)定性，直到邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)，折減系數(shù)是邊坡的安全系數(shù)。對(duì)于摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，當(dāng)使用有限元強(qiáng)度折減法時(shí)，需要將c和tan值除以強(qiáng)度折減因子Fs，以獲得一組新的強(qiáng)度參數(shù)，然后進(jìn)行有限元分析，并通過(guò)公式反復(fù)計(jì)算，直到邊坡土體達(dá)到臨界失效狀態(tài)。臨界狀態(tài)對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)是邊坡的安全系數(shù)，具體如公式1所示。

其中，F(xiàn)s是強(qiáng)度折減系數(shù)，c是土體的內(nèi)聚力，φ是土體的內(nèi)摩擦角。強(qiáng)度折減方法可以在ABAQUS中實(shí)施，通過(guò)設(shè)置和調(diào)整材料參數(shù)，使其隨現(xiàn)場(chǎng)變量而變化。模型計(jì)算經(jīng)過(guò)多次迭代后不收斂，根據(jù)相應(yīng)穩(wěn)定性分析的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得到安全系數(shù)。

2.2?樁基加固位置

為了研究軟土地基邊坡路堤上樁基加固位置的影響，建立了六個(gè)模型，分別對(duì)位置1、位置2、位置3、位置4、位置5和位置6進(jìn)行了樁基加固。相鄰樁基之間的距離為5 m，樁徑為0.8 m，樁長(zhǎng)為6 m。分析了不同加固位置對(duì)軟土地基邊坡路堤安全系數(shù)的影響，具體結(jié)果如圖2所示。當(dāng)加固位置從1變?yōu)槲恢?時(shí)，安全系數(shù)增大，安全系數(shù)從1.587增加到1.661。當(dāng)加固位置為1或位置2時(shí)，其安全系數(shù)較高，這意味著在此處進(jìn)行樁基加固可以更好地提高邊坡的穩(wěn)定性。當(dāng)加固位置為位置2時(shí)，安全系數(shù)比位置5高出近50%，比位置6高出近40%。

除此之外，本文還研究了不同加固位置對(duì)軟土地基邊坡路堤表面豎向方向變形的影響。在圖3中，橫軸是從軟土地基邊坡路堤表面上的任意點(diǎn)到路堤表面右端的距離。如圖3所示，軟土地基邊坡路堤的變形從路堤表面的右側(cè)向左側(cè)逐漸減小，變形主要集中在路堤表面的右側(cè)。此外，不同的加固位置對(duì)路堤表面的變形有很大的影響。例如，當(dāng)位置5用樁基加固時(shí)，路堤變形比位置1用樁基加固顯著增大。如圖3（a）所示，對(duì)位置1或位置2進(jìn)行加固，與其他位置相比，路堤的變形可以得到更好的控制效果。當(dāng)位置1或位置2單獨(dú)加固時(shí)，詳細(xì)分析了模型路堤表面垂直變形的差異，如圖3（b）所示。如果位置1用樁基加固，路堤表面的橫向變形較位置2更有效地減少，豎向變形量幾乎接近零。

綜合上述分析，當(dāng)路堤的右下部分，位置1至位置3處采用樁基加固時(shí)，與其他位置相比，樁基可以更有效地提高路堤的穩(wěn)定性。不同加固位置的樁基剪應(yīng)力如圖4所示，剪應(yīng)力主要集中在-1～-4 m的區(qū)域，因此樁基在該區(qū)域更容易受到破壞。對(duì)于不同位置加固的模型，當(dāng)在位置2、位置3、位置4、位置5和位置6分別加固時(shí)，樁基的平均剪應(yīng)力從位置2到位置6逐漸降低。雖然在位置1用樁基加固的數(shù)值模型中，樁基承受的剪應(yīng)力很小，但路堤的穩(wěn)定性有一定改善［9］。

2.3?樁基長(zhǎng)度

相鄰樁之間的距離為5 m，坡度為9°。為分析樁基長(zhǎng)度對(duì)軟土地基邊坡的安全系數(shù)、路堤變形和樁基力學(xué)性能的影響，用樁基加固不同位置，樁基從右到左依次記為1號(hào)樁、2號(hào)樁、3號(hào)樁、4號(hào)樁、5號(hào)樁和6號(hào)樁。改變有限元模型中樁長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，樁徑設(shè)置為0.8 m，樁間距為5 m，分析樁長(zhǎng)為3 m、6 m和9 m時(shí)，樁基長(zhǎng)度對(duì)邊坡安全系數(shù)、路堤表面變形和樁基力學(xué)性能的影響。樁長(zhǎng)為3 m、6 m和9 m時(shí)，安全系數(shù)均取為4。當(dāng)樁基數(shù)量為6時(shí)，樁基長(zhǎng)度對(duì)安全系數(shù)的影響很小，軟土邊坡上的路堤保持相對(duì)穩(wěn)定。

不同長(zhǎng)度的樁基對(duì)路堤表面變形的影響不同。當(dāng)樁長(zhǎng)分別為6 m和9 m時(shí)，路堤表面的變形約為5 mm，這表明當(dāng)樁長(zhǎng)為6 m和9 m時(shí)，不僅可以符合邊坡工程安全系數(shù)的要求，同時(shí)路堤表面的豎向變形也可以得到較好控制。樁長(zhǎng)3 m時(shí)，雖然路堤的安全系數(shù)符合工程規(guī)范要求，但路堤的變形相對(duì)較大，最大變形可達(dá)120 mm。此時(shí)，變形主要集中在路堤右側(cè)，是樁長(zhǎng)為6 m和9 m時(shí)路堤豎向變形的約20～30倍，過(guò)量的變形對(duì)堤防工程的正常運(yùn)行與維護(hù)產(chǎn)生重大不利影響。因此，當(dāng)采用樁基加固路堤時(shí)，應(yīng)選擇合適的樁長(zhǎng)來(lái)控制路堤的豎向變形，增加樁的長(zhǎng)度可以顯著減小軟土地基邊坡路堤的變形量［10］。

圖5為不同長(zhǎng)度樁基情況下的軟土地基邊坡的水平方向位移曲線，對(duì)比了長(zhǎng)度為3 m和6 m時(shí)的情況，圖5（a）的樁長(zhǎng)為3 m，圖5（b）的樁長(zhǎng)為6 m。如圖5所示，樁基的水平方向位移受樁長(zhǎng)的影響同樣較大，水平位移主要集中在樁的下部。當(dāng)樁基長(zhǎng)度從3 m增加到6 m時(shí)，樁基底部的位移顯著減小。例如，對(duì)于1號(hào)樁，樁基底部的位移減少了約80%。當(dāng)樁基長(zhǎng)度從6 m增加到9 m時(shí)，樁基的水平位移主要集中在所有樁基的底部且呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，各樁基底部的水平位移結(jié)果較為相似。

基于上述分析，結(jié)果表明，增加樁的長(zhǎng)度可以減少各樁基的水平位移，但當(dāng)群樁長(zhǎng)度超過(guò)一定范圍時(shí)，樁長(zhǎng)繼續(xù)增加，樁基的水平位移不會(huì)持續(xù)減小。因此，在軟土邊坡上用樁基加固路堤時(shí)，有必要選擇合適的樁長(zhǎng)，既能充分利用樁基，又節(jié)約成本。為了更好地為工程樁基設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，對(duì)樁基的力學(xué)性能進(jìn)行了分析。當(dāng)樁長(zhǎng)度為6 m時(shí)，樁基上的剪應(yīng)力比樁長(zhǎng)為3 m時(shí)波動(dòng)更明顯，樁基所承受的剪應(yīng)力集中在樁基的-4～-6 m處，約為-60～-100 Pa。當(dāng)群樁長(zhǎng)度為9 m時(shí)，相較于3 m的群樁長(zhǎng)度，各樁基上的剪應(yīng)力隨著樁長(zhǎng)的增加，樁基的剪應(yīng)力波動(dòng)范圍較小。樁長(zhǎng)度對(duì)樁基剪應(yīng)力的分布有較顯著影響。在工程施工過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)剪應(yīng)力和位移的分布情況，采取合理措施調(diào)整樁基施工方案。

3?結(jié)語(yǔ)

本文采用有限元分析方法，研究了不同加固位置和樁長(zhǎng)對(duì)邊坡軟土路堤穩(wěn)定性的影響，并分析了軟土地基邊坡路堤中樁基的位移和剪應(yīng)力。結(jié)論如下：

（1）不同的樁基加固位置對(duì)路堤的穩(wěn)定性和豎向變形量有不同影響，在邊坡最右側(cè)加固的安全系數(shù)比邊坡最左側(cè)可高出近50%。

（2）邊坡軟土地基路堤的變形主要集中在路堤的右側(cè)坡腳。適當(dāng)?shù)臉堕L(zhǎng)對(duì)路堤的豎向變形有顯著的約束作用，長(zhǎng)度為3 m的樁的最大豎向變形約是樁長(zhǎng)為6 m和9 m的20～30倍。當(dāng)邊坡軟土路堤采用不同樁長(zhǎng)的群樁加固時(shí)，樁基的水平位移最多可降低約80%。

（3）不同的樁長(zhǎng)對(duì)樁基的剪應(yīng)力分布有影響。其中，樁基的水平位移受樁長(zhǎng)的影響較大，水平位移主要集中在樁的下部。當(dāng)樁基長(zhǎng)度增加時(shí)，樁基底部的位移顯著減小。

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