路堤下高強度樁復合地基失穩破壞模式判別方法

陸清元

（中鐵二十三局集團有限公司 四川成都 610072）

1 引言

高強度樁復合地基是指以具有較高抗壓抗彎強度的黏結材料樁作為豎向增強體的復合地基。由于其能顯著提高地基承載力、減小沉降變形、增強地基穩定性，在路基工程軟基處理中得到了廣泛應用[1－2]。然而，即使采用高強度樁加固軟弱地基，路堤地基失穩工程事故也時有發生[3]96，主要是由于當前對高強度樁復合地基失穩破壞特性認識尚不成熟，尤其是國內外相關規范中缺乏高強度樁復合地基破壞模式判別方法。因此，建立適用于路堤下高強度樁復合地基失穩破壞模式的合理判別方法尤為必要[4]。

目前，國內外關于路堤下高強度樁復合地基破壞模式的研究具有代表性的是天津大學鄭剛課題組[5－7]及日本 Kitazume 團隊[8－9]。通過數值分析和離心模型試驗等手段，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高強度樁復合地基破壞模式的影響，得到了較為一致的結論，即路堤下樁體復合地基發生失穩破壞與樁體抗彎能力有關，當樁體抗彎強度較高時，樁體易發生整體傾斜破壞；當樁體抗彎強度較低時，樁體易發生彎折破壞。另外，對于極弱土中短樁，若滑動面位于樁端之下，樁體的抗滑貢獻得不到發揮，表現為樁端下土體發生剪切破壞。

上述研究成果對于認識路堤下高強度樁復合地基破壞模式具有重要意義，但由于高強度樁復合地基破壞模式影響因素較多，目前還沒有相關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合地基穩定因素，基于滑動面上樁身材料抗彎能力與滑動面下樁前土體抗滑力矩間的大小關系，建立高強度樁復合地基樁端滑移、樁體傾斜和樁體彎折破壞模式的判別準則和控制條件，以期為路堤下高強度樁復合地基穩定設計提供依據。

2 路堤下高強度樁復合地基典型破壞模式

（1）樁端滑移破壞

若樁身長度小于滑動面深度，失穩滑面位于樁端之下時，此時樁體全部位于滑面之內，樁體發生水平向滑移破壞，其破壞模式表現為圖1中滑面內樁與樁間土沿水平面發生整體移動。

圖1 路堤下高強度樁復合地基典型破壞模式

（2）樁體傾斜破壞

當樁體強度及抗彎剛度較高時，樁身極限抗彎能力足以抵抗樁后土體產生的滑動力，樁體將發生側向傾斜破壞，具體表現為樁與樁間土沿某一方向同時發生側向傾斜，破壞模式如圖1所示。

（3）樁體彎折破壞

若樁身長度大于滑面深度時，滑面下地基土對樁體提供抗滑錨固力，當樁體強度及抗彎剛度較低時，樁后土體產生的滑動力矩大于樁身極限抗彎能力，樁體易發生如圖1所示的樁體脆性彎折破壞。

3 高強度樁復合地基破壞模式分析及判別方法

3．1 滑動面上樁后土體產生的滑動力矩

地基失穩時樁后土體對樁體施加主動土壓力，從而引起樁身被動受力。對于具有較高材料結構強度的素混凝土樁、CFG樁等高強度樁，樁身材料極限彎矩MU可以抵抗側向土壓力產生的滑動力矩MD。取極限穩定狀態分析，即路堤發生整體失穩的一瞬間，所有樁體均沿最危險滑動面發生彎曲破壞，此時樁后側向土壓力產生的下滑力矩達到樁身材料極限彎矩，即MD＝MU。樁身極限抗彎強度MU可根據《混凝土結構設計規范（2015版）》（GB 50010—2010）[10]按式（1）進行確定。

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

3．2 滑動面下樁前土體提供的抗滑力矩

為保證樁體復合地基穩定承載，設計時不僅要保證樁體結構安全穩定，還要保證樁周土體不發生剪切破壞，地基橫向容許承載力不應低于樁前被動土壓力和樁后主動土壓力之差。當地面無橫坡或橫坡較小時，地基y點的橫向容許承載力按式（2）進行計算。

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

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

圖2 滑動面下樁前土體橫向抗滑力矩計算模式

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

考慮到樁體與樁周土之間存在一定的間隙，因此在計算樁前土體橫向抗滑力矩MS時，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）即可得到滑動面下樁前土體橫向抗滑力矩MS。

3．3 高強度樁復合地基破壞模式判別方法

路堤下高強度樁復合地基失穩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。通過對比滑動面上樁身材料抗彎強度提供的滑動力矩與滑動面下樁前土壓力提供的抗滑力矩大小，構建了路堤下高強度樁復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則和控制條件，即：

（1）當樁身總長度小于或等于滑面深度，即h≤L時，路堤下高強度樁復合地基失穩破壞模式為樁端滑移破壞。

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

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

4 工程案例分析

4．1 CFG樁復合地基失穩工程案例

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，采用C15強度CFG樁進行軟基加固，加固寬度為路堤坡腳外1.5 m。復合地基設計參數為樁徑0.5 m，樁間距1.6 m，正方形布置，樁長9.5～13.5 m，樁頂鋪設0.6 m厚碎石墊層，墊層內鋪設一層土工格室。

路基設計填土高度9.5 m，實際填土高度約5.9 m（含工作墊層）時，路基頂面發現細小裂縫轉而右側發生坍塌。坍塌從路基中心開始，右半幅向線路外側整體滑移坍塌，事后開挖調查發現，該CFG樁復合地基承載力檢算符合規范要求，失穩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場

4．2 計算模型及參數

基于工點案例，建立了相應的穩定分析模型，模型剖面如圖4所示。計算模型中路堤高度5 m，路基面寬度24.6 m，各土層厚度、土體重度、土體抗剪強度指標c、φ取現場勘察參數。需要說明的是1＃、2＃和3＃樁嵌入強風化凝灰巖深度很小，對地基整體穩定性影響可以不計，計算時忽略了該土層所提供的抗滑效應。

圖4 計算模型剖面（單位：m）

4．3 結果分析及驗證

基于建立的計算模型，采用二維極限平衡瑞典條分法進行路堤下CFG樁復合地基穩定性計算，計算結果合理性在于滑動面的確定。為得到真實的CFG樁復合地基失穩破壞危險滑動面，首先以無樁天然地基危險滑動面為基礎，根據滑動面確定滑動面上部各樁初始樁體長度L，進而將滑面上部樁體抗彎強度轉化為滑動面上樁體等效抗剪強度；然后將各樁等效抗剪強度賦值再進行第二次計算，即可得到新的滑動面及各樁新的等效抗剪強度。以此類推，直至前后兩次得到的路堤穩定安全系數基本一致時即可得到真實的滑動面。通過計算發現，第3次和第4次得到的穩定安全系數均為0.617，取第3次計算得到的滑動面來進行復合地基破壞模式的判斷，結果如表1所示。

表1 CFG樁復合地基破壞模式判別計算結果

從表1可以看出，1＃～12＃樁樁前土體橫向抗滑力矩MS均遠大于樁身極限抗彎強度MU，根據本文提出的高強度樁復合地基失穩破壞判別方法，該復合地基失穩為樁體發生彎折破壞所致，這與工程案例現場開挖樁體彎折破壞結果相一致，表明本文提出的路堤下高強度樁復合地基失穩破壞判別方法的合理性。

5 結束語

基于高強度樁復合地基易發生的樁端滑移、樁體傾斜和樁體彎折破壞等三種典型破壞模式，提出路堤下高強度樁復合地基失穩破壞模式判別方法，并形成以下結論：

（1）根據地基條件、樁身抗彎能力、滑面下錨固深度等因素對復合地基穩定性影響機制，實現了路堤下高強度樁復合地基樁端滑移、樁體傾斜和樁體彎折等三種典型破壞模式的劃分。

（2）基于滑動面上樁身材料抗彎能力與滑動面下樁前土體抗滑力矩間的大小關系，建立了路堤下高強度樁復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則和控制條件。

（3）基于某高速鐵路CFG樁復合地基失穩破壞工程案例，驗證了提出的路堤下高強度樁復合地基破壞模式判別方法的合理性，可為路堤下高強度樁復合地基穩定設計提供依據。