樁間土繞樁滑動破壞模式下的軟弱地基上路堤穩定性分析

在軟弱地建造街上樁時，應考慮場地的穩定性。目前，傳統的復合剪切強度法已經采用了軟弱地加固樁的穩定性分析。國內外學者對路堤的穩定性進行了相關研究。在英國，加固樁結構和填充土的英國標準方法提出了改善樁結構和網帶的總體穩定性的建議方法。滑面下的垂直過載作為滑動面的滑動力發揮作用，而不是考慮樁的橫截面的抗剪強度。鄭剛采用數值分析法對模糊地加固混凝土樁的脆弱基質進行了加固，并得出了剪切破壞不是樁最危險的破壞模式。根據kmazume離心分析的結果，途堤下的攪拌單元發生了折疊破壞，而不是切割破壞。通過離心分離試驗，鐵路公司發現樁之間的地板體非常軟弱且樁距較大，導致軟土覆蓋樁的滑動失穩定破壞模式。目前，我國各類規范都沒有對剛性樁復合基上路堤的穩定性評價方法。因此，有必要對路堤中的滑動破壞模型進行穩定分析。1抗剪力的計算進行剛性樁加固軟弱地基上路堤穩定性分析時,主要考慮樁對軟弱地基的抗剪承載力的貢獻,確定剛性樁復合地基的抗剪力須根據其破壞形式采取相應方法.采用Bishop法對路堤進行穩定性分析,含樁的土條須考慮樁對土條底面抗剪力的貢獻.考慮路堤發生樁間土繞樁滑動破壞模式,樁體對土條底面抗剪力的貢獻按照土拱效應進行計算.基于Tomio塑性變形理論考慮路堤下樁間土的土拱效應,推導出了樁間土繞樁滑動破壞模式下路堤穩定性計算方法.1.1地面土體vd土條受力如圖1所示,其中:Ei和Ei-1為法向條間力;Ti和Ti-1為切向條間力;Wi為土條自重;Qi為水平作用力;Ni和Si分別為土條i底部的總法向力(包括有效法向力、孔隙水壓力及樁提供的阻滑力)和總切向力;R為圓弧滑動面半徑;bi為土條i的寬度;li為土條i底部滑弧弧長;Xi為土條i距圓弧滑動中心的距離;αi為土條i底部法向對垂直面的夾角.根據每一條塊豎向力受力平衡,可得根據Mohr-Coulomb準則,有式中:ci和?i分別為滑面土體的黏聚力和內摩擦角;ui為作用于土條底面的孔隙水壓力;Sp為滑面上樁提供的抗滑力(土條中無樁時取值為0);K為路堤穩定安全系數.將式(1)代入式(2)可得底部總法向力為式中mαi=cosαi+tan?isin(αi/K).路堤穩定性分析時,各條塊對轉動圓心的力矩之和應為0,此時條塊間作用力作為內力,力矩相互抵消,可得將式(2)和式(3)代入式(4),并令bi=licosαi,可得安全系數K為式(5)是Bishop法求穩定安全系數K的基本公式.若忽略條間剪力作用且不考慮孔隙水的影響,則式(5)可簡化為1.2樁—土拱效應提供的抗滑力基于Tomio塑性變形理論考慮路堤下樁間土的土拱效應,如圖2所示,d為樁直徑,D1為樁中心距,D2為樁間凈距,?為土體內摩擦角,假設:a.當土層變形時,沿AEB和A′E′B′發生2個滑動面,EB和E′B′與X軸的交角等于π/4+?/2;b.土層只在樁周土區AEBB′E′A′中變為塑性,服從Mohr-coulomb屈服準則,此后,土層可用內摩擦角?和黏聚力c的塑性體表示;c.在深度方向上,土層處于平面應變狀態;d.樁為剛性;e.假設AA′面上作用力為主動土壓力;f.在考慮塑性區AEBB′E′A′的應力分量時作用在AEB(A′E′B′)面上的剪應力忽略不計.根據塑性區AEBB′E′A′力的受力平衡,認為作用于平面BB′和AA′上的側向力之差就是X軸方向上單位厚度土層作用在樁上的側向力p(z),且式中:;γ為土體重度;z為滑動面到樁頂高度.對樁身沿深度方向積分即得樁提供的抗滑力Sp.2路堤穩定性分析將本文方法與傳統復合抗剪強度法對路堤穩定性進行對比分析,基于某高速鐵路剛性樁加固軟弱地基上路堤工況,建立了路堤簡化模型(如圖3所示).路堤頂面寬28m,路堤高5m,邊坡比1∶1.5,路堤填土黏聚力15kPa,摩擦角28°,路堤交通荷載為15kPa.路基土為淤泥質黏土,黏聚力7.5kPa,摩擦角5°.路堤下鋼筋混凝土樁直徑為0.5m,樁長20m,正方形布樁,樁間距3.0m,樁體為C30混凝土,配置10Φ25Ⅱ級鋼筋,Φ8@150箍筋,抗剪強度2400kPa,抗剪承載力471kN.選擇滑弧的圓心,作出相應的滑動圓弧,將滑動土體分成若干土條,取土條寬度b=2m,假設K=1,求出mαi,將土條各參數代入式(6)求出K,若計算的K值與假定的K值不等,則以計算的K值代入再求新的mαi和K,如此反復迭代,直至前后2次值滿足所要求的精度為止.為求出最小的K值,繼續假定若干個滑動,按前法進行試算,最終得出路堤的穩定安全系數.傳統復合抗剪強度法路堤穩定性分析時,路堤最危險滑動面半徑為11.78m;考慮路堤發生樁間土繞樁滑動破壞時,路堤最危險滑動面半徑為14.16m,其位置分別如圖3所示.圖4為不同滑動面下2種方法路堤安全系數變化曲線.可以看出:采用復合抗剪強度法計算出的路堤安全系數明顯大于采用樁間土繞樁滑動破壞模式下路堤安全系數.隨著圓弧滑動面半徑的增大,2種計算方法得出的安全系數差值逐漸減小.分析原因:傳統方法中路堤安全系數變化是因為滑動面位置變化導致了土條受力平衡變化,從而引起整體穩定安全系數變化;而隨著滑動面離地面高度的增加,土拱效應提供的抗滑力逐漸增大,引起含樁土條的抗滑力矩也逐漸增大,與傳統方法得出的結果差距逐漸減小.綜上:當軟弱地基黏聚力及內摩擦角較小時,不考慮路堤實際失穩破壞模式,按傳統復合抗剪強度計算的安全系數不能準確反映路堤穩定性.3復合抗剪強度法穩定性設計參數基于上述工況,分別對本文方法與傳統復合抗剪強度法穩定性設計計算重要參數進行分析,包括路堤上部荷載、軟弱地基抗剪強度、樁徑和樁體抗剪承載力.3.1路堤穩定性驗算圖5為不同路堤上部荷載(p)下2種方法計算得出的安全系數變化曲線.可以看出:隨著路堤荷載的增加,2種方法求得的路堤穩定安全系數逐漸減小,傳統復合抗剪強度法得出的安全系數高估了路堤穩定性.3.2加強樁間土繞樁滑動破壞時路堤穩定性分析軟弱地基抗剪強度指標包括黏聚力和內摩擦角.樁間土發生繞樁滑動破壞時,路基軟土抗剪強度對樁間土拱效應有較大影響,而復合抗剪強度法中樁體提供的抗剪力與其無關,因此有必要對地基土的抗剪強度指標進行參數分析.圖6為軟弱地基不同黏聚力下2種方法得到的路堤安全系數變化曲線.可以看出:2種方法中路堤安全系數隨著軟弱地基黏聚力增加而增大.考慮樁間土繞樁滑動破壞時,路堤安全系數明顯小于傳統方法得出的安全系數.圖7為軟弱地基不同內摩擦角下2種方法得到的路堤安全系數變化曲線.可以看出:2種方法得出的路堤安全系數隨著軟弱地基內摩擦角增加而增大.考慮樁間土繞樁滑動破壞得到的路堤安全系數明顯小于傳統方法,對比黏聚力分析可知軟弱地基內摩擦角對路堤穩定性的影響更大.軟弱地基抗剪強度較小時,樁間土拱效應提供的抗滑力較小,路堤易發生樁間土繞樁滑動失穩破壞.例如當內摩擦角為0°時,考慮樁間土繞樁滑動破壞得出的路堤穩定安全系數為1.05,路堤已處于臨界失穩狀態,而傳統方法得出的路堤安全系數為1.70.3.3樁間土繞樁穩定性圖8為不同樁徑下2種方法得到的路堤安全系數變化曲線.由于樁體抗剪強度與樁徑之間為二次函數關系,傳統方法得出的路堤安全系數呈非線性增長.考慮樁間土繞樁滑動破壞時,土拱效應提供的抗滑力隨著樁徑增大而增大,路堤安全系數也隨之增大.隨著樁徑增大,2種方法得出的安全系數差值逐漸增大.3.4傳統抗剪強度法的計算圖9為軟弱地基不同樁體抗剪承載力(F)下2種方法得到的路堤安全系數變化曲線.可以看出:在樁間土發生繞樁滑動破壞模式下,改變樁體抗剪強度對路堤穩定性沒有影響;而隨著樁體抗剪承載力的增大,傳統復合抗剪強度法得出的路堤安全系數線性增大.當樁體抗剪承載力為242kN時,2種方法得出的安全系數相等.樁體抗剪承載力小于242kN時,采用傳統抗剪強度法計算得到的抗滑力小于樁間土滑動破壞模式下土拱效應提供的抗滑力,可認為此時樁體發生剪切破壞;當樁體抗剪承載力大于242kN時,采用傳統方法得到的抗滑力大于樁間土滑動破壞模式下土拱效應提供的抗滑力,可認為此時路堤發生樁間土繞樁滑動破壞.隨樁體抗剪承載力增大,路堤穩定性實際安全系數如圖9中所示.4路堤穩定性影響因素分析針對剛性樁加固軟弱地基上路堤穩定性現有計算方法存在的不足,提出了考慮路堤樁間土繞樁滑動破壞模式,并推導出了該破壞模式下路堤穩定性計算方法.將本文方法與傳統復合抗剪強度法進行對比分析,并對影響路堤穩定性的重要參數進行了參數分析,得到以下結論:a.提出考慮路堤樁間土繞樁滑動破壞模式,并基于Tomio土拱效應理論和Bishop圓弧滑動法推導了該破壞模式下路堤穩定性計算方法.b.軟弱地基上剛性樁支承