流塑狀軟土復(fù)合地基樁土相互作用機(jī)理的研究

姚建平，李 琦，李泰灃，張千里，史存林

(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 概述

我國高速鐵路流塑狀軟土地基處理時大量采用CFG樁、管樁、鋼筋混凝土灌注樁等剛性樁來解決地基承載力不足和路基工后沉降問題，然而在實(shí)際工程中還是出現(xiàn)了地基處理失效、路基填筑期間整體滑塌、線路開通運(yùn)營后短期內(nèi)鐵路路基失穩(wěn)或下沉等一系列工程問題［1］。這主要是對流塑狀軟土極低的抗剪強(qiáng)度和高觸變的工程特性認(rèn)識不足，對樁土模量差異較大的樁土相互作用機(jī)理認(rèn)識不清，對樁體在流塑狀軟土地基中的抗剪貢獻(xiàn)及破壞模式研究得不夠深入。在進(jìn)行路堤穩(wěn)定性分析時仍然采用傳統(tǒng)的極限平衡法，直接采用了樁身的抗剪強(qiáng)度，高估了路堤穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致在實(shí)際工程中地基處理方法選擇不當(dāng)［2］。

采用樁基進(jìn)行地基處理，在穩(wěn)定性檢算中，土體和樁體共同承擔(dān)抗剪作用。一般將土體和樁體分離，地基所提供的抗滑力減去土體提供的抗滑力即為樁體所提供的抗滑力。本文將這種抗滑力定義為樁體的視抗剪強(qiáng)度，因此在剪切試驗中樁的視抗剪強(qiáng)度在數(shù)值上等于施加的外推力與樁周土體的抗剪強(qiáng)度的差值。視抗剪強(qiáng)度與樁體的剛度、樁土模量差異、土的抗剪強(qiáng)度、以及樁與滑弧切線的夾角存在直接關(guān)系。

本文研究樁土模量、樁體與滑弧切線的夾角、土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對樁體抗剪特性、破壞模式及樁土相互作用機(jī)理的影響。

2 流塑狀軟土復(fù)合地基樁土相互作用機(jī)理

2.1 流塑狀軟土直剪試驗?zāi)M

運(yùn)用ABAQUS三維二階減縮積分單元(C3D20R)建立模型，在已知土體抗剪強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，模擬土體直接剪切試驗，驗證有限元計算的正確性。為了方便后續(xù)分析，將圓形剪切土體換成方形剪切土體，長×寬×高分別為61.8 mm×61.8 mm×20.0 mm，剪切盒也為方形，設(shè)定為剛性體。土體參數(shù):彈性模量取為4 MPa，內(nèi)摩擦角為5°，黏聚力為5 kPa。本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型。

表1是直接剪切試驗?zāi)M計算結(jié)果，可知，抗剪強(qiáng)度、推應(yīng)力和剪力修正值與其理論值偏差很小，表明該仿真模型的正確性。圖1為土體剪切后的剪切盒變形形態(tài)，可見該仿真模型與室內(nèi)直接剪切試驗結(jié)果十分相似，表明模型可靠、準(zhǔn)確。

2.2 單樁樁土相互作用數(shù)值計算分析

在分析單樁樁土相互作用機(jī)理時選擇了4種土體，土體模型長×寬×高為61.8 mm×61.8 mm×20.0 mm。樁體選擇 CFG樁，彈性模量為16 GPa。CFG樁模型直徑3 mm，長度20 mm。詳細(xì)計算參數(shù)如表2所示。

樁體與滑弧切線的夾角?。?0°～+30°，取13種夾角，共計算了52種工況(編號2～53)，如表3所示。

表1 直剪仿真計算值與理論值對比

圖1 剪切后的剪切盒變形形態(tài)示意

2.2.1 不同樁土模量比樁體的破壞模式

圖2是不同樁土模量比時典型樁體破壞形式?？梢钥闯?，隨著樁土模量比的減小(土體強(qiáng)度的提高)，樁體破壞模式由彎曲破壞過渡到拉彎破壞［3-4］。這是因為隨著土體強(qiáng)度的逐漸增大，樁體的視抗剪強(qiáng)度增大，以便應(yīng)對更大的外加推力，這與樁土相互作用理論完全一致。

2.2.2 不同樁土模量比樁體的視抗剪強(qiáng)度

表4是不同樁土模量比時樁體視抗剪強(qiáng)度的計算結(jié)果?？梢钥闯?，隨著土體強(qiáng)度的增加，樁體的視抗剪強(qiáng)度非線性增大。當(dāng)樁土模量比較大時(土體強(qiáng)度較小)，外部施加的推力不能完全有效地傳遞到樁體上，這種情況樁體所能提供的視抗剪強(qiáng)度很有限，工況3樁的視抗剪強(qiáng)度僅為0.667 MPa。為了提高地基穩(wěn)定性，需要對流塑性軟土進(jìn)行處理以提高其抗剪強(qiáng)度。強(qiáng)度高的土體可以更加有效的將外部推力傳導(dǎo)到CFG樁上，因此樁體能夠貢獻(xiàn)出更高的視抗剪強(qiáng)度，這也間接證明了對流塑性軟土進(jìn)行加固處理的必要性。

表2 樁土計算參數(shù)

表3 單樁樁土相互作用52種計算工況

圖2 不同樁土模量比樁體的破壞形式

2.2.3 樁體與滑弧切線夾角對單根樁體工作機(jī)理的影響

樁體與滑弧切線的夾角反映了路基下樁體位置特點(diǎn)，隨著樁體與剪切面夾角的變化，樁體破壞形式由拉彎破壞、彎曲破壞逐漸過渡到壓彎破壞，樁體的視抗剪強(qiáng)度隨之變化。表5是樁土模量比為4 000∶2，樁體與滑弧線夾角從 －30°變化到 +30°時樁體的視抗剪強(qiáng)度。

表4 樁體的視抗剪強(qiáng)度

表5 樁體與滑弧切線不同夾角時樁體的視抗剪強(qiáng)度

圖3為樁體視抗剪強(qiáng)度同樁體與滑弧切線夾角之間的關(guān)系，樁體與滑弧切線夾角接近0時，其視抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大。當(dāng)夾角為正或為負(fù)時，視抗剪強(qiáng)度均會減小，基本呈對稱分布。

圖3 樁體視抗剪強(qiáng)度同樁體與滑弧切線夾角之間的關(guān)系

3 結(jié)論與建議

本文對單根樁在流塑狀軟土中的工作機(jī)理進(jìn)行了有限元分析，研究了樁土模量比、樁體與滑弧切線夾角、土體抗剪強(qiáng)度對樁體的抗剪特性、破壞模式及樁土相互作用機(jī)理的影響。結(jié)論如下:

1)提出了樁體視抗剪強(qiáng)度的概念，是指地基所提供的抗滑力減去土體提供的抗滑力。在路基穩(wěn)定性檢算時采用視抗剪強(qiáng)度能夠更加真實(shí)地反映樁體在地基中的抗剪作用，傳統(tǒng)的穩(wěn)定性檢算方法單純采用樁體的抗剪強(qiáng)度會高估路基的穩(wěn)定性。

2)運(yùn)用ABAQUS三維二階減縮積分單元建立模型，對純土體直接剪切試驗進(jìn)行了模擬計算。結(jié)果表明，抗剪強(qiáng)度、推應(yīng)力和剪力的修正值與其理論值偏差很小，驗證了該仿真模型的正確性。

3)樁體視抗剪強(qiáng)度與樁體剛度、樁土模量差異、土的抗剪強(qiáng)度及樁體與滑弧切線的夾角存在直接關(guān)系。隨著樁土模量比、樁體與滑弧切線夾角逐漸減小，樁體的視抗剪強(qiáng)度增加。隨著樁土模量差異逐漸增加，樁體可能發(fā)生的破壞模式依次為樁體抗剪切破壞、受拉(壓)破壞、彎曲破壞，不同破壞模式下CFG樁具有不同的視抗剪強(qiáng)度。

4)得到了不同的樁土模量比和樁體與滑弧切線夾角情況下樁體視抗剪強(qiáng)度的理論值，為流塑狀軟土路基穩(wěn)定性計算提供了理論依據(jù)。

建議:

1)進(jìn)一步開展流塑狀軟土的土工離心室內(nèi)模型試驗，研究樁土相互作用機(jī)理及樁體的破壞形式。

2)建立群樁條件下流塑狀軟土地基處理的模型，分析群樁條件下各種工況路基失穩(wěn)和樁體破壞的模式。

［1］姚建平，蔡德鉤，閆宏業(yè)，等.我國高速鐵路地基處理綜述［C］//中國土木工程學(xué)會土力學(xué)及巖土工程分會地基處理學(xué)術(shù)委員會.第11屆全國地基處理學(xué)術(shù)討論會論文集.?？?南海出版公司，2010:15-20.

［2］姚建平，史存林，蔡德鉤，等.流塑狀軟土復(fù)合地基失效機(jī)理及處理方法研究思路［C］//中國鐵道學(xué)會，中國公路學(xué)會.第14屆中國科協(xié)年會第13分會場軟土路基工程技術(shù)研討會論文集.北京:人民交通出版社，2012:79-83.

［3］KITAZUME M，MARUYAMA K.Collapse Failure of Group Column Type Deep Mixing Improved Ground under Embankment［C］//Proceedings of the International Conference on Deep Mixing.New York:ASCE，2005:245-254.

［4］KITAZUME M，OKANO K，MIYAJIMA S.Centrifuge Model Tests on Failure Envelope of Column Type Mixing Method Improved Ground［J］.Soils and Foundations，2000，40(4):43-55.