陳 勝,徐光黎,趙新益,陳 琳,胡小慶
(1. 中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;2. 中國地質(zhì)大學(xué) 巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心,湖北 武漢 430074;3. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430063)
鐵路路基處理設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的定值設(shè)計(jì)法轉(zhuǎn)軌為極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法,是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,歐洲與日本已經(jīng)進(jìn)行了較深入的研究并制定了相關(guān)規(guī)范[1-3]。但目前國內(nèi)相關(guān)研究較少。因此,開展鐵路工程地基處理極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法研究意義重大,而且是必要的。
水泥土樁在目前的鐵路中得到大量應(yīng)用。在對當(dāng)前設(shè)計(jì)條件下的水泥土樁鐵路復(fù)合地基穩(wěn)定安全度水準(zhǔn)校核的基礎(chǔ)上,選取既有鐵路工程地基處理的代表性工點(diǎn),對比分析安全系數(shù)法和極限狀態(tài)法的設(shè)計(jì)結(jié)果,建立兩者的關(guān)系,并校核和完善極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測參數(shù),優(yōu)化分項(xiàng)系數(shù),為鐵路工程地基處理極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法提供參考。
文獻(xiàn)[4]規(guī)定,柔性樁處理的復(fù)合地基一般采用圓弧滑動(dòng)法進(jìn)行整體穩(wěn)定性計(jì)算,在列車荷載和路堤荷載作用下,滑動(dòng)面上的樁體和土體發(fā)生剪切破壞,采用瑞典條分法驗(yàn)算地基穩(wěn)定狀態(tài),如圖1所示。
圖1 圓弧滑動(dòng)法整體穩(wěn)定性計(jì)算示意
若圓弧上的抗滑力為Rd,滑動(dòng)力為Sd,則地基穩(wěn)定極限狀態(tài)方程為
Rd-Sd=(∑Si+∑Sj+T)-Pt
( 1 )
式中:i、j為土條編號,i表示土條底部的滑裂面在地基土層內(nèi),j表示土條底部的滑裂面在路堤填料內(nèi);Rd為作用于滑動(dòng)面上總抗滑力設(shè)計(jì)值;Sd為作用于滑動(dòng)面上總滑動(dòng)力設(shè)計(jì)值;Si為地基土內(nèi)的抗剪力,kN/m,Si=Wicosαitanφqi+cspili;Sj為路堤內(nèi)的抗剪力,kN/m,Sj=Wjcosαjtanφqj+cqjlj;T為加筋材料抗剪力,kN/m;Pt為各土條在滑弧切線方向的下滑力綜合,kN/m,Pt=∑Wisinαi+∑Wjsinαj;Wi、Wj為第i、j土條的重量,kN/m,Wi=Wti+Wdi;Wti、Wdi為第i土條內(nèi)滑裂面以上地基自重及路堤自重,kN/m;α、l為土條底滑面的傾角和長度;cq、φq分別表示土條底面所在土層的快剪黏聚力及快剪內(nèi)摩擦角。
復(fù)合地基內(nèi)滑動(dòng)面上的抗剪強(qiáng)度采用復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度,一般柔性樁復(fù)合地基采用面積加權(quán)平均法,因此復(fù)合地基內(nèi)滑動(dòng)面上的抗剪強(qiáng)度通過樁體抗剪強(qiáng)度與地基土快剪黏聚力按面積加權(quán)平均進(jìn)行估算。
csp=mτp+(1-m)cq
( 2 )
式中:τp為樁的抗剪強(qiáng)度,可參照相關(guān)規(guī)定選取。
從上述極限狀態(tài)方程可以看出,影響地基極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)參數(shù)主要有:路基結(jié)構(gòu)尺寸(填高、路基面寬度及邊坡坡率等)、土體容重γ、列車荷載、墊層加筋材料的抗拉強(qiáng)度、樁體直徑及樁間距、地基土強(qiáng)度參數(shù)、路堤土強(qiáng)度參數(shù)、水泥土抗剪強(qiáng)度等。
樁體抗剪強(qiáng)度、土工布抗拉強(qiáng)度、地基土黏聚力、地基土快剪摩擦角、固結(jié)快剪摩擦角等,是影響路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析可靠性的主要因素,且其變異性相對較大,因此將樁體抗剪強(qiáng)度和地基土土性參數(shù)作為隨機(jī)變量進(jìn)行分析。
綜上,根據(jù)概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的實(shí)用表達(dá)式建立原則,建立以基本變量標(biāo)準(zhǔn)值和分項(xiàng)系數(shù)表示的復(fù)合樁基地基整體穩(wěn)定性概率極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)表達(dá)式
z=Rd(τp,cqi,tanφqi,Tk)-Sd≥0
( 3 )
即
( 4 )
其中,Sd=∑Wisinαi+∑Wjsinαj
式中:γT為墊層加筋材料抗拉強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù),一般將墊層加筋材料的抗剪力直接作為滑動(dòng)面上的抗滑力,采用極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)時(shí),由于土工布的抗力變異性遠(yuǎn)小于土體參數(shù)變異性,為了使其對應(yīng)的安全系數(shù)與設(shè)計(jì)一致,令γT=1.25;γp為水泥土樁抗剪強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù);γc為黏聚力分項(xiàng)系數(shù);γtanφ為摩擦系數(shù)分項(xiàng)系數(shù)。
傳統(tǒng)的路堤穩(wěn)定性設(shè)計(jì)原則是抗力不小于荷載效應(yīng),其安全度用安全系數(shù)表示。其設(shè)計(jì)表達(dá)式為
Rd≥KSd
( 5 )
從安全系數(shù)K的定義可看出其有兩個(gè)缺陷:① 抗力和荷載效用一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值,沒有定量考慮巖土參數(shù)取值的隨機(jī)性;②安全系數(shù)只與R和S的相對大小有關(guān),與其離散程度無關(guān)??煽恐笜?biāo)β不僅能夠反映R和S的相對大小,還能反映它們的離散程度。當(dāng)R和S均服從正態(tài)分布時(shí),根據(jù)β的定義可得
( 6 )
根據(jù)式( 6 ),如果荷載和抗力的均值及方差都能獲得可靠的數(shù)據(jù),上述公式就能夠近似反映可靠指標(biāo)與安全系數(shù)的關(guān)系。但對鐵路路堤穩(wěn)定性來說,構(gòu)成路堤抗力的因素較多,既包括路堤填土、地基土、樁基本身提供的摩擦力和黏聚力,也包括其他加固措施提供的抗滑力,這些力的分布特征、變異性及其組合關(guān)系復(fù)雜,目前很難按照上述公式統(tǒng)計(jì)總抗力的分布特征、變異性,無法計(jì)算鐵路路堤穩(wěn)定性安全系數(shù)K與可靠度β的直接關(guān)系。
因此,要研究安全系數(shù)K與可靠度β的函數(shù)關(guān)系,可以通過實(shí)際典型工點(diǎn)數(shù)據(jù),計(jì)算各工點(diǎn)的安全系數(shù)及相應(yīng)可靠度指標(biāo),并擬合兩者的關(guān)系。將安全系數(shù)取值與現(xiàn)行規(guī)范保持一致,求得與現(xiàn)有鐵路地基對應(yīng)的可靠度指標(biāo)。此種方法既可以避免巖土參數(shù)的復(fù)雜性,又充分尊重工程建設(shè)長期積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),繼承現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的鐵路地基設(shè)計(jì)可靠水準(zhǔn),保持規(guī)范的連續(xù)性。
首先對甬臺溫鐵路、廈深鐵路、漢宜鐵路等18條已建鐵路的路基工點(diǎn)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和整理。由于不同等級的鐵路斷面尺寸及設(shè)計(jì)要求有一定差別,因此,暫選取甬臺溫鐵路、漢宜鐵路等設(shè)計(jì)速度為200~250 km/h的鐵路路堤數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。
按照文獻(xiàn)[5]要求,速度200~250 km/h鐵路路堤單線地段道床頂面寬8.4 m,線間距4.6 m,邊坡坡率為1∶1.5,路堤高度為3~12 m,基本涵蓋了低路堤、一般路堤和高路堤情況。依據(jù)相關(guān)規(guī)范和研究成果[4-7],以1.25作為鐵路路堤穩(wěn)定性安全系數(shù)的基準(zhǔn)值,列車荷載換算土柱寬為3.4 m,高為2.7 m。穩(wěn)定性檢算斷面如圖2所示。
圖2 穩(wěn)定性檢算斷面
由于受傳統(tǒng)鐵路路基設(shè)計(jì)方法的影響,已有的鐵路工程勘察忽略了巖土參數(shù)變異性對穩(wěn)定性的影響,目前尚未有系統(tǒng)的關(guān)于我國鐵路路基巖土參數(shù)變異性的統(tǒng)計(jì)資料和研究成果。在風(fēng)險(xiǎn)分析與可靠度分析中,參數(shù)概率分布類型的不同將直接影響可靠度指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果。文獻(xiàn)[8-12]認(rèn)為,巖土土性參數(shù)采用正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布進(jìn)行可靠度計(jì)算均可以接受,并針對不同區(qū)域和不同巖土類別給出相應(yīng)的土性參數(shù)變異性區(qū)間值。本文對前述鐵路的巖土參數(shù)及數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析(由于鐵路勘察中選取的點(diǎn)位間距較大,此處未考慮土體參數(shù)之間的相關(guān)性),參考已有研究成果[13,14],對地基土黏聚力及摩擦系數(shù)的變異系數(shù)選取不同的區(qū)間值進(jìn)行計(jì)算,巖土摩擦系數(shù)tanφ的變異系數(shù)取0.1~0.2、黏聚力的變異系數(shù)取0.2~0.4是滿足設(shè)計(jì)要求的。此外,考慮到路堤人工填土變異性比天然地基土小,取路堤摩擦系數(shù)tanφ的變異系數(shù)為0.1,黏聚力的變異系數(shù)為0.2。
水泥土攪拌樁的抗剪強(qiáng)度是影響整體穩(wěn)定性的主要控制變量,在極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法研究中將其作為隨機(jī)變量。由于缺乏研究水泥土攪拌樁抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變異性及概率分布類型必需的試驗(yàn)成果,這方面的研究和討論還較少。因此,本文通過反演計(jì)算認(rèn)為樁體抗剪強(qiáng)度變異性δcp=0.05~0.18。此外,在同等的外界條件下,考慮到樁體的變異性理論上要小于土體的變異性,因此,本文選取δcp=0.15作為水泥土攪拌樁的變異系數(shù),既符合客觀的工程實(shí)際,又預(yù)留了一定的安全余量。隨機(jī)變量及變異性系數(shù)見表1。
表1 水泥土攪拌樁計(jì)算參數(shù)選取范圍(根據(jù)實(shí)際工點(diǎn)取值)
2.3.1 既有工點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析
從甬臺溫鐵路、漢宜鐵路、廈深鐵路中選取151組典型路堤以及校核的巖土斷面參數(shù)。其中,選取的斷面地基土包括流塑淤泥、流塑淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、硬塑黏土,地基土涵蓋了常見的土質(zhì)類型,其下部土層為持力層,并假定地基土為單一土層。地基處理方案為水泥土攪拌樁,樁徑為0.5~0.8 m,樁間距為0.8~2.2 m,正方形或三角形布置。
選取三組典型的變異系數(shù)組合計(jì)算可靠度:①δcd=0.15、δcs=0.2、δtanφs=0.1;②δcd=0.15、δcs=0.3、δtanφs=0.15;③δcd=0.15、δcs=0.4、δtanφs=0.2。對每一組變異系數(shù)組合,計(jì)算各工點(diǎn)的安全系數(shù)及可靠指標(biāo),找出規(guī)范要求的安全系數(shù)(Fs=1.25)下可靠指標(biāo)的范圍;計(jì)算可靠指標(biāo)對應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù),得出分項(xiàng)系數(shù)的范圍。
利用Matlab軟件編制相應(yīng)程序,通過搜索路堤邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面,分別計(jì)算該滑動(dòng)面的安全系數(shù)和可靠度指標(biāo),保證每個(gè)最危險(xiǎn)滑弧的安全系數(shù)與可靠度一一對應(yīng)。可靠度計(jì)算采用改進(jìn)的一次二階矩法。具體計(jì)算結(jié)果如下。
(1)δcd=0.15、δcs=0.2、δtanφs=0.1
圖3 可靠指標(biāo)與安全系數(shù)關(guān)系(第1組變異系數(shù))
圖4 可靠指標(biāo)與分項(xiàng)系數(shù)γP關(guān)系(第1組變異系數(shù))
圖5 可靠指標(biāo)與分項(xiàng)系數(shù)γc關(guān)系(第1組變異系數(shù))
圖6 可靠指標(biāo)與分項(xiàng)系數(shù)γtanφ關(guān)系(第1組變異系數(shù))
(2)δcd=0.15、δcs=0.3、δtanφs=0.15
圖7 可靠指標(biāo)與安全系數(shù)關(guān)系(第2組變異系數(shù))
圖8 可靠指標(biāo)與分項(xiàng)系數(shù)γP關(guān)系(第2組變異系數(shù))
圖9 可靠指標(biāo)與分項(xiàng)系數(shù)γc關(guān)系(第2組變異系數(shù))
圖10 可靠指標(biāo)與分項(xiàng)系數(shù)γtanφ關(guān)系(第2組變異系數(shù))
(3)δcd=0.15、δcs=0.4、δtanφs=0.2
圖11 可靠指標(biāo)與安全系數(shù)關(guān)系(第3組變異系數(shù))
圖12 可靠指標(biāo)與分項(xiàng)系數(shù)γP關(guān)系(第3組變異系數(shù))
圖13 可靠指標(biāo)與分項(xiàng)系數(shù)γc關(guān)系(第3組變異系數(shù))
圖14 可靠指標(biāo)與分項(xiàng)系數(shù)γtanφ關(guān)系(第3組變異系數(shù))
目前鐵路路基規(guī)范中對軟土地基的整體穩(wěn)定性安全系數(shù)要求不小于1.25,對應(yīng)的地基土在不同變異系數(shù)下整體穩(wěn)定的可靠指標(biāo)與分項(xiàng)系數(shù)范圍見表2。
表2 水泥土攪拌樁可靠指標(biāo)與分項(xiàng)系數(shù)建議取值
2.3.1.1 可靠度計(jì)算結(jié)果分析
(1)圖3、圖7、圖11中安全系數(shù)Fs變化范圍表明:大部分加固路堤斷面的穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs處于1.05~1.5的范圍,其安全系數(shù)基本反映了目前水泥土樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)要求和安全水平,表明所選取路堤斷面是合理的。少數(shù)路堤穩(wěn)定性安全系數(shù)偏大,說明該部分?jǐn)嗝娴目煽砍潭炔皇芊€(wěn)定性控制,需要進(jìn)行承載力和沉降驗(yàn)算,以保證其可靠性。
(2)圖3、圖7、圖11顯示,同一安全系數(shù)Fs下,隨著變異性系數(shù)的變化,路堤可靠度也發(fā)生改變,這也解釋了利用定值法計(jì)算有些路堤是穩(wěn)定的,實(shí)際運(yùn)行后卻發(fā)生失效的現(xiàn)象。
(3)從圖3、圖7、圖11中散點(diǎn)圖分布趨勢可知,當(dāng)安全系數(shù)Fs≤2.0時(shí),F(xiàn)s與可靠度β基本呈線性關(guān)系。隨著土體變異性增大,可靠度β逐漸減少。由表2可知,當(dāng)?shù)鼗恋淖儺愋赃_(dá)到δcs=0.4、δtanφs=0.2組合時(shí)(圖11),可靠度β為1.21~2.1,失效概率為1.18%~4.46%。這在實(shí)際工程中可靠度偏小,主要原因是巖土計(jì)算模型偏于保守,高估了巖土參數(shù)的變異性,低估了工程可靠度,導(dǎo)致失效概率偏大。在采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí),對采用水泥土攪拌樁處理的復(fù)合路基,如果無法得到當(dāng)?shù)氐膸r土參數(shù)變異性系數(shù),建議采用δcs=0.3、δtanφs=0.15的組合,可靠度β位于1.52~2.55之間,均值為2.1。因此,目標(biāo)可靠度建議值為2.1,失效概率建議值為1.18%。
2.3.1.2 分項(xiàng)系數(shù)分析
(1)通過比較圖4、圖8、圖12可知,隨著土體變異性的變化,樁體分項(xiàng)系數(shù)γp散點(diǎn)較穩(wěn)定,變化較小,說明在復(fù)合加固地基中,樁體起主要作用,土體提供的抗力相對較小。
(2)從表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,土體黏聚力分項(xiàng)系數(shù)γc與摩擦系數(shù)分項(xiàng)系數(shù)γtanφ隨著變異性增加而降低,但是γc較γtanφ變化更快,說明鐵路路堤可靠度β對巖土體黏聚力的變異性更加敏感。
(3)隨著變異性大小的變化,分項(xiàng)系數(shù)也發(fā)生變化,根據(jù)前面的分析,采用巖土參數(shù)變異性(δcs=0.3、δtanφs=0.15)的組合,以2.1作為鐵路路堤穩(wěn)定性可靠度指標(biāo),結(jié)合目前設(shè)計(jì)現(xiàn)狀確定極限狀態(tài)方程中的分項(xiàng)系數(shù)。
根據(jù)圖8~圖10的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,水泥土樁抗剪強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)γp為1.12~1.36,均值為1.24,建議取1.25;地基土的黏聚力分項(xiàng)系數(shù)γc為1.22~1.74,均值為1.48,建議取1.4;地基土摩擦系數(shù)分項(xiàng)系數(shù)γtanφ為1.08~1.22,均值為1.15,建議取1.2。
為設(shè)計(jì)方便,將路堤填土與地基土的摩擦角、黏聚力取相同的分項(xiàng)系數(shù),建議分別取1.2和1.4。
2.3.2 反分析
為進(jìn)一步研究水泥土攪拌樁處理軟土地基的特性和校正結(jié)果,選擇四種不同成因的典型軟土(海相軟土、湖相軟土、河流沖擊相軟土、谷地相軟土)進(jìn)行反分析。鐵路路堤斷面及巖土參數(shù)變異性與既有工點(diǎn)計(jì)算數(shù)據(jù)一致,地基土參數(shù)見表3。
表3 土體物理力學(xué)參數(shù)
選擇水泥土攪拌樁對軟土進(jìn)行處理,樁徑0.5 m,三角形布置,樁長至基巖以下1 m;加固頂鋪0.6 m厚的碎石墊層,內(nèi)鋪一層雙向土工格柵,雙向土工格柵設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度大于100 kN/m。設(shè)計(jì)要求樁身無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1 MPa,樁體抗剪強(qiáng)度取233 kPa,最小安全系數(shù)為1.25。
根據(jù)目前總安全系數(shù)法,當(dāng)填土分別達(dá)到5.5 m和6.5 m時(shí)表3中算例1和算例2安全系數(shù)為1.25;當(dāng)填土分別達(dá)到6.0 m和7.1 m且考慮列車荷載作用時(shí)算例3和算例4安全系數(shù)為1.25。
采用改進(jìn)的一次二階矩法計(jì)算可靠指標(biāo)及分項(xiàng)系數(shù)。可靠性指標(biāo)及分項(xiàng)系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4、表5。
表4 算例可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果
表5 算例分項(xiàng)系數(shù)計(jì)算結(jié)果
由表4計(jì)算結(jié)果可知,可靠指標(biāo)的范圍在1.5~2.3之間,基本上處于表2計(jì)算結(jié)果范圍內(nèi);γc范圍為1.1~2.0,γtanφ范圍為1.05~1.4,γp范圍為1.1~1.35,與表2的分項(xiàng)系數(shù)范圍吻合良好。這也進(jìn)一步證明,利用現(xiàn)有鐵路工程地基數(shù)據(jù)擬合隱含地基目標(biāo)可靠度指標(biāo)及分項(xiàng)系數(shù)的方法是可行的。
為了證明文章所確定的路堤目標(biāo)可靠度及分項(xiàng)系數(shù)與傳統(tǒng)方法(總安全系數(shù)法)具有相同的可靠度,驗(yàn)證其合理性,文章選取了30個(gè)(不包含前述151個(gè)路堤斷面樣本)不同地貌特征的、采用攪拌樁復(fù)合地基處理的鐵路路堤斷面,分別采用傳統(tǒng)方法和本文建議的極限狀態(tài)方程進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性分析、校核。
為便于對比分析,將采用分項(xiàng)系數(shù)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式用分式表示,即極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)的抗力與作用比較系數(shù)K′計(jì)算式為
具體參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見表6。
由于計(jì)算工點(diǎn)主要依據(jù)原設(shè)計(jì)規(guī)范采用的地基穩(wěn)定安全系數(shù)K按1.25控制,從表6對比分析可知,水泥土樁K與K′的比值均值為1.266,與現(xiàn)有水準(zhǔn)1.25基本接近。因此,采用總安全系數(shù)法與采用分項(xiàng)系數(shù)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)水準(zhǔn)一致,選取的目標(biāo)可靠度以及分項(xiàng)系數(shù)基本合理。
表6 兩種校核方法的比較
續(xù)上表
本文利用既有地基處理的典型工點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),通過反演計(jì)算、校準(zhǔn)計(jì)算等方法,確定水泥土攪拌樁復(fù)合路堤穩(wěn)定性隱含的目標(biāo)可靠度指標(biāo)及分項(xiàng)系數(shù),建立水泥土攪拌樁鐵路復(fù)合路堤的極限狀態(tài)方程,對鐵路路堤穩(wěn)定性極限狀態(tài)設(shè)計(jì)有參考價(jià)值。
(1)當(dāng)安全系數(shù)Fs≤2.0時(shí),F(xiàn)s與可靠度β基本呈線性關(guān)系,與巖土體摩擦系數(shù)的變異性相比,可靠度β對黏聚力的變異性更加敏感。
(2)地基可靠度的研究重點(diǎn)是土體變異性,但在復(fù)合地基中,樁體承擔(dān)著主要的作用,應(yīng)該加強(qiáng)對樁體性質(zhì)以及變異性的統(tǒng)計(jì)、研究。
參考文獻(xiàn):
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