水域水位變化對鄰近復(fù)合地基支承路堤穩(wěn)定性的影響研究

王乾坤， 徐國賓, 王傳宏

(1. 天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 300354； 2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 天津 300354； 3. 鄒平市水利局， 山東 鄒平 256200)

1 研究背景

港口、水系、魚塘等水域邊常常有道路經(jīng)過，富水條件下土質(zhì)情況可能不滿足路堤穩(wěn)定性的需求，為此，工程中常通過砂樁、水泥土攪拌樁、預(yù)應(yīng)力管樁等加固地基土，形成復(fù)合地基支承路堤以提高路堤的穩(wěn)定性[1-2]。然而，即便采用樁體進行地基處理，樁體發(fā)生破壞進而引發(fā)路堤失穩(wěn)的事故依然時有發(fā)生，尤其當(dāng)路堤附近具有水域分布時，路堤滑塌的概率有所增加[3-5]。

復(fù)合地基支承路堤的穩(wěn)定性破壞主要分為兩類，一類是樁體發(fā)生剪切、彎曲、鼓脹等導(dǎo)致的復(fù)合地基內(nèi)部破壞[6]；另一類是樁體未發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，而是土體的繞流、樁體的傾覆、水平滑移等引發(fā)的復(fù)合地基外部破壞[7]，本文主要研究復(fù)合地基內(nèi)部破壞的情況，隨著樁體材料的不同，其破壞類型也存在明顯差異。砂樁、碎石樁等傳統(tǒng)的散體材料樁主要發(fā)生剪切破壞[8]。水泥土攪拌樁、CFG樁、素混凝土樁等剛性樁或半剛性樁則主要發(fā)生樁體彎曲破壞[9]。目前針對散體材料樁復(fù)合地基的穩(wěn)定分析已經(jīng)較為成熟，采用《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79-2012)[10]所提倡的圓弧滑動法可以較好地評估路堤穩(wěn)定性；針對剛性樁與半剛性樁，現(xiàn)有的穩(wěn)定分析方法無法考慮樁體的彎曲破壞及連續(xù)破壞，顯著高估了路堤的穩(wěn)定性[11]，且現(xiàn)有的針對該類復(fù)合地基穩(wěn)定性的分析均未考慮鄰近水域以及水位變化的影響，導(dǎo)致了工程中鄰水復(fù)合地基的穩(wěn)定性難以評估，易引發(fā)路堤失穩(wěn)。

基于上述存在的問題，本文采用有限差分方法[12]建立考慮臨近水域及水位變化影響的復(fù)合地基支承路堤模型，通過該模型研究了水位變化等對于樁體受力以及復(fù)合地基穩(wěn)定性的影響，揭示了水位下降可能會造成樁體發(fā)生彎曲破壞，為鄰水復(fù)合地基支承路堤工程的設(shè)計與建設(shè)提供了一定的依據(jù)。

2 數(shù)值模型

由于樁體的非連續(xù)性，樁體的破壞以及路堤的失穩(wěn)是三維問題，且失穩(wěn)過程中樁土相對變形較大，為更好地分析水位變化等對路堤穩(wěn)定性的影響，本文采用有限差分軟件Flac3D進行建模分析。圖1所示為數(shù)值模型的平面及剖面示意圖，模型中軟土厚度為15 m，其下部為5 m厚砂土，路堤底面寬度為40 m，基于對稱性，僅取一側(cè)進行建模，路堤填土高度5 m，邊坡比為1∶2，水域距路堤坡腳10 m，其總深度為5 m，側(cè)向邊坡的邊坡比為1∶1，考慮到一般情況下，水域及路堤沿縱向延伸長度均較大，依據(jù)對稱性以及樁體間布置的重復(fù)性，計算模型長度取為樁間距的一半[13]，采用面荷載模擬水與土體間的相互作用，其壓強大小依據(jù)水位情況通過帕斯卡定理進行計算。

為減小邊界效應(yīng)的影響，數(shù)值模型寬度取為50 m，模型的左右及前后邊界限制垂直于邊界的平動(左右邊界限制x方向運動，前后邊界限制y方向運動)，底部邊界限制3個方向的平動(限制x、y、z方向運動)。

由于本文主要研究路堤穩(wěn)定性特點，因此模型中的土體采用了服從摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則的理想彈塑性模型[14]，考慮到我國東部沿海富水地區(qū)土體大都滲透性較差，依據(jù)穩(wěn)定性計算時的不利工況，模擬路堤快速填筑的工況，假定黏土處于完全不排水狀態(tài)，砂土處于完全排水狀態(tài)，土體及樁體參數(shù)如表1所示，黏土的彈性模量取為200倍黏聚力。

由于樁體是復(fù)合地基的主要受力構(gòu)件，為簡化計算，忽略成樁過程中對土體的擾動，通過改變土體參數(shù)模擬成樁過程[15]，樁體采用彈性模型進行模擬[16]，變形參數(shù)按照混凝土進行取值以模擬常見的剛性樁材料，樁土之間建立接觸面單元，接觸面符合摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則，參數(shù)取為樁周土體強度參數(shù)的2/3[17]，為方便后續(xù)對不同位置樁體受力情況進行描述，將樁體自坡腳向路堤中心位置依次編號，模擬路堤填筑時為貼合工程實際并保證計算的穩(wěn)定性，采用分層填筑的方式模擬填土高度的增加，以0.5 m為一級，待一級填筑完成且模型計算穩(wěn)定性再填筑下一級土體，直至路堤達到預(yù)定高度。

圖1 復(fù)合地基路堤數(shù)值模型示意圖(單位：m)

表1 路堤土體及樁體材料參數(shù)[11]

3 水域?qū)扼w受力的影響

為研究水域的存在對復(fù)合地基中樁體受力的影響，通過數(shù)值模擬水域的形成，首先去除水域位置土體，隨后通過在水域覆蓋范圍內(nèi)土體表面施加面荷載模擬水土相互作用，依據(jù)水域的形成以及復(fù)合地基施工的先后，分3種工況進行模擬，工況1為不存在水域的情況，即水域位置為原狀土體，不施加任何變化；工況2為水域本身已經(jīng)存在，在該情況下施工復(fù)合地基以及路堤；工況3為水域本身并不存在，復(fù)合地基以及路堤施工完成后，水域才開挖并形成。在上述3種工況下對比以分析水域的影響。

圖2所示為3種工況不同位置樁體軟硬土層交界面及埋深7.5 m處的最大拉應(yīng)力以及最大剪應(yīng)力，其中工況2和工況3均為水域滿水(水面與地表等高)狀態(tài)。

由圖2(a)可知，不論水域是否存在，以及水域形成時間如何，復(fù)合地基中均是在軟硬土層交界面處局部存在較大拉應(yīng)力，且越靠近坡腳拉應(yīng)力越大，這是由于軟硬土層交界面具有較強的嵌固作用易形成較大彎矩，坡腳位置樁體上部填土厚度較小，因此豎向荷載較小，而樁周土體水平運動趨勢較大，樁體承擔(dān)了較大了彎矩與較小的軸力，導(dǎo)致樁體拉應(yīng)力較大，而路堤中心處樁體情況與之相反，其上部填土厚度較大，而樁周土體水平運動趨勢較小，因此在軸力與彎矩合成后并不存在拉應(yīng)力。當(dāng)水域存在時，坡腳位置的拉應(yīng)力有所增加，且越靠近坡腳位置樁體的增幅越大。當(dāng)路堤填筑完成后再形成水域時，樁體拉應(yīng)力的提升更為明顯，這是由于水體的重度相對土體更小，因此形成水域后，無論豎向還是水平向應(yīng)力均有所降低，導(dǎo)致土體發(fā)生一定的向水域方向的變形，進而增大了樁土的水平相互作用，加大了樁身彎矩。

由圖2(b)可知，埋深7.5 m處樁身剪應(yīng)力大于軟硬土層交界面處，這是由于深度較大時土體存在負摩阻力，減小了樁身剪力，對于工況1以及工況2，5、6號樁承擔(dān)最大的剪應(yīng)力，然而對于工況3，其最大剪應(yīng)力在4號樁處，其原因是，樁體的剪應(yīng)力主要受豎向荷載及軸力控制，而水域的存在主要對樁土水平相互作用產(chǎn)生影響，進而改變樁體彎矩，尤其當(dāng)水域形成晚于路堤形成時，其彎矩增大效果更為顯著，進而導(dǎo)致拉應(yīng)力、剪應(yīng)力的增加，以及最大剪應(yīng)力對應(yīng)樁體的改變。

圖2 3種工況下水域?qū)Σ煌恢脴扼w應(yīng)力的影響

綜上可知，水域?qū)扼w受力有著顯著的影響，3種工況下均是最大拉應(yīng)力與最大剪應(yīng)力接近，考慮到樁體材料的抗拉承載力遠低于抗剪承載力，因此水域的存在更易加劇樁體發(fā)生彎曲破壞的風(fēng)險，且影響范圍主要集中在坡腳位置的樁體，后文將主要對樁體發(fā)生彎曲破壞的情況進行分析。

4 水位變化對樁體受力的影響

由上文分析可知，水域?qū)扼w受力有著顯著的影響，在實際施工過程中，水位高度可能發(fā)生改變進而影響樁體受力及路堤的穩(wěn)定性，為此本小節(jié)將分析水位變化對于樁體拉應(yīng)力分布情況的影響，由于軟土地基中土體滲透性較低，排水周期較長，因此數(shù)值模擬過程中僅考慮水面變化對于靜水壓力的影響，不考慮土體內(nèi)水位的變化。

圖3所示為兩種工況不同水位情況下不同位置樁體的最大拉應(yīng)力，由圖3可知，不論水域的形成與路堤填筑的先后順序如何，隨著水位的降低，鄰近坡腳位置樁體的最大拉應(yīng)力均有顯著提高，且越靠近水域其變化越明顯，對于工況2，水位由5 m下降至0時，1號樁的最大拉應(yīng)力上升了215%，發(fā)生彎曲破壞的風(fēng)險大幅增加，對于工況3，隨著水位的降低，1號樁最大拉應(yīng)力上升112%。因此水位的變化會對路堤下樁體尤其是坡腳位置樁體的拉應(yīng)力產(chǎn)生非常顯著的影響，為此進一步分析1號樁的拉應(yīng)力分布情況。

圖4所示為兩種工況不同水位情況下1號樁拉應(yīng)力分布。由圖4可看出，水位的變化對于1號樁拉應(yīng)力分布特點影響不大，最大拉應(yīng)力均位于軟硬土層交界面處，這也與既有的不考慮水域影響的結(jié)論相一致[11]，隨著水位的降低，軟硬土層交界面處拉應(yīng)力明顯提高。針對水域在路堤前形成的工況，當(dāng)水位降低至底面時，樁體最大拉應(yīng)力約2 500 kPa，已經(jīng)接近工程中常用素混凝土的極限抗拉強度[18]，具有較大的發(fā)生彎曲破壞的風(fēng)險，而對于路堤填筑后形成水域的工況，其最大拉應(yīng)力已超過 3 000 kPa，素混凝土樁極易發(fā)生彎曲破壞并引發(fā)相鄰樁體連續(xù)破壞，導(dǎo)致路堤失穩(wěn)，必須預(yù)防加固。

圖3 兩種工況下不同水位對樁體最大拉應(yīng)力影響

圖4 兩種工況下不同水位對1號樁拉應(yīng)力分布的影響

5 水位變化對路堤穩(wěn)定性的影響

水域的存在以及水位的變化會引起樁體拉應(yīng)力的顯著改變，增大樁體發(fā)生彎曲破壞的風(fēng)險，進而影響路堤的穩(wěn)定性，然而目前的復(fù)合地基支承路堤的穩(wěn)定分析方法以及既有研究均未考慮上述因素的影響，為此本文基于樁體連續(xù)破壞的思想，采用單樁彎曲安全系數(shù)法[19]對考慮水域影響的復(fù)合地基支承路堤的穩(wěn)定性進行分析。

該方法假定在考慮樁體連續(xù)破壞的情況下，復(fù)合地基支承路堤的穩(wěn)定性受第1根樁體的彎曲破壞控制，即路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)等于坡腳位置樁體彎曲破壞的安全系數(shù)，雖然后續(xù)研究表明坡腳處樁體彎曲破壞與路堤失穩(wěn)對應(yīng)的路堤荷載存在一定差異，但差異并不明顯[11]，因此采用該方法可以偏保守地預(yù)測路堤穩(wěn)定性。

圖5所示為兩種工況不同水位高度下路堤穩(wěn)定安全系數(shù)的變化情況，由圖5可知，水域的存在以及水位的變化對于路堤穩(wěn)定性有很大的影響，當(dāng)水域在路堤前形成時(工況2)，其水位變化對于路堤穩(wěn)定性影響很大，隨著水位降低，安全系數(shù)顯著降低，然而當(dāng)路堤填筑后形成水域時(工況3)，水位變化對于安全系數(shù)的影響相對較小，當(dāng)水位低于2 m時，安全系數(shù)已低于臨界安全系數(shù)，必須采用適當(dāng)方法提高路堤的穩(wěn)定性。

圖5 水位對路堤穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

6 結(jié) 論

本文針對復(fù)合地基支承路堤旁存在水域的工況進行了分析，計算了水域與路堤形成先后對路堤穩(wěn)定性的影響，對比了不同水位情況時路堤下樁體受力情況，評估了不同工況下復(fù)合地基支承路堤失穩(wěn)破壞的類型，并針對性地提出了可以考慮水域影響的路堤穩(wěn)定性判別方法，得出以下結(jié)論：

(1)對于剛性樁復(fù)合地基支承路堤，當(dāng)其旁邊存在水域時，會顯著增大邊坡位置樁體的拉應(yīng)力以及剪應(yīng)力，其中拉應(yīng)力提升更為顯著，因此樁體發(fā)生彎曲破壞的風(fēng)險大幅增加。

(2)水域與路堤形成的先后順序不同對樁體受力的影響也有所不同，當(dāng)水域形成后進行路堤填筑，樁體拉應(yīng)力增加相對較小，當(dāng)路堤填筑完成后開挖并形成水域，則樁體拉應(yīng)力增加較大。

(3)水位變化對于路堤穩(wěn)定性具有顯著影響，水位越低，樁體拉應(yīng)力越大，路堤發(fā)生穩(wěn)定破壞的可能越高，路堤穩(wěn)定性分析時必須考慮水域以及水位變化的影響。

(4)為簡化問題，研究水域及水位對于路堤穩(wěn)定性的影響，本文僅基于特定的水域及復(fù)合地基幾何尺寸進行研究，上述參數(shù)的改變會對路堤穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，將會在今后的工作中進行后續(xù)研究。