素混凝土樁復(fù)合地基在路堤滑坡治理中的應(yīng)用*

許源華 譚化川 劉 品

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

素混凝土樁屬于剛性樁的一種，同時(shí)具有抗彎剪承載力和抗壓承載力，在處理深厚軟基時(shí)具有較多優(yōu)勢(shì)。

眾多學(xué)者對(duì)剛性樁復(fù)合地基路堤穩(wěn)定性問(wèn)題開(kāi)展了研究。部分學(xué)者采用離心模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬分析等方法研究了剛性樁抗彎承載力對(duì)處理后的路堤穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果表明：不同部位的剛性樁對(duì)路堤穩(wěn)定性的作用不同，受彎斷裂是路堤剛性樁的主要破壞模式，且剛性樁發(fā)生漸進(jìn)性破壞[1-4]。劉吉福等提出的修正密度法可以合理分析滑塌工程穩(wěn)定性[5]，但剛性樁承載力發(fā)揮程度遠(yuǎn)大于樁間土承載力發(fā)揮程度，因此路堤計(jì)算的安全系數(shù)通常偏大。楊堅(jiān)[6]提出剛性樁樁身的水平位移從樁頂至樁底逐漸減少，同時(shí)因樁身剛度和強(qiáng)度均很大，導(dǎo)致發(fā)生破壞時(shí)，樁體整體傾斜先于樁身局部破壞。

針對(duì)剛性樁復(fù)合地基的豎向承載力現(xiàn)也有較多研究。吳春林等[7]對(duì)天然地基和單樁、復(fù)合地基的現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)結(jié)果和樁、土壓力的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)樁、土的受力特性，提出按照面積比疊加土體和樁的承載力來(lái)計(jì)算復(fù)合地基承載力的簡(jiǎn)易計(jì)算公式，并將簡(jiǎn)易計(jì)算公式計(jì)算的結(jié)果與工程實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了簡(jiǎn)易計(jì)算公式的可行性。費(fèi)康等[8]假設(shè)考慮剛性樁復(fù)合地基的豎向變形，忽略水平向變形，從土體平衡條件出發(fā)并考慮幾何、物理方程，最后由邊界條件得到了復(fù)合地基沉降計(jì)算的簡(jiǎn)化公式。此公式可通過(guò)已知沉降量計(jì)算得到復(fù)合地基的承載力，并得到了工程上的驗(yàn)證。

綜上所述，大量學(xué)者對(duì)剛性樁加固地基進(jìn)行了充分地研究，取得一系列有用的結(jié)論[9-10]。為進(jìn)一步驗(yàn)證剛性樁對(duì)軟土基礎(chǔ)的加固效果，本文以實(shí)際工程為研究對(duì)象，在充分利用剛性樁的抗彎剪承載力和抗壓承載力的基礎(chǔ)上，擬采用“素混凝土樁+反壓護(hù)道”的治理方案，對(duì)軟土地基進(jìn)行處理，并運(yùn)用三維有限差分軟件FLAC3D對(duì)處理方案進(jìn)行計(jì)算分析，分析過(guò)程充分考慮樁土-耦合效應(yīng)，以驗(yàn)證該方案的合理可行性，為素混凝土樁在軟基路堤滑坡的治理中提供借鑒及參考。

1 分析方法

傳統(tǒng)的理論計(jì)算方法一般采用簡(jiǎn)化Bishop法、不平衡推力法等極限平衡法，這些方法計(jì)算方便、應(yīng)用廣泛。但由于方法中引入了許多簡(jiǎn)化假定，無(wú)法準(zhǔn)確反映實(shí)際施工工序及樁土-耦合效應(yīng)等對(duì)土體變形的影響，存在一定的局限性。

有限元軟件FLAC3D是基于有限差分法的數(shù)值分析軟件。該軟件可以較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限后發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)，特別適用于分析巖土工程漸進(jìn)破壞失穩(wěn)過(guò)程及大變形模擬。同時(shí)其內(nèi)置的結(jié)構(gòu)樁單元可以通過(guò)具有彈簧性能的link單元與周?chē)馏w連接，能有效地模擬素混凝土樁復(fù)合地基的樁土-耦合效應(yīng)。因此，本項(xiàng)目擬采用FLAC3D程序?qū)浲谅坊M(jìn)行模擬，計(jì)算路基填筑過(guò)程中不同施工階段的變形受力情況，同時(shí)模擬素混凝土樁的抗彎剪加固效果，以期準(zhǔn)確預(yù)測(cè)施工過(guò)程中復(fù)合地基整體的穩(wěn)定性和變形量。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

貴州省某高速公路K12+440-K12+800段為填方路基，原設(shè)計(jì)最大填高20.25 m。場(chǎng)區(qū)位于巖溶洼地內(nèi)，四周地勢(shì)較高，中間地勢(shì)較低，場(chǎng)區(qū)內(nèi)巖溶消水洞較發(fā)育。路基邊坡地面橫坡較緩，基底為硬塑狀粉質(zhì)黏土，路基填料為粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等軟質(zhì)巖與粉質(zhì)黏土混合體。

由于未及時(shí)完善臨時(shí)排水措施，原有的消水通道被堵塞，地表水匯積于洼地內(nèi)，導(dǎo)致地基土層軟化。由于填方基底存在一個(gè)軟弱層，在路基施工過(guò)程中，路基填筑地面以上10 m左右時(shí)，路堤邊坡發(fā)生滑動(dòng)和塌陷，其中K12+516.747-K12+595段滑坡后緣出現(xiàn)最大裂縫約50 cm，錯(cuò)臺(tái)高度約為170 cm，前緣發(fā)生隆起。K12+600涵洞出口處發(fā)生塌陷，K12+600-K12+640段路堤右側(cè)也有不同程度裂縫出現(xiàn)，K12+600處涵洞未發(fā)生明顯變形。

場(chǎng)區(qū)內(nèi)的覆蓋層主要由人工填土、紅黏土、碎石土組成，基巖為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r，該場(chǎng)地的巖土組成，見(jiàn)圖1。

圖1 典型工程地質(zhì)橫斷面圖(尺寸單位:m)

人工填土。黑褐色煤系地層的粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等，厚5～10.7 m。

紅黏土(Qel+dl)。褐黃色，軟塑至可塑狀，含碎石，表層為耕植土，含少量植物根系；其間夾約10%～20%的灰?guī)r碎石，粒徑小于2 cm，鉆探及物探揭露厚度7.5～16.3 m。

碎石土(Qel+dl)。褐黃色，結(jié)構(gòu)松散～稍密，碎石含量約50%，粒徑2～5 cm，成分為灰?guī)r，鉆探揭露厚度4.0～12.7 m。

強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r?；疑?，薄～中厚層狀，節(jié)理較發(fā)育，局部有溶蝕現(xiàn)象，巖體較完整，巖質(zhì)軟，巖芯呈柱狀、碎塊狀，鉆探揭露厚3.0～6.0 m。

中風(fēng)化灰?guī)r。灰色，薄～中厚層狀，節(jié)理少量發(fā)育，巖體完整，巖質(zhì)較硬，巖芯多呈柱狀，極少量呈碎塊狀。

深厚軟基工程采用C20素混凝土樁復(fù)合地基進(jìn)行處理。以樁直徑為0.5 m、樁間距為1.4 m或1.6 m分區(qū)設(shè)置素混凝土樁。在進(jìn)行地基處理前，先將現(xiàn)已填筑的路基進(jìn)行全部清除。采用復(fù)合地基處理完成，經(jīng)檢測(cè)合格后開(kāi)始填筑路基，路基填料采用具有透水性、抗風(fēng)化能力強(qiáng)的硬質(zhì)巖石料。在填方邊坡坡腳設(shè)置反壓護(hù)道，反壓護(hù)道寬度約為17 m、高度為7 m，坡率為1∶2，反壓護(hù)道基底進(jìn)行4 m超挖后，然后回填硬質(zhì)巖石渣。

2.2 治理效果評(píng)價(jià)

運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D模擬治理前及設(shè)置素混凝土樁后填方體的受力及變形情況，在FLAC3D中對(duì)巖土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型巖土計(jì)算參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1，對(duì)素混凝土樁采用彈性模型進(jìn)行模擬，采用FLAC3D中結(jié)構(gòu)單元pile進(jìn)行模擬，參數(shù)取值見(jiàn)表2。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行填方體沉降、整體穩(wěn)定性、樁-土相互作用的模擬。

分析采用的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型的理論基礎(chǔ)是Mohr強(qiáng)度理論，是一種彈塑性本構(gòu)模型。該模型不但可以有效地體現(xiàn)出填方體的壓縮沉降變形，同時(shí)還可以很好的反應(yīng)其整體穩(wěn)定性。

表1 巖土計(jì)算參數(shù)

表2 樁單元的主要物理力學(xué)參數(shù)

2.2.1治理前模擬

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，K12+580段地質(zhì)情況較為典型，因此選取該斷面進(jìn)行計(jì)算。按照各地層厚度建立三維模型，三維模型見(jiàn)圖2。采用實(shí)際參數(shù)對(duì)其進(jìn)行賦值，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工工序?qū)μ罘郊虞d過(guò)程進(jìn)行模擬，進(jìn)而對(duì)路基進(jìn)行沉降計(jì)算和填方路堤整體穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)。

圖2 三維模型圖

在未進(jìn)行素混凝土樁復(fù)合地基處理前，隨著填方體的加載，當(dāng)填筑到10 m高左右時(shí)(完成第二級(jí)填方)，填方體本身及其下部的黏土層產(chǎn)生壓縮沉降，其豎向位移云圖見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，人工填土層的最大沉降量為0.19 m，黏土層的最大沉降量為0.10 m。

圖3 土體豎向位移云圖(填筑完成第二級(jí)填方)(單位：m)

隨著第一級(jí)填方體的填筑，填方體由沉降變形發(fā)展為整體滑移失穩(wěn)，豎向變形發(fā)展為填方體中部向下沉降，坡腳向上擠出，由位移云圖4可以清晰的看出滑面的位置，最大位移位于坡腳，位移量達(dá)到4.5 m，基本能反映現(xiàn)場(chǎng)情況。

圖4 土體位移云圖(填筑完成)(單位：m)

2.2.2素混凝土樁模擬

在填方體填筑之前。對(duì)軟基采用素混凝土樁進(jìn)行治理，素混凝土樁呈正三角形布置，間距1.4 m，樁徑0.5 m，在坡腳增設(shè)反壓護(hù)道，建模見(jiàn)圖5。

圖5 三維模型圖(樁單元)

在進(jìn)行素混凝土樁復(fù)合地基處理后，隨著填方體的加載，當(dāng)填筑完成時(shí)，填方體本身產(chǎn)生較為顯著的沉降，其豎向位移云圖見(jiàn)圖6，由圖6可知，最大沉降量為0.122 m，其下部的黏土層沉降量較小，豎向位移滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖6 土體豎向位移云圖(增設(shè)素混凝土樁)(單位：m)

樁體豎向位移云圖見(jiàn)圖7。由圖7可知，豎向位移主要產(chǎn)生在填方體正下方，最大沉降量為0.025 m。

樁體水平向位移云圖見(jiàn)圖8，由圖8可知，樁體位移主要為水平向位移，樁在抵抗滑坡推力時(shí)產(chǎn)生了變形，最大位移值為0.049 m。

圖8 樁體水平向位移云圖(單位：m)

樁體水平力云圖見(jiàn)圖9。由圖9可見(jiàn)，樁體在抵抗滑坡推力時(shí)產(chǎn)生了水平力，最大值為255 kN，說(shuō)明樁體在滑坡推力下承擔(dān)一定的剪切力。

圖9 樁體水平力云圖(剪力)(單位：kN)

樁體同時(shí)在xoz平面內(nèi)存在彎矩，尤其是在坡腳位置，達(dá)到最大值約9 kN·m，說(shuō)明樁體在滑坡推力下承擔(dān)了一定的彎矩，樁在xoz平面的彎矩云圖見(jiàn)圖10。

圖10 樁在xoz平面彎矩云圖(單位：kN·m)

由以上數(shù)值計(jì)算可以看出，在未設(shè)置復(fù)合地基時(shí)，填方體填筑后沉降及穩(wěn)定性均不能滿(mǎn)足規(guī)范要求，在施加素混凝土樁復(fù)合地基后，填方體沉降最大值為0.04 m，滿(mǎn)足規(guī)范要求。樁體起到了抗滑移的效果，其最大水平位移為0.049 m。利用FLAC3D自帶程序采用強(qiáng)度折減法計(jì)算填方體的穩(wěn)定性，其整體穩(wěn)定性系數(shù)為1.35，滿(mǎn)足規(guī)范要求。因此，變更設(shè)計(jì)方案有效合理。

2.2.3計(jì)算結(jié)果分析

將數(shù)值模擬的結(jié)果與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比分析，匯總見(jiàn)表3。

表3 穩(wěn)定安全系數(shù)及工后沉降對(duì)照表

由表3可見(jiàn)，2種方法的計(jì)算結(jié)果相近。路堤和地基的整體穩(wěn)定性安全計(jì)算中，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果較傳統(tǒng)理論計(jì)算結(jié)果大，是由于計(jì)算路堤和地基的整體穩(wěn)定性時(shí)，理論計(jì)算將剛性樁的抗剪作用等效為樁-土聯(lián)合體的綜合抗剪強(qiáng)度，而數(shù)值模擬充分考慮了每根素混凝土樁的抗剪作用及樁-土共同作用的效果；沉降計(jì)算結(jié)果中，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果較傳統(tǒng)理論計(jì)算結(jié)果偏小，理論計(jì)算將剛性樁的壓縮性能等效為復(fù)合地基的綜合壓縮模量，而數(shù)值模擬充分考慮了每根素混凝土樁的豎向變形及樁-土相互作用的效果。由對(duì)比結(jié)果可以得出，數(shù)值模擬與傳統(tǒng)計(jì)算結(jié)果相差不大，但在計(jì)算中充分考慮了剛性樁對(duì)工程的影響，因此計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際。經(jīng)素混凝土樁復(fù)合地基治理后的路基穩(wěn)定性及沉降滿(mǎn)足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，治理措施合理有效。

2.3 實(shí)施效果

ZK12+450-ZK12+750段軟土路基滑坡治理已于2017年8月完成治理，同年9月該高速公路建成通車(chē)。自通車(chē)運(yùn)營(yíng)以來(lái)，監(jiān)控顯示路基穩(wěn)定，沉降值在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，說(shuō)明復(fù)雜軟土路基治理成功，實(shí)施方法得當(dāng)。

3 結(jié)語(yǔ)

該段高填方軟土路基為巖溶區(qū)域深厚軟基、規(guī)模較大的復(fù)雜滑坡體，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行分析研究后得出以下結(jié)論。

1) 充分利用素混凝土樁的抗彎剪能力和提高承載力的特點(diǎn)，采用素混凝土樁進(jìn)行復(fù)合地基處理，既解決了整體穩(wěn)定性問(wèn)題，同時(shí)又解決了承載力問(wèn)題，對(duì)以后工程建設(shè)具有借鑒作用。

2) 采用FLAC3D能有效地模擬素混凝土樁的變形受力和樁-土共同作用，能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)隨著施工過(guò)程的推進(jìn)，路基的穩(wěn)定性及沉降量。通過(guò)樁單元的位移和內(nèi)力分析驗(yàn)證了素混凝土樁的抗彎剪能力。數(shù)值模擬計(jì)算得出的路基沉降及路基穩(wěn)定安全系數(shù)與理論計(jì)算較為接近。

3) 本治理方案采用素混凝土樁復(fù)合地基對(duì)深層軟土路基滑坡進(jìn)行治理，同時(shí)考慮排水、反壓護(hù)道等非支擋措施，使治理方案達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、合理、環(huán)保的要求，經(jīng)過(guò)精密施工，該路段現(xiàn)已通車(chē)，治理效果良好。