樁間土繞樁滑動破壞模式下的軟弱地基上路堤穩(wěn)定性分析

樁間土繞樁滑動破壞模式下的軟弱地基上路堤穩(wěn)定性分析

在軟弱地建造街上樁時，應(yīng)考慮場地的穩(wěn)定性。目前，傳統(tǒng)的復(fù)合剪切強(qiáng)度法已經(jīng)采用了軟弱地加固樁的穩(wěn)定性分析。國內(nèi)外學(xué)者對路堤的穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)研究。在英國，加固樁結(jié)構(gòu)和填充土的英國標(biāo)準(zhǔn)方法提出了改善樁結(jié)構(gòu)和網(wǎng)帶的總體穩(wěn)定性的建議方法?；嫦碌拇怪边^載作為滑動面的滑動力發(fā)揮作用，而不是考慮樁的橫截面的抗剪強(qiáng)度。鄭剛采用數(shù)值分析法對模糊地加固混凝土樁的脆弱基質(zhì)進(jìn)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(jù)kmazume離心分析的結(jié)果，途堤下的攪拌單元發(fā)生了折疊破壞，而不是切割破壞。通過離心分離試驗(yàn)，鐵路公司發(fā)現(xiàn)樁之間的地板體非常軟弱且樁距較大，導(dǎo)致軟土覆蓋樁的滑動失穩(wěn)定破壞模式。目前，我國各類規(guī)范都沒有對剛性樁復(fù)合基上路堤的穩(wěn)定性評價方法。因此，有必要對路堤中的滑動破壞模型進(jìn)行穩(wěn)定分析。1抗剪力的計算進(jìn)行剛性樁加固軟弱地基上路堤穩(wěn)定性分析時,主要考慮樁對軟弱地基的抗剪承載力的貢獻(xiàn),確定剛性樁復(fù)合地基的抗剪力須根據(jù)其破壞形式采取相應(yīng)方法.采用Bishop法對路堤進(jìn)行穩(wěn)定性分析,含樁的土條須考慮樁對土條底面抗剪力的貢獻(xiàn).考慮路堤發(fā)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(xiàn)按照土拱效應(yīng)進(jìn)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(yīng),推導(dǎo)出了樁間土繞樁滑動破壞模式下路堤穩(wěn)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?qū)Υ怪泵娴膴A角.根據(jù)每一條塊豎向力受力平衡,可得根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則,有式中:ci和?i分別為滑面土體的黏聚力和內(nèi)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(wěn)定安全系數(shù).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(wěn)定性分析時,各條塊對轉(zhuǎn)動圓心的力矩之和應(yīng)為0,此時條塊間作用力作為內(nèi)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(shù)K為式(5)是Bishop法求穩(wěn)定安全系數(shù)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(yīng)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(yīng),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(nèi)摩擦角,假設(shè):a.當(dāng)土層變形時,沿AEB和A′E′B′發(fā)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(qū)AEBB′E′A′中變?yōu)樗苄?服從Mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則,此后,土層可用內(nèi)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(yīng)變狀態(tài);d.樁為剛性;e.假設(shè)AA′面上作用力為主動土壓力;f.在考慮塑性區(qū)AEBB′E′A′的應(yīng)力分量時作用在AEB(A′E′B′)面上的剪應(yīng)力忽略不計.根據(jù)塑性區(qū)AEBB′E′A′力的受力平衡,認(rèn)為作用于平面BB′和AA′上的側(cè)向力之差就是X軸方向上單位厚度土層作用在樁上的側(cè)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(wěn)定性分析將本文方法與傳統(tǒng)復(fù)合抗剪強(qiáng)度法對路堤穩(wěn)定性進(jìn)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(zhì)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(qiáng)度2400kPa,抗剪承載力471kN.選擇滑弧的圓心,作出相應(yīng)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(shè)K=1,求出mαi,將土條各參數(shù)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(fù)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(xù)假定若干個滑動,按前法進(jìn)行試算,最終得出路堤的穩(wěn)定安全系數(shù).傳統(tǒng)復(fù)合抗剪強(qiáng)度法路堤穩(wěn)定性分析時,路堤最危險滑動面半徑為11.78m;考慮路堤發(fā)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(shù)變化曲線.可以看出:采用復(fù)合抗剪強(qiáng)度法計算出的路堤安全系數(shù)明顯大于采用樁間土繞樁滑動破壞模式下路堤安全系數(shù).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(shù)差值逐漸減小.分析原因:傳統(tǒng)方法中路堤安全系數(shù)變化是因?yàn)榛瑒用嫖恢米兓瘜?dǎo)致了土條受力平衡變化,從而引起整體穩(wěn)定安全系數(shù)變化;而隨著滑動面離地面高度的增加,土拱效應(yīng)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(tǒng)方法得出的結(jié)果差距逐漸減小.綜上:當(dāng)軟弱地基黏聚力及內(nèi)摩擦角較小時,不考慮路堤實(shí)際失穩(wěn)破壞模式,按傳統(tǒng)復(fù)合抗剪強(qiáng)度計算的安全系數(shù)不能準(zhǔn)確反映路堤穩(wěn)定性.3復(fù)合抗剪強(qiáng)度法穩(wěn)定性設(shè)計參數(shù)基于上述工況,分別對本文方法與傳統(tǒng)復(fù)合抗剪強(qiáng)度法穩(wěn)定性設(shè)計計算重要參數(shù)進(jìn)行分析,包括路堤上部荷載、軟弱地基抗剪強(qiáng)度、樁徑和樁體抗剪承載力.3.1路堤穩(wěn)定性驗(yàn)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(shù)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(wěn)定安全系數(shù)逐漸減小,傳統(tǒng)復(fù)合抗剪強(qiáng)度法得出的安全系數(shù)高估了路堤穩(wěn)定性.3.2加強(qiáng)樁間土繞樁滑動破壞時路堤穩(wěn)定性分析軟弱地基抗剪強(qiáng)度指標(biāo)包括黏聚力和內(nèi)摩擦角.樁間土發(fā)生繞樁滑動破壞時,路基軟土抗剪強(qiáng)度對樁間土拱效應(yīng)有較大影響,而復(fù)合抗剪強(qiáng)度法中樁體提供的抗剪力與其無關(guān),因此有必要對地基土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)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(shù)變化曲線.可以看出:2種方法中路堤安全系數(shù)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(shù)明顯小于傳統(tǒng)方法得出的安全系數(shù).圖7為軟弱地基不同內(nèi)摩擦角下2種方法得到的路堤安全系數(shù)變化曲線.可以看出:2種方法得出的路堤安全系數(shù)隨著軟弱地基內(nèi)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(shù)明顯小于傳統(tǒng)方法,對比黏聚力分析可知軟弱地基內(nèi)摩擦角對路堤穩(wěn)定性的影響更大.軟弱地基抗剪強(qiáng)度較小時,樁間土拱效應(yīng)提供的抗滑力較小,路堤易發(fā)生樁間土繞樁滑動失穩(wěn)破壞.例如當(dāng)內(nèi)摩擦角為0°時,考慮樁間土繞樁滑動破壞得出的路堤穩(wěn)定安全系數(shù)為1.05,路堤已處于臨界失穩(wěn)狀態(tài),而傳統(tǒng)方法得出的路堤安全系數(shù)為1.70.3.3樁間土繞樁穩(wěn)定性圖8為不同樁徑下2種方法得到的路堤安全系數(shù)變化曲線.由于樁體抗剪強(qiáng)度與樁徑之間為二次函數(shù)關(guān)系,傳統(tǒng)方法得出的路堤安全系數(shù)呈非線性增長.考慮樁間土繞樁滑動破壞時,土拱效應(yīng)提供的抗滑力隨著樁徑增大而增大,路堤安全系數(shù)也隨之增大.隨著樁徑增大,2種方法得出的安全系數(shù)差值逐漸增大.3.4傳統(tǒng)抗剪強(qiáng)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(shù)變化曲線.可以看出:在樁間土發(fā)生繞樁滑動破壞模式下,改變樁體抗剪強(qiáng)度對路堤穩(wěn)定性沒有影響;而隨著樁體抗剪承載力的增大,傳統(tǒng)復(fù)合抗剪強(qiáng)度法得出的路堤安全系數(shù)線性增大.當(dāng)樁體抗剪承載力為242kN時,2種方法得出的安全系數(shù)相等.樁體抗剪承載力小于242kN時,采用傳統(tǒng)抗剪強(qiáng)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(yīng)提供的抗滑力,可認(rèn)為此時樁體發(fā)生剪切破壞;當(dāng)樁體抗剪承載力大于242kN時,采用傳統(tǒng)方法得到的抗滑力大于樁間土滑動破壞模式下土拱效應(yīng)提供的抗滑力,可認(rèn)為此時路堤發(fā)生樁間土繞樁滑動破壞.隨樁體抗剪承載力增大,路堤穩(wěn)定性實(shí)際安全系數(shù)如圖9中所示.4路堤穩(wěn)定性影響因素分析針對剛性樁加固軟弱地基上路堤穩(wěn)定性現(xiàn)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(dǎo)出了該破壞模式下路堤穩(wěn)定性計算方法.將本文方法與傳統(tǒng)復(fù)合抗剪強(qiáng)度法進(jìn)行對比分析,并對影響路堤穩(wěn)定性的重要參數(shù)進(jìn)行了參數(shù)分析,得到以下結(jié)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(yīng)理論和Bishop圓弧滑動法推導(dǎo)了該破壞模式下路堤穩(wěn)定性計算方法.b.軟弱地基上剛性樁支承