刚性桩加固边坡失稳机理研究

2015-06-28赵光辉

四川水泥 2015年4期

关键词：路堤抗剪刚性

赵光辉

（92306部队综合计划处，海南陵水572425）

刚性桩加固边坡失稳机理研究

赵光辉

（92306部队综合计划处，海南陵水572425）

目前刚性桩在边坡治理中已经得到了较多的应用，而对刚性桩加固边坡中桩的工作状态及失稳机理的研究却鲜有进行。基于一群桩加固边坡的工程实例，应用ABAQUS有限元软件对此实例中桩的工作状态进行了研究。结果表明，传统方法中认为的桩的剪切破坏并非此情况下桩的主要破坏模式，位于坡面的桩由于较多承担水平推力作用，而表现出弯曲破坏的趋势，传统方法会大大高估刚性桩加固边坡的安全系数。

刚性桩边坡稳定 ABAQUS 破坏模式

1 概述

近几年来，随着中国经济的高速发展，地质条件基础较差上的边坡工程有了越来越多的应用，如软土地基上的路堤工程，引航道工程等。然而边坡的稳定性一直是工程上非常关心的问题，且到目前为止还没有彻底解决。在工程上，通常采用碎石桩、挤密砂桩、石灰桩等对软土进行加固处理以提高边坡的稳定性。由于在某些特殊情况下，当采用上述桩体时可能不会满足边坡的稳定性或沉降要求，因此采用刚性桩（素混凝土桩、钢筋混凝土桩、预应力管桩等）加固边坡的方法应用的越来越广泛。

根据桩的刚度和强度特征将刚性桩分为两类：没有配筋的抗弯强度较低的刚性桩，例如素混凝土桩；配筋的抗弯强度较高的刚性桩，例如钢筋混凝土桩。在实际工程中，即使采用各种桩体加固边坡，各种边坡失稳事故仍时有发生。台华高速公路采用干振碎石桩进行软土地基处理[1]，在路堤填筑过程中发生了地基失稳滑移，后来提出刚性桩地基处理加固方案，经数值分析及现场刚性桩试验段测试结果表明刚性桩方案可以满足路堤填筑要求。浙江沿海地区某高速公路[2]，软基路段约占总长的三分之一，在路基填筑过程中，粒料桩处理路段出现了路基滑移和沉降偏大的现象。某线铁路软土路堤[3]采用水泥搅拌桩进行加固处理，在施工过程中当路堤填高至5.2 m时突然发生失稳滑塌。广珠高速公路某软土路段采用管桩复合地基处理，桩顶垫层中铺设两层土工格栅，当填土高度达到7 m时，路基滑塌，管桩随路基滑动而倾覆，表现出管桩与软土难以协调变形，桩间土先发生滑动，进而带动管桩倾覆。

导致有桩加固边坡发生失稳破坏的影响因素很多，如桩体成桩质量、施工过程等，但主要是由于现阶段分析桩体加固路堤稳定性的计算方法存在不合理性而可能过高估计路堤的稳定性，因此如何正确研究刚性桩在边坡加固工程中的失稳机理是评估边坡整体稳定性的一个亟需解决的工程问题。

2 刚性桩加固边坡有限元模拟

为了研究群桩条件下不同位置桩的破坏模式，本文中参照某刚性桩加固边坡工程的实例，建立一个二维典型算例，采用ABAQUS有限元软件模拟对不同状态下不同位置处刚性桩的破坏模式进行了深入研究。

模型的尺寸图如图1所示，坡面高度为7 m，坡面长度为21 m，坡比为1：3。为减少边界效应对模型计算结果的影响，左侧边界距坡脚处为15 m，右侧边界距坡顶处为10 m。模型的左右两侧边界限制水平方向位移，下侧边界限制水平及竖直方向的位移。坡面处共设置9排刚性桩，桩间距为3 m，桩径为0.5 m，桩长为10 m ～17 m，根据郑刚[5]等的加筋混凝土刚性桩抗弯及抗剪强度的计算方法，取该刚性桩的抗弯强度为189kN·m、抗剪强度为469kN，刚性桩采用线弹性模型。土体分为五层，分别为填土、淤泥、淤泥质粘土、粘土、粉土，各土层底部深度分别为4 m、13 m、17 m、24 m、27 m，土体选用摩尔库伦模型，土体及桩的材料参数如表1所示。模型主要分为两个分析步，第一个分析步为地应力平衡，目的为达到边坡初始的应力状态，第二步为荷载加载步，主要在坡顶加载50kPa超载以分析桩体在正常使用情况下的内力状态。

图1 . 某刚性桩加固边坡示意图

表1. 数值模拟土体及桩的强度参数

3 计算结果及分析

在坡顶50kPa荷载作用下，最终剪力的计算结果如图2所示，可见剪力的数值最大未超过80kN，远远小于该刚性桩的抗剪强度469kN，弯矩计算结果如图3所示，桩身的最大弯矩达到了近200kN·m，已经超过了该刚性桩的抗弯强度189 kN·m。

以上结果表明在正常使用的情况下，桩身的剪力远未达到桩身的抗剪强度，即剪切破坏不是此情况下桩的主要破坏形式，桩身弯矩达到较大的数值，趋近于破坏强度，即此情况下桩的弯曲破坏是刚性桩失稳破坏的主要模式。这也表明以抗剪强度计算整体安全系数的传统计算方法是偏于不安全的，亟需一种可以反映桩的弯曲破坏实质的刚性桩加固边坡的稳定计算方法。