桩间土绕桩滑动破坏模式下的软弱地基上路堤稳定性分析

桩间土绕桩滑动破坏模式下的软弱地基上路堤稳定性分析

在软弱地建造街上桩时，应考虑场地的稳定性。目前，传统的复合剪切强度法已经采用了软弱地加固桩的稳定性分析。国内外学者对路堤的稳定性进行了相关研究。在英国，加固桩结构和填充土的英国标准方法提出了改善桩结构和网带的总体稳定性的建议方法。滑面下的垂直过载作为滑动面的滑动力发挥作用，而不是考虑桩的横截面的抗剪强度。郑刚采用数值分析法对模糊地加固混凝土桩的脆弱基质进行了加固，并得出了剪切破坏不是桩最危险的破坏模式。根据kmazume离心分析的结果，途堤下的搅拌单元发生了折叠破坏，而不是切割破坏。通过离心分离试验，铁路公司发现桩之间的地板体非常软弱且桩距较大，导致软土覆盖桩的滑动失稳定破坏模式。目前，我国各类规范都没有对刚性桩复合基上路堤的稳定性评价方法。因此，有必要对路堤中的滑动破坏模型进行稳定分析。1抗剪力的计算进行刚性桩加固软弱地基上路堤稳定性分析时,主要考虑桩对软弱地基的抗剪承载力的贡献,确定刚性桩复合地基的抗剪力须根据其破坏形式采取相应方法.采用Bishop法对路堤进行稳定性分析,含桩的土条须考虑桩对土条底面抗剪力的贡献.考虑路堤发生桩间土绕桩滑动破坏模式,桩体对土条底面抗剪力的贡献按照土拱效应进行计算.基于Tomio塑性变形理论考虑路堤下桩间土的土拱效应,推导出了桩间土绕桩滑动破坏模式下路堤稳定性计算方法.1.1地面土体vd土条受力如图1所示,其中:Ei和Ei-1为法向条间力;Ti和Ti-1为切向条间力;Wi为土条自重;Qi为水平作用力;Ni和Si分别为土条i底部的总法向力(包括有效法向力、孔隙水压力及桩提供的阻滑力)和总切向力;R为圆弧滑动面半径;bi为土条i的宽度;li为土条i底部滑弧弧长;Xi为土条i距圆弧滑动中心的距离;αi为土条i底部法向对垂直面的夹角.根据每一条块竖向力受力平衡,可得根据Mohr-Coulomb准则,有式中:ci和ϕi分别为滑面土体的黏聚力和内摩擦角;ui为作用于土条底面的孔隙水压力;Sp为滑面上桩提供的抗滑力(土条中无桩时取值为0);K为路堤稳定安全系数.将式(1)代入式(2)可得底部总法向力为式中mαi=cosαi+tanϕisin(αi/K).路堤稳定性分析时,各条块对转动圆心的力矩之和应为0,此时条块间作用力作为内力,力矩相互抵消,可得将式(2)和式(3)代入式(4),并令bi=licosαi,可得安全系数K为式(5)是Bishop法求稳定安全系数K的基本公式.若忽略条间剪力作用且不考虑孔隙水的影响,则式(5)可简化为1.2桩—土拱效应提供的抗滑力基于Tomio塑性变形理论考虑路堤下桩间土的土拱效应,如图2所示,d为桩直径,D1为桩中心距,D2为桩间净距,ϕ为土体内摩擦角,假设:a.当土层变形时,沿AEB和A′E′B′发生2个滑动面,EB和E′B′与X轴的交角等于π/4+ϕ/2;b.土层只在桩周土区AEBB′E′A′中变为塑性,服从Mohr-coulomb屈服准则,此后,土层可用内摩擦角ϕ和黏聚力c的塑性体表示;c.在深度方向上,土层处于平面应变状态;d.桩为刚性;e.假设AA′面上作用力为主动土压力;f.在考虑塑性区AEBB′E′A′的应力分量时作用在AEB(A′E′B′)面上的剪应力忽略不计.根据塑性区AEBB′E′A′力的受力平衡,认为作用于平面BB′和AA′上的侧向力之差就是X轴方向上单位厚度土层作用在桩上的侧向力p(z),且式中:;γ为土体重度;z为滑动面到桩顶高度.对桩身沿深度方向积分即得桩提供的抗滑力Sp.2路堤稳定性分析将本文方法与传统复合抗剪强度法对路堤稳定性进行对比分析,基于某高速铁路刚性桩加固软弱地基上路堤工况,建立了路堤简化模型(如图3所示).路堤顶面宽28m,路堤高5m,边坡比1∶1.5,路堤填土黏聚力15kPa,摩擦角28°,路堤交通荷载为15kPa.路基土为淤泥质黏土,黏聚力7.5kPa,摩擦角5°.路堤下钢筋混凝土桩直径为0.5m,桩长20m,正方形布桩,桩间距3.0m,桩体为C30混凝土,配置10Φ25Ⅱ级钢筋,Φ8@150箍筋,抗剪强度2400kPa,抗剪承载力471kN.选择滑弧的圆心,作出相应的滑动圆弧,将滑动土体分成若干土条,取土条宽度b=2m,假设K=1,求出mαi,将土条各参数代入式(6)求出K,若计算的K值与假定的K值不等,则以计算的K值代入再求新的mαi和K,如此反复迭代,直至前后2次值满足所要求的精度为止.为求出最小的K值,继续假定若干个滑动,按前法进行试算,最终得出路堤的稳定安全系数.传统复合抗剪强度法路堤稳定性分析时,路堤最危险滑动面半径为11.78m;考虑路堤发生桩间土绕桩滑动破坏时,路堤最危险滑动面半径为14.16m,其位置分别如图3所示.图4为不同滑动面下2种方法路堤安全系数变化曲线.可以看出:采用复合抗剪强度法计算出的路堤安全系数明显大于采用桩间土绕桩滑动破坏模式下路堤安全系数.随着圆弧滑动面半径的增大,2种计算方法得出的安全系数差值逐渐减小.分析原因:传统方法中路堤安全系数变化是因为滑动面位置变化导致了土条受力平衡变化,从而引起整体稳定安全系数变化;而随着滑动面离地面高度的增加,土拱效应提供的抗滑力逐渐增大,引起含桩土条的抗滑力矩也逐渐增大,与传统方法得出的结果差距逐渐减小.综上:当软弱地基黏聚力及内摩擦角较小时,不考虑路堤实际失稳破坏模式,按传统复合抗剪强度计算的安全系数不能准确反映路堤稳定性.3复合抗剪强度法稳定性设计参数基于上述工况,分别对本文方法与传统复合抗剪强度法稳定性设计计算重要参数进行分析,包括路堤上部荷载、软弱地基抗剪强度、桩径和桩体抗剪承载力.3.1路堤稳定性验算图5为不同路堤上部荷载(p)下2种方法计算得出的安全系数变化曲线.可以看出:随着路堤荷载的增加,2种方法求得的路堤稳定安全系数逐渐减小,传统复合抗剪强度法得出的安全系数高估了路堤稳定性.3.2加强桩间土绕桩滑动破坏时路堤稳定性分析软弱地基抗剪强度指标包括黏聚力和内摩擦角.桩间土发生绕桩滑动破坏时,路基软土抗剪强度对桩间土拱效应有较大影响,而复合抗剪强度法中桩体提供的抗剪力与其无关,因此有必要对地基土的抗剪强度指标进行参数分析.图6为软弱地基不同黏聚力下2种方法得到的路堤安全系数变化曲线.可以看出:2种方法中路堤安全系数随着软弱地基黏聚力增加而增大.考虑桩间土绕桩滑动破坏时,路堤安全系数明显小于传统方法得出的安全系数.图7为软弱地基不同内摩擦角下2种方法得到的路堤安全系数变化曲线.可以看出:2种方法得出的路堤安全系数随着软弱地基内摩擦角增加而增大.考虑桩间土绕桩滑动破坏得到的路堤安全系数明显小于传统方法,对比黏聚力分析可知软弱地基内摩擦角对路堤稳定性的影响更大.软弱地基抗剪强度较小时,桩间土拱效应提供的抗滑力较小,路堤易发生桩间土绕桩滑动失稳破坏.例如当内摩擦角为0°时,考虑桩间土绕桩滑动破坏得出的路堤稳定安全系数为1.05,路堤已处于临界失稳状态,而传统方法得出的路堤安全系数为1.70.3.3桩间土绕桩稳定性图8为不同桩径下2种方法得到的路堤安全系数变化曲线.由于桩体抗剪强度与桩径之间为二次函数关系,传统方法得出的路堤安全系数呈非线性增长.考虑桩间土绕桩滑动破坏时,土拱效应提供的抗滑力随着桩径增大而增大,路堤安全系数也随之增大.随着桩径增大,2种方法得出的安全系数差值逐渐增大.3.4传统抗剪强度法的计算图9为软弱地基不同桩体抗剪承载力(F)下2种方法得到的路堤安全系数变化曲线.可以看出:在桩间土发生绕桩滑动破坏模式下,改变桩体抗剪强度对路堤稳定性没有影响;而随着桩体抗剪承载力的增大,传统复合抗剪强度法得出的路堤安全系数线性增大.当桩体抗剪承载力为242kN时,2种方法得出的安全系数相等.桩体抗剪承载力小于242kN时,采用传统抗剪强度法计算得到的抗滑力小于桩间土滑动破坏模式下土拱效应提供的抗滑力,可认为此时桩体发生剪切破坏;当桩体抗剪承载力大于242kN时,采用传统方法得到的抗滑力大于桩间土滑动破坏模式下土拱效应提供的抗滑力,可认为此时路堤发生桩间土绕桩滑动破坏.随桩体抗剪承载力增大,路堤稳定性实际安全系数如图9中所示.4路堤稳定性影响因素分析针对刚性桩加固软弱地基上路堤稳定性现有计算方法存在的不足,提出了考虑路堤桩间土绕桩滑动破坏模式,并推导出了该破坏模式下路堤稳定性计算方法.将本文方法与传统复合抗剪强度法进行对比分析,并对影响路堤稳定性的重要参数进行了参数分析,得到以下结论:a.提出考虑路堤桩间土绕桩滑动破坏模式,并基于Tomio土拱效应理论和Bishop圆弧滑动法推导了该破坏模式下路堤稳定性计算方法.b.软弱地基上刚性桩支承