樁基加固位置及長度對軟土地基邊坡的影響分析

作者簡介：

盧照磊（1992—），工程師，研究方向：道路橋梁工程。

為研究路堤樁基在軟土地基邊坡工程中的作用機理，文章建立了樁基加固軟土邊坡的有限元模型，分析了不同加固位置和樁長度對軟土邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：（1）樁基的不同加固位置對軟土邊坡的安全系數(shù)和變形量有顯著影響，當加固位置為邊坡右側(cè)時，安全系數(shù)比加固位置為邊坡左側(cè)的高出近50%；（2）不同加固位置的樁基剪應力主要集中在-4～-1 m的區(qū)域，樁基在該區(qū)域更易受到破壞；（3）樁長為3 m時，軟土邊坡的安全系數(shù)滿足工程規(guī)范要求，但變形量相對較大，最大變形可達120 mm，且變形主要集中在路堤右側(cè)，是樁長為6 m和9 m時路堤豎向變形的20～30倍；（4）在工程施工過程中，應根據(jù)剪應力和位移的分布情況，采取合理措施調(diào)整樁基加固位置和長度等施工方案。

樁基；邊坡；軟土地基；加固；穩(wěn)定性

U416.1+4A260933

0?引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，許多偏遠山區(qū)陸續(xù)修建公路和鐵路，經(jīng)常會遇到軟黏土質(zhì)邊坡填筑的路堤。軟土邊坡不應僅視為邊坡基礎(chǔ)和軟土路基的簡單組合，因此，研究在軟土地基邊坡上修建路堤的可行性至關(guān)重要。軟土地基通常具有傾斜的土層面，地基土松散、力學強度低，壓縮性高，給邊坡穩(wěn)定、路堤填筑施工和路塹開挖帶來一定困難［1］。此外，在邊坡、軟土層和路堤自重的影響下，同時還承受車輛荷載，易出現(xiàn)沉降不均、側(cè)向變形過大等工程問題。在傾斜的軟土地基上修建大型工程項目時，易發(fā)生邊坡失穩(wěn)［2］。因此，需采取經(jīng)濟合理的有效措施以加固邊坡，減小變形，增大邊坡的安全系數(shù)［3］。國內(nèi)外相關(guān)工程實踐表明，樁基在邊坡加固工程中具有明顯優(yōu)勢，得到了廣泛的應用。工程中可采用樁基加固來滿足路堤穩(wěn)定性的要求［4］。姜彥彬等［5］在土體自重和豎向荷載條件下，對比樁加筋邊坡和無筋邊坡，進行了一系列模型試驗。黃延等［6］研究建立了考慮不同埋深和樁位的三維邊坡加固微抗滑樁模型。胡燁之等［7］使用PLAXIS-3D軟件，研究了土質(zhì)邊坡、不排水粘聚力、樁土界面粘附力、樁徑和樁帽對黏土坡頂樁橫向承載力的影響。張國軍等［8］分析了用于穩(wěn)定邊坡的樁的最佳位置問題。然而，關(guān)于樁基加固斜坡軟土路堤的穩(wěn)定性仍待進一步研究。為了滿足工程規(guī)范要求，有必要研究邊坡軟土路堤的穩(wěn)定性和樁基加固的效果。

本文采用有限元分析法和強度折減法相結(jié)合的方法對樁基加固軟土邊坡路堤進行研究，建立了樁基-路堤模型，研究了樁基的位置和長度對路堤穩(wěn)定性的影響，對比了不同加固方案對邊坡軟土路堤穩(wěn)定性和樁基力學性能的影響，研究結(jié)果對樁基加固軟土邊坡路堤的設(shè)計具有參考意義。

1?模型的建立

本文基于一個典型的軟土地基邊坡路堤工程，利用ABAQUS建立了樁基-路堤模型。為了減少模型邊界效應對有限元分析的影響，本文模型長度設(shè)置為120 m，路堤坡度設(shè)置為1∶1.85，軟土層厚度為3 m，坡度為9°，如圖1所示。該模型由路堤填料、軟土層和下臥剛性層組成。模型的左右兩側(cè)在水平方向上受到約束，底部在水平和豎直方向上受到限制，路堤和坡面是自由狀態(tài)。土體和樁之間的接觸是硬接觸，采用平面應變四邊形單元對有限元模型進行網(wǎng)格劃分。

本文在建立軟土地基邊坡路堤工程時，只考慮了土體自重的影響，沒有考慮地震、降雨和降雪等其他因素。數(shù)值模型的安全系數(shù)采用有限元分析，結(jié)合強度折減法進行計算。樁基在位置1、位置2、位置3、位置4、位置5和位置6點進行加固，如圖1所示。相鄰樁基之間的間距為5 m，樁徑為0.8 m，樁基彈性模量為32 GPa。路堤填土層和軟土層采用摩爾-庫倫理論，模擬土體的力學強度，下伏剛性層和樁基采用彈性本構(gòu)模型。路堤填土層的彈性模量設(shè)置為110 MPa，泊松比為0.37，重度為19.5 kN/m3，內(nèi)摩擦角取28°。軟土地基土的彈性模量設(shè)置為15 MPa，泊松比為0.35，重度為18.5 kN/m3。

2?分析與討論

本文研究了不同樁基位置和長度對軟土地基邊坡路堤穩(wěn)定性的影響，主要包括路堤的豎直方向變形和安全系數(shù)，以及樁基的剪應力和水平位移。本文研究中路堤變形未考慮方向?qū)ψ冃沃档挠绊?，豎向變形為數(shù)值模型在垂直方向上的位移。

2.1?強度折減方法

有限元分析方法具有計算簡單、應用范圍廣的優(yōu)點，同時，強度折減法被廣泛采用于計算邊坡的安全系數(shù)。因此，本文采用有限元分析法與強度折減法相結(jié)合，對樁基加固軟土地基邊坡上的路堤進行了研究。強度折減法是通過逐漸降低邊坡的強度指標來分析邊坡穩(wěn)定性，直到邊坡達到極限平衡狀態(tài)，折減系數(shù)是邊坡的安全系數(shù)。對于摩爾-庫倫本構(gòu)模型，當使用有限元強度折減法時，需要將c和tan值除以強度折減因子Fs，以獲得一組新的強度參數(shù)，然后進行有限元分析，并通過公式反復計算，直到邊坡土體達到臨界失效狀態(tài)。臨界狀態(tài)對應的折減系數(shù)是邊坡的安全系數(shù)，具體如公式1所示。

其中，F(xiàn)s是強度折減系數(shù)，c是土體的內(nèi)聚力，φ是土體的內(nèi)摩擦角。強度折減方法可以在ABAQUS中實施，通過設(shè)置和調(diào)整材料參數(shù)，使其隨現(xiàn)場變量而變化。模型計算經(jīng)過多次迭代后不收斂，根據(jù)相應穩(wěn)定性分析的評價標準得到安全系數(shù)。

2.2?樁基加固位置

為了研究軟土地基邊坡路堤上樁基加固位置的影響，建立了六個模型，分別對位置1、位置2、位置3、位置4、位置5和位置6進行了樁基加固。相鄰樁基之間的距離為5 m，樁徑為0.8 m，樁長為6 m。分析了不同加固位置對軟土地基邊坡路堤安全系數(shù)的影響，具體結(jié)果如圖2所示。當加固位置從1變?yōu)槲恢?時，安全系數(shù)增大，安全系數(shù)從1.587增加到1.661。當加固位置為1或位置2時，其安全系數(shù)較高，這意味著在此處進行樁基加固可以更好地提高邊坡的穩(wěn)定性。當加固位置為位置2時，安全系數(shù)比位置5高出近50%，比位置6高出近40%。

除此之外，本文還研究了不同加固位置對軟土地基邊坡路堤表面豎向方向變形的影響。在圖3中，橫軸是從軟土地基邊坡路堤表面上的任意點到路堤表面右端的距離。如圖3所示，軟土地基邊坡路堤的變形從路堤表面的右側(cè)向左側(cè)逐漸減小，變形主要集中在路堤表面的右側(cè)。此外，不同的加固位置對路堤表面的變形有很大的影響。例如，當位置5用樁基加固時，路堤變形比位置1用樁基加固顯著增大。如圖3（a）所示，對位置1或位置2進行加固，與其他位置相比，路堤的變形可以得到更好的控制效果。當位置1或位置2單獨加固時，詳細分析了模型路堤表面垂直變形的差異，如圖3（b）所示。如果位置1用樁基加固，路堤表面的橫向變形較位置2更有效地減少，豎向變形量幾乎接近零。

綜合上述分析，當路堤的右下部分，位置1至位置3處采用樁基加固時，與其他位置相比，樁基可以更有效地提高路堤的穩(wěn)定性。不同加固位置的樁基剪應力如圖4所示，剪應力主要集中在-1～-4 m的區(qū)域，因此樁基在該區(qū)域更容易受到破壞。對于不同位置加固的模型，當在位置2、位置3、位置4、位置5和位置6分別加固時，樁基的平均剪應力從位置2到位置6逐漸降低。雖然在位置1用樁基加固的數(shù)值模型中，樁基承受的剪應力很小，但路堤的穩(wěn)定性有一定改善［9］。

2.3?樁基長度

相鄰樁之間的距離為5 m，坡度為9°。為分析樁基長度對軟土地基邊坡的安全系數(shù)、路堤變形和樁基力學性能的影響，用樁基加固不同位置，樁基從右到左依次記為1號樁、2號樁、3號樁、4號樁、5號樁和6號樁。改變有限元模型中樁長的數(shù)據(jù)，樁徑設(shè)置為0.8 m，樁間距為5 m，分析樁長為3 m、6 m和9 m時，樁基長度對邊坡安全系數(shù)、路堤表面變形和樁基力學性能的影響。樁長為3 m、6 m和9 m時，安全系數(shù)均取為4。當樁基數(shù)量為6時，樁基長度對安全系數(shù)的影響很小，軟土邊坡上的路堤保持相對穩(wěn)定。

不同長度的樁基對路堤表面變形的影響不同。當樁長分別為6 m和9 m時，路堤表面的變形約為5 mm，這表明當樁長為6 m和9 m時，不僅可以符合邊坡工程安全系數(shù)的要求，同時路堤表面的豎向變形也可以得到較好控制。樁長3 m時，雖然路堤的安全系數(shù)符合工程規(guī)范要求，但路堤的變形相對較大，最大變形可達120 mm。此時，變形主要集中在路堤右側(cè)，是樁長為6 m和9 m時路堤豎向變形的約20～30倍，過量的變形對堤防工程的正常運行與維護產(chǎn)生重大不利影響。因此，當采用樁基加固路堤時，應選擇合適的樁長來控制路堤的豎向變形，增加樁的長度可以顯著減小軟土地基邊坡路堤的變形量［10］。

圖5為不同長度樁基情況下的軟土地基邊坡的水平方向位移曲線，對比了長度為3 m和6 m時的情況，圖5（a）的樁長為3 m，圖5（b）的樁長為6 m。如圖5所示，樁基的水平方向位移受樁長的影響同樣較大，水平位移主要集中在樁的下部。當樁基長度從3 m增加到6 m時，樁基底部的位移顯著減小。例如，對于1號樁，樁基底部的位移減少了約80%。當樁基長度從6 m增加到9 m時，樁基的水平位移主要集中在所有樁基的底部且呈現(xiàn)增加的趨勢，各樁基底部的水平位移結(jié)果較為相似。

基于上述分析，結(jié)果表明，增加樁的長度可以減少各樁基的水平位移，但當群樁長度超過一定范圍時，樁長繼續(xù)增加，樁基的水平位移不會持續(xù)減小。因此，在軟土邊坡上用樁基加固路堤時，有必要選擇合適的樁長，既能充分利用樁基，又節(jié)約成本。為了更好地為工程樁基設(shè)計提供理論指導，對樁基的力學性能進行了分析。當樁長度為6 m時，樁基上的剪應力比樁長為3 m時波動更明顯，樁基所承受的剪應力集中在樁基的-4～-6 m處，約為-60～-100 Pa。當群樁長度為9 m時，相較于3 m的群樁長度，各樁基上的剪應力隨著樁長的增加，樁基的剪應力波動范圍較小。樁長度對樁基剪應力的分布有較顯著影響。在工程施工過程中，應根據(jù)剪應力和位移的分布情況，采取合理措施調(diào)整樁基施工方案。

3?結(jié)語

本文采用有限元分析方法，研究了不同加固位置和樁長對邊坡軟土路堤穩(wěn)定性的影響，并分析了軟土地基邊坡路堤中樁基的位移和剪應力。結(jié)論如下：

（1）不同的樁基加固位置對路堤的穩(wěn)定性和豎向變形量有不同影響，在邊坡最右側(cè)加固的安全系數(shù)比邊坡最左側(cè)可高出近50%。

（2）邊坡軟土地基路堤的變形主要集中在路堤的右側(cè)坡腳。適當?shù)臉堕L對路堤的豎向變形有顯著的約束作用，長度為3 m的樁的最大豎向變形約是樁長為6 m和9 m的20～30倍。當邊坡軟土路堤采用不同樁長的群樁加固時，樁基的水平位移最多可降低約80%。

（3）不同的樁長對樁基的剪應力分布有影響。其中，樁基的水平位移受樁長的影響較大，水平位移主要集中在樁的下部。當樁基長度增加時，樁基底部的位移顯著減小。

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