CN111241621B - 一种路堤下高强度桩复合地基稳定性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路堤下高强度桩复合地基稳定性评估方法，包括：采用圆弧条分方法进行路堤下天然地基稳定性分析，得到天然地基稳定安全系数和圆弧滑动面；确定高强度桩复合地基在当前圆弧滑动面的范围内和范围外的每一根高强度桩的抗地基滑动力；采用圆弧条分方法进行路堤下高强度桩复合地基稳定性分析，得到高强度桩复合地基稳定安全系数；根据高强度桩复合地基稳定安全系数进行稳定性判断。本发明从高强度桩发生的弯折破坏模式出发，将轴力降低截面弯拉应力、提高桩体抗弯能力等作用考虑在内，能真实反映地基失稳时桩体提供的抗滑稳定贡献，具有较高可靠性，可运用于工程实践，并且高效快捷，操作简便，便于工程应用，具有较高的实用价值。

Description

一种路堤下高强度桩复合地基稳定性评估方法

技术领域

本发明属于岩土工程中的地基处理技术领域，具体涉及一种路堤下高强度桩复合地基稳定性评估方法。

背景技术

我国高速铁路和高速公路广泛采用以CFG桩(Cement Flyash Gravel Pile-水泥粉煤灰碎石桩的简称)、混凝土桩为代表的高强度桩复合地基处理技术。然而即使采用高强度桩加固地基，路堤失稳工程事故也时有发生，主要是由于缺乏合理的高强度桩复合地基稳定评估方法。

现有高强度桩复合地基稳定分析方法，即复合抗剪强度法、等效砂桩法、桩轴力矩法、桩间土荷载法，均存在一定缺陷。复合抗剪强度法是将桩体和桩间土体抗剪强度按面积置换率进行复合确定地基抗剪强度，然后按剪切破坏模式进行稳定检算，对于以弯拉破坏为主导、具有较高抗剪强度和较低抗弯强度的CFG桩和混凝土桩，会严重高估复合地基稳定性；等效砂桩法是将弯折破坏后的CFG桩和混凝土桩等效为内摩擦角

的砂桩，然后按剪切破坏模式进行稳定检算，与高强度桩发生的弯折破坏模式不符，也没有考虑桩体破坏前的结构强度提供的抗滑贡献，会严重低估复合地基稳定性；桩轴力矩法以滑面范围内桩体轴向抗力提供的抗滑力矩作为地基的稳定力矩进行计算，对以弯拉破坏为主导破坏模式的CFG桩和混凝土桩，桩体能提供的水平抗力远小于其轴向抗力，桩体在未达到竖向承载力前已发生弯折破坏，由此计算的地基稳定安全系数偏高，会高估复合地基稳定性；桩间土荷载法是一种扣除桩体分担的荷载，将剩余桩间土承担荷载等效为路堤填土荷载作用于天然地基上的稳定分析方法，其实质是将路堤下高强度桩复合地基稳定性转化为天然地基稳定性问题，但未考虑桩体弯折破坏模式对复合地基稳定性的影响。因此，如何合理评估高强度桩复合地基的稳定性是一个亟需解决的关键技术问题。

发明内容

针对现有技术中高强度桩复合地基稳定评估方法缺失及现有稳定分析方法未能反映高强度桩实际受力破坏模式等问题，本发明提出了一种路堤下高强度桩复合地基稳定性评估方法。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种路堤下高强度桩复合地基稳定性评估方法，包括：

步骤一：采用圆弧条分方法进行路堤下天然地基稳定性分析，得到天然地基稳定安全系数K₀；

步骤二：令K₀为当前地基稳定安全系数K，K₀对应的圆弧滑动面为当前圆弧滑动面；

步骤三：确定高强度桩复合地基在当前圆弧滑动面的范围内的每一根高强度桩i的抗地基滑动力，具体为：

计算桩顶部承担的路堤荷载

其中，d为桩径，γ_e为路堤填土重度，h_i为路堤填土高度，C_ci为路堤荷载在桩顶和桩间土之间分担的土拱系数；

计算桩在当前圆弧滑动面剪切的深度处的轴力

其中，l_i为桩被当前圆弧滑动面剪切到的长度，ζ为桩的桩型类别系数，L_i为桩长；计算桩的极限抗弯力矩

其中，γ为桩的截面抵抗矩塑性影响系数，f_tk为桩的桩身材料抗拉强度，A为桩的横截面面积；

计算桩的抗地基滑动力

α_i为桩与当前圆弧滑动面相交处滑动面切线与水平面的夹角，R为当前圆弧滑动面的半径；

步骤四：令高强度桩复合地基在当前圆弧滑动面的范围外的每一根高强度桩的抗地基滑动力为0；

步骤五：根据当前圆弧滑动面的范围内和范围外的所有桩的抗地基滑动力，采用圆弧条分方法进行路堤下高强度桩复合地基稳定性分析，得到高强度桩复合地基稳定安全系数K’；如|K’-K|≤ε，ε为迭代收敛阈值，则跳转到步骤七，否则继续；

步骤六：令K’为当前地基稳定安全系数K，K’对应的圆弧滑动面为当前圆弧滑动面，并返回步骤三；

步骤七：根据高强度桩复合地基稳定安全系数K’进行稳定性判断。

进一步地，所述路堤荷载在桩顶和桩间土之间分担的土拱系数C_ci，根据高强度桩复合地基的桩型类别确定：如桩型类别为端承桩或摩擦端承桩，则C_ci＝2.2h_i/d-0.18；如桩型类别为摩擦桩、端承摩擦桩或混合作用桩，则C_ci＝1.7h_i/d-0.07。

进一步地，所述高强度桩的桩型类别系数为：摩擦桩ζ＝0.1、端承摩擦桩ζ＝0.3、混合作用桩ζ＝0.5、摩擦端承桩ζ＝0.7、端承桩ζ＝0.9。

进一步地，所述高强度桩为CFG桩或混凝土桩。

进一步地，所述路堤下高强度桩复合地基，其高强度桩的布置形式为正方形。

本发明的有益效果在于，从高强度桩发生的弯折破坏模式出发，将轴力降低截面弯拉应力、提高桩体抗弯能力等作用考虑在内，能真实反映地基失稳时桩体提供的抗滑稳定贡献，具有较高可靠性，可运用于工程实践，并且高效快捷，操作简便，便于工程应用，具有较高的实用价值。

附图说明

图1为高强度桩复合地基失稳滑面示意图；其中，1-路堤；2-地基软土层；3-地基持力层；4-高强度桩；5-圆弧滑动面。

图2为桩型类别不同下的桩体轴力变化图。

图3为实施例中计算模型剖面图。

图4为实施例中迭代计算后地基稳定安全系数K变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。

本发明从高强度桩发生的弯折破坏模式出发，通过桩型类别判断及桩顶荷载分担，得出了滑面剪切深度处高强度桩轴力计算表达式；通过考虑轴力对高强度桩抗弯能力的提高作用，根据高强度桩阻止地基滑动的力矩等效原则，导出了高强度桩抗地基滑动力表达式；采用圆弧条分法进行地基稳定性分析，直至相邻两次迭代的稳定安全系数相差在阈值范围内。该方法能真实反映路堤失稳时高强度桩提供的抗滑稳定贡献，具有较高可靠性。

本发明的步骤是：

A、获取路堤下高强度桩复合地基的结构尺寸与材料参数

通过量测与试验方法，获取路堤高度h及边坡坡率1:n、路基面宽度w、路堤填土重度γ_e、黏聚力c_e及内摩擦角

获取高强度桩复合地基的桩径d及桩长L、桩的布置形式及桩间距s、桩身材料抗拉强度f_tk；获取地基土重度γ_s、黏聚力c_s及内摩擦角

B、确定高强度桩的桩型类别系数及土拱系数

通过地勘调查方法，获得高强度桩复合地基的桩端持力层条件，确定高强度桩的桩型类别系数ζ；根据高强度桩复合地基的桩型类别和桩顶位置的路堤填土高度h_i，确定路堤荷载在桩顶和桩间土之间分担的土拱系数C_ci，对于端承桩与摩擦端承桩等端承型桩，C_ci＝2.2h_i/d-0.18；对于摩擦桩和端承摩擦桩以及混合作用桩等摩擦型桩，C_ci＝1.7h_i/d-0.07，其中i为桩的标号。

C、确定路堤下天然地基失稳滑动面位置及滑面参数

采用圆弧条分方法进行路堤下天然地基稳定性分析，将地基稳定安全系数K₀对应的圆弧滑动面，确定为天然地基失稳滑动面，获得天然地基失稳滑面半径R₀和滑面圆心位置O₀。

D、确定路堤下高强度桩的轴力及极限抗弯力矩

针对地基失稳滑面范围内的高强度桩复合地基，确定桩i顶部承担的路堤荷载

确定在圆弧滑动面剪切深度l_i处桩i的轴力

确定桩i的极限抗弯力矩

f_tk为轴心抗拉强度标准值，γ为桩的截面抵抗矩塑性影响系数；A为桩的横截面面积；

E、确定路堤下高强度桩的抗地基滑动力

针对地基失稳滑面范围内的高强度桩复合地基，确定桩i的抗地基滑动力

α_i为桩i与滑面相交处滑面切线与水平面夹角；R为当前圆弧滑动面的半径。

F、确定高强度桩复合地基的最小稳定系数

将天然地基稳定安全系数K₀对应的圆弧滑动面，作为当前地基失稳圆弧滑动面，按照步骤D、E的计算方法，求得地基失稳圆弧滑动面范围内的高强度桩抗地基滑动力F_i，并将圆弧滑动面范围外的高强度桩抗地基滑动力设为0，之后采用圆弧条分方法进行路堤下高强度桩复合地基稳定性分析，获得第一次高强度桩复合地基稳定安全系数K₁和第一次高强度桩复合地基失稳滑面半径R₁和滑面圆心位置O₁。如果|K₁-K₀|≤ε，这里迭代收敛阈值ε取0.01，那么输出K₁，即令K＝K₁；否则，把K₁对应的圆弧滑动面，作为当前地基失稳圆弧滑动面，按照相同的方法求得第二次高强度桩复合地基稳定安全系数K₂和第二次高强度桩复合地基失稳滑面半径R₂和滑面圆心位置O₂。如果|K₂-K₁|≤0.01，那么输出K₂，即令K＝K₂。以此类推，直至相邻两次迭代的稳定安全系数相差在迭代收敛阈值ε范围内，即|K_m-K_m-1|≤0.01，则将K_m作为高强度桩复合地基的稳定安全系数K，其中，m为迭代计算次数，K_m-1为前一次迭代的稳定安全系数，K_m为后一次迭代的稳定安全系数。

G、评估高强度桩复合地基的稳定性

高强度桩复合地基稳定安全系数K大于或等于地基稳定安全系数设计控制值时，高强度桩复合地基稳定性满足要求；高强度桩复合地基稳定安全系数K小于地基稳定安全系数设计控制值时，高强度桩复合地基需进行加固处理。

其中，高强度桩为CFG桩或混凝土桩，高强度桩布置形式为正方形。

桩型类别系数ζ，摩擦桩ζ＝0.1、端承摩擦桩ζ＝0.3、混合作用桩ζ＝0.5、摩擦端承桩ζ＝0.7、端承桩ζ＝0.9。

本发明的力学原理：

在路基下滑力作用下，桩前、桩后截面上分别产生压、拉应力σ_c、σ_t。由于混凝土材料抗拉性能较差，其抗拉强度远小于抗压强度，故CFG桩、混凝土桩等类型桩身破坏受拉应力控制。轴力N作用下不仅能提高桩前压应力，还可削弱桩后弯拉应力。由压弯组合力学分析得

桩前压应力：

桩后拉应力：

取σ_t＝f_tk，考虑混凝土桩的截面抵抗矩塑性影响系数γ，获得极限抗弯力矩M_u为

实施例：

地基上部黏土层15m，下部为砂土层。路堤面宽度w＝20m，路堤高度h＝5m，边坡坡率1:n＝1:2。地基采用直径d＝0.56m的混凝土圆桩加固，桩长L＝17m，正方形布置形式，桩间距s＝2.0m，桩端嵌入下部砂土层深度2.0m。路基剖面如图3所示，路基材料参数见表1。

表1路基材料参数

根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)条文说明4.1.4：强度设计值＝强度标准值/分项系数，对于混凝土材料的分项系数取1.4，故混凝土材料轴心抗拉强度标准值为设计值的1.4倍，即f_tk＝1.4f_t。实施例中混凝土桩轴心抗拉强度标准值f_tk＝1.4f_t＝3.92MPa。

由于桩端嵌入砂土层深度2.0m，通过桩端持力层条件及桩型类别判断，可确定模型中高强度桩属于端承桩，由此，桩型类别系数ζ＝0.9，土拱系数C_c按端承型桩C_ci＝2.2h_i/d-0.18进行计算，不同位置处土拱系数C_ci计算结果见表2。

路堤填土高度h_i对应的桩顶荷载N_ti见表2。

表2桩顶路堤填土高度下土拱系数C_c及桩顶荷载N_t

采用瑞典圆弧条分法进行路堤下天然地基稳定性分析，获得天然地基稳定安全系数K₀＝0.969，滑面半径R₀＝16.019m，滑面圆心位置O₀(-15.866m，7.246m)。

以天然地基稳定安全系数K₀对应的失稳圆弧滑动面作为当前地基滑动面，根据公式

确定路堤下高强度桩的桩顶承担的路堤荷载N_ti，由公式

确定不同位置处高强度桩在圆弧滑动面剪切深度l_i处的轴力N_i；由公式

确定不同位置处高强度桩的极限抗弯力矩M_ui，见表3。

表3不同位置处高强度桩桩顶荷载N_ti与轴力N_i及抗弯力矩M_ui

再由公式

确定路堤下高强度桩的抗地基滑动力F_i，见表4。

表4不同位置处高强度桩可提供的抗地基滑动力F_i

将所得失稳圆弧滑动面范围内桩体赋值抗地基滑动力F_i，滑面范围外桩体抗地基滑动力F_i设为0，再次采用圆弧条分方法进行稳定性计算，得到第一次高强度桩复合地基稳定安全系数K₁和第一次高强度桩复合地基失稳滑面半径R₁和滑面圆心位置O₁。如果|K₁-K₀|≤ε，这里迭代收敛阈值ε取0.01，那么输出K₁，即令K＝K₁；否则，把K₁对应的圆弧滑动面，作为当前地基失稳圆弧滑动面，按照相同的方法求得第二次高强度桩复合地基稳定安全系数K₂和第二次高强度桩复合地基失稳滑面半径R₂和滑面圆心位置O₂。如果|K₂-K₁|≤0.01，那么输出K₂，即令K＝K₂。以此类推，直至相邻两次迭代的稳定安全系数相差在迭代收敛阈值ε范围内，即|K_m-K_m-1|≤0.01，则将K_m作为高强度桩复合地基的稳定安全系数K，其中，m为迭代计算次数，K_m-1为前一次迭代的稳定安全系数，K_m为后一次迭代的稳定安全系数。

经迭代试算后地基稳定安全系数K变化如图4，可以看出，第四次迭代后安全系数变化趋于稳定，第五次迭代的地基稳定安全系数K₅＝1.286，第六次迭代的地基稳定安全系数K₅＝1.296，故取第六次迭代结果作为路堤稳定安全系数，K＝1.296。

根据《铁路工程地基处理技术规程》(TB 10106-2010)规范要求，对于列车设计行车速度120＜v≤200km/h，相应地基稳定安全系数设计控制值为1.25<K＝1.296，可确定该实施例中高强度桩复合地基稳定性满足要求。

Claims (5)

1.一种路堤下高强度桩复合地基稳定性评估方法，其特征在于，包括：

步骤一：采用圆弧条分方法进行路堤下天然地基稳定性分析，得到天然地基稳定安全系数K₀；

步骤二：令K₀为当前地基稳定安全系数K，K₀对应的圆弧滑动面为当前圆弧滑动面；

步骤三：确定高强度桩复合地基在当前圆弧滑动面的范围内的每一根高强度桩i的抗地基滑动力，具体为：

计算桩顶部承担的路堤荷载

其中，d为桩径，γ_e为路堤填土重度，h_i为路堤填土高度，C_ci为路堤荷载在桩顶和桩间土之间分担的土拱系数；

计算桩在当前圆弧滑动面剪切的深度处的轴力

其中，l_i为桩被当前圆弧滑动面剪切到的长度，ζ为桩的桩型类别系数，L_i为桩长；

计算桩的极限抗弯力矩

其中，γ为桩的截面抵抗矩塑性影响系数，f_tk为桩的桩身材料抗拉强度，A为桩的横截面面积；

计算桩的抗地基滑动力

α_i为桩与当前圆弧滑动面相交处滑动面切线与水平面的夹角，R为当前圆弧滑动面的半径；

步骤四：令高强度桩复合地基在当前圆弧滑动面的范围外的每一根高强度桩的抗地基滑动力为0；

步骤五：根据当前圆弧滑动面的范围内和范围外的所有桩的抗地基滑动力，采用圆弧条分方法进行路堤下高强度桩复合地基稳定性分析，得到高强度桩复合地基稳定安全系数K’；如|K’-K|≤ε，ε为迭代收敛阈值，则跳转到步骤七，否则继续；

步骤六：令K’为当前地基稳定安全系数K，K’对应的圆弧滑动面为当前圆弧滑动面，并返回步骤三；

步骤七：根据高强度桩复合地基稳定安全系数K’进行稳定性判断。

2.如权利要求1所述的一种路堤下高强度桩复合地基稳定性评估方法，其特征在于，所述路堤荷载在桩顶和桩间土之间分担的土拱系数C_ci，根据高强度桩复合地基的桩型类别确定：如桩型类别为端承桩或摩擦端承桩，则C_ci＝2.2h_i/d-0.18；如桩型类别为摩擦桩、端承摩擦桩或混合作用桩，则C_ci＝1.7h_i/d-0.07。

3.如权利要求1所述的一种路堤下高强度桩复合地基稳定性评估方法，其特征在于，所述高强度桩的桩型类别系数为：摩擦桩ζ＝0.1、端承摩擦桩ζ＝0.3、混合作用桩ζ＝0.5、摩擦端承桩ζ＝0.7、端承桩ζ＝0.9。

4.如权利要求1所述的一种路堤下高强度桩复合地基稳定性评估方法，其特征在于，所述高强度桩为CFG桩或混凝土桩。

5.如权利要求1所述的一种路堤下高强度桩复合地基稳定性评估方法，其特征在于，所述路堤下高强度桩复合地基，其高强度桩的布置形式为正方形。

Images