流塑状软土复合地基桩土相互作用机理的研究

姚建平，李 琦，李泰灃，张千里，史存林

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

1 概述

我国高速铁路流塑状软土地基处理时大量采用CFG桩、管桩、钢筋混凝土灌注桩等刚性桩来解决地基承载力不足和路基工后沉降问题，然而在实际工程中还是出现了地基处理失效、路基填筑期间整体滑塌、线路开通运营后短期内铁路路基失稳或下沉等一系列工程问题［1］。这主要是对流塑状软土极低的抗剪强度和高触变的工程特性认识不足，对桩土模量差异较大的桩土相互作用机理认识不清，对桩体在流塑状软土地基中的抗剪贡献及破坏模式研究得不够深入。在进行路堤稳定性分析时仍然采用传统的极限平衡法，直接采用了桩身的抗剪强度，高估了路堤稳定性，从而导致在实际工程中地基处理方法选择不当［2］。

采用桩基进行地基处理，在稳定性检算中，土体和桩体共同承担抗剪作用。一般将土体和桩体分离，地基所提供的抗滑力减去土体提供的抗滑力即为桩体所提供的抗滑力。本文将这种抗滑力定义为桩体的视抗剪强度，因此在剪切试验中桩的视抗剪强度在数值上等于施加的外推力与桩周土体的抗剪强度的差值。视抗剪强度与桩体的刚度、桩土模量差异、土的抗剪强度、以及桩与滑弧切线的夹角存在直接关系。

本文研究桩土模量、桩体与滑弧切线的夹角、土体抗剪强度指标对桩体抗剪特性、破坏模式及桩土相互作用机理的影响。

2 流塑状软土复合地基桩土相互作用机理

2.1 流塑状软土直剪试验模拟

运用ABAQUS三维二阶减缩积分单元(C3D20R)建立模型，在已知土体抗剪强度的基础上，模拟土体直接剪切试验，验证有限元计算的正确性。为了方便后续分析，将圆形剪切土体换成方形剪切土体，长×宽×高分别为61.8 mm×61.8 mm×20.0 mm，剪切盒也为方形，设定为刚性体。土体参数:弹性模量取为4 MPa，内摩擦角为5°，黏聚力为5 kPa。本构模型采用Mohr-Coulomb模型。

表1是直接剪切试验模拟计算结果，可知，抗剪强度、推应力和剪力修正值与其理论值偏差很小，表明该仿真模型的正确性。图1为土体剪切后的剪切盒变形形态，可见该仿真模型与室内直接剪切试验结果十分相似，表明模型可靠、准确。

2.2 单桩桩土相互作用数值计算分析

在分析单桩桩土相互作用机理时选择了4种土体，土体模型长×宽×高为61.8 mm×61.8 mm×20.0 mm。桩体选择 CFG桩，弹性模量为16 GPa。CFG桩模型直径3 mm，长度20 mm。详细计算参数如表2所示。

桩体与滑弧切线的夹角取－30°～+30°，取13种夹角，共计算了52种工况(编号2～53)，如表3所示。

表1 直剪仿真计算值与理论值对比

图1 剪切后的剪切盒变形形态示意

2.2.1 不同桩土模量比桩体的破坏模式

图2是不同桩土模量比时典型桩体破坏形式。可以看出，随着桩土模量比的减小(土体强度的提高)，桩体破坏模式由弯曲破坏过渡到拉弯破坏［3-4］。这是因为随着土体强度的逐渐增大，桩体的视抗剪强度增大，以便应对更大的外加推力，这与桩土相互作用理论完全一致。

2.2.2 不同桩土模量比桩体的视抗剪强度

表4是不同桩土模量比时桩体视抗剪强度的计算结果。可以看出，随着土体强度的增加，桩体的视抗剪强度非线性增大。当桩土模量比较大时(土体强度较小)，外部施加的推力不能完全有效地传递到桩体上，这种情况桩体所能提供的视抗剪强度很有限，工况3桩的视抗剪强度仅为0.667 MPa。为了提高地基稳定性，需要对流塑性软土进行处理以提高其抗剪强度。强度高的土体可以更加有效的将外部推力传导到CFG桩上，因此桩体能够贡献出更高的视抗剪强度，这也间接证明了对流塑性软土进行加固处理的必要性。

表2 桩土计算参数

表3 单桩桩土相互作用52种计算工况

图2 不同桩土模量比桩体的破坏形式

2.2.3 桩体与滑弧切线夹角对单根桩体工作机理的影响

桩体与滑弧切线的夹角反映了路基下桩体位置特点，随着桩体与剪切面夹角的变化，桩体破坏形式由拉弯破坏、弯曲破坏逐渐过渡到压弯破坏，桩体的视抗剪强度随之变化。表5是桩土模量比为4 000∶2，桩体与滑弧线夹角从 －30°变化到 +30°时桩体的视抗剪强度。

表4 桩体的视抗剪强度

表5 桩体与滑弧切线不同夹角时桩体的视抗剪强度

图3为桩体视抗剪强度同桩体与滑弧切线夹角之间的关系，桩体与滑弧切线夹角接近0时，其视抗剪强度达到最大。当夹角为正或为负时，视抗剪强度均会减小，基本呈对称分布。

图3 桩体视抗剪强度同桩体与滑弧切线夹角之间的关系

3 结论与建议

本文对单根桩在流塑状软土中的工作机理进行了有限元分析，研究了桩土模量比、桩体与滑弧切线夹角、土体抗剪强度对桩体的抗剪特性、破坏模式及桩土相互作用机理的影响。结论如下:

1)提出了桩体视抗剪强度的概念，是指地基所提供的抗滑力减去土体提供的抗滑力。在路基稳定性检算时采用视抗剪强度能够更加真实地反映桩体在地基中的抗剪作用，传统的稳定性检算方法单纯采用桩体的抗剪强度会高估路基的稳定性。

2)运用ABAQUS三维二阶减缩积分单元建立模型，对纯土体直接剪切试验进行了模拟计算。结果表明，抗剪强度、推应力和剪力的修正值与其理论值偏差很小，验证了该仿真模型的正确性。

3)桩体视抗剪强度与桩体刚度、桩土模量差异、土的抗剪强度及桩体与滑弧切线的夹角存在直接关系。随着桩土模量比、桩体与滑弧切线夹角逐渐减小，桩体的视抗剪强度增加。随着桩土模量差异逐渐增加，桩体可能发生的破坏模式依次为桩体抗剪切破坏、受拉(压)破坏、弯曲破坏，不同破坏模式下CFG桩具有不同的视抗剪强度。

4)得到了不同的桩土模量比和桩体与滑弧切线夹角情况下桩体视抗剪强度的理论值，为流塑状软土路基稳定性计算提供了理论依据。

建议:

1)进一步开展流塑状软土的土工离心室内模型试验，研究桩土相互作用机理及桩体的破坏形式。

2)建立群桩条件下流塑状软土地基处理的模型，分析群桩条件下各种工况路基失稳和桩体破坏的模式。

［1］姚建平，蔡德钩，闫宏业，等.我国高速铁路地基处理综述［C］//中国土木工程学会土力学及岩土工程分会地基处理学术委员会.第11届全国地基处理学术讨论会论文集.海口:南海出版公司，2010:15-20.

［2］姚建平，史存林，蔡德钩，等.流塑状软土复合地基失效机理及处理方法研究思路［C］//中国铁道学会，中国公路学会.第14届中国科协年会第13分会场软土路基工程技术研讨会论文集.北京:人民交通出版社，2012:79-83.

［3］KITAZUME M，MARUYAMA K.Collapse Failure of Group Column Type Deep Mixing Improved Ground under Embankment［C］//Proceedings of the International Conference on Deep Mixing.New York:ASCE，2005:245-254.

［4］KITAZUME M，OKANO K，MIYAJIMA S.Centrifuge Model Tests on Failure Envelope of Column Type Mixing Method Improved Ground［J］.Soils and Foundations，2000，40(4):43-55.