閔建剛， 蔡港旗

(1.云南省曲靖市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站， 云南 曲靖 655000； 2.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院)

中國疆域遼闊，局部存在著大量軟弱地基。軟弱地基上建設(shè)高速公路，工程中選用復(fù)合地基加固取得了顯著的工程效果。但是，軟基局部厚度不均勻或者順向傾斜，導(dǎo)致路基沉陷滑移事故難以避免。例如，四川省廣元至南充高速公路斜坡軟基路堤施工期沉陷滑移，武漢城市圈環(huán)線高速公路先后采用粉噴樁和預(yù)應(yīng)力管樁加固，均未能滿足地基穩(wěn)定性要求，施工期2次出現(xiàn)路基沉陷滑移。

軟土強(qiáng)度低，壓縮性高，有機(jī)質(zhì)含量較大，填土荷載作用下，軟土地基將產(chǎn)生較大變形，若不加固，或加固效果不好，將發(fā)生破壞。滑移是軟土路基破壞形式之一，在路堤坡腳設(shè)置側(cè)向約束樁(相當(dāng)于抗滑樁)，可以提高路基抗剪強(qiáng)度，防止剪切破壞?？够瑯都庸逃操|(zhì)巖土邊坡研究成果較多。李樹興以二莊科北區(qū)滑坡治理為背景，比較施作抗滑樁前后土壓力監(jiān)測值、設(shè)計(jì)值和數(shù)值模擬值，綜合評價(jià)滑坡治理效果；李華勇以某深基坑工程為背景，研究了抗滑樁位置對邊坡安全系數(shù)的影響；張磊運(yùn)用BOTDR分布式光纖感測技術(shù)對抗滑樁長期監(jiān)測，基于檢測數(shù)據(jù)反演分析抗滑樁內(nèi)力，得到抗滑樁工作狀態(tài)的特征值；李梅等運(yùn)用數(shù)值模擬方法，在同一安全系數(shù)下，研究樁位、錨固深度、樁長對抗滑樁結(jié)構(gòu)的影響，為抗滑樁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供參考；張國信、李寧寧通過有限元分析抗滑樁變形情況，驗(yàn)證抗滑樁加固效果；王浩然通過離心模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)抗滑樁對含軟弱夾層邊坡的加固效果明顯，且樁位在坡中的加固效果優(yōu)于坡腳。近年來，抗滑樁加固軟弱地基受到重視。蔣鑫建立數(shù)值模型，分析坡腳處抗滑樁可有效約束地基側(cè)向位移，并討論抗滑樁參數(shù)對變形和內(nèi)力的影響；蔣鑫研究了土體重度、內(nèi)摩擦角及黏聚力對樁身彎矩極值的影響權(quán)重，為碎石樁復(fù)合地基+抗滑樁聯(lián)合加固斜坡軟弱路基優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

可見，單一抗滑樁研究很多，對于坡腳處抗滑樁協(xié)同加固滑移碎石樁復(fù)合地基研究很少。該文以云南省S11曲靖至硯山公路曲靖(麒麟?yún)^(qū))至師宗段工程土建二合同段(簡稱麒師公路)K13+290～K13+520段碎石樁復(fù)合地基路堤滑坡破壞為工程背景，采用有限元法，分析其破壞機(jī)制，并采用坡腳抗滑樁加固該段軟弱路基，分析其加固效果，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

麒師公路位于云南省東部的曲靖市，經(jīng)麒麟?yún)^(qū)、羅平縣、師宗縣三縣(區(qū))，路線全長104.622 km。采用一級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，雙向四車道，路基頂面寬25.5 m，設(shè)計(jì)速度為80 km/h。路線范圍內(nèi)K13+290～K13+520、K14+520～K14+580、K15+330～K15+470段軟弱地基厚度大于20 m，多為第四紀(jì)沖、洪積粉質(zhì)黏土，褐紅色，受人工灌溉用水和季節(jié)性地表水浸泡后，呈軟塑-可塑狀，密度小，壓縮性高，孔隙比大。

1.2 滑移前軟基處理方案

根據(jù)路基填料種類、邊坡高度和工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，路堤邊坡坡率設(shè)計(jì)為1∶1.5。采用碎石樁復(fù)合地基+50 cm碎石墊層+5層土工格柵加固軟弱地基，碎石樁采用振動(dòng)沉管法，樁長15 m，樁徑0.5 m，樁中心間距1.5 m，等邊三角形布置，由里向外、間隔跳打，且在坡腳外緣擴(kuò)大1～2排。

1.3 路堤施工及滑移情況

2020年10月中旬，路堤開裂、滑移，差異沉降和滑移情況見表1。其中，K15+330～K15+470段路堤差異沉降約150 cm，裂縫寬度約40 cm，右側(cè)坡腳擋土墻被推出約1 m，坡腳農(nóng)田隆起50 cm，并沿路基縱向分布，滑移現(xiàn)場見圖1。

表1 路堤開裂、滑移統(tǒng)計(jì)

圖1 K15+330～K15+470路堤滑移現(xiàn)場

2 碎石樁復(fù)合地基滑移原因分析

2.1 地質(zhì)條件核查

為了準(zhǔn)確分析碎石樁復(fù)合地基滑移原因，在K13+380斷面施工3個(gè)勘察孔，并在現(xiàn)場調(diào)查圖1所示滑移情況，獲得路堤拉裂和坡腳隆起的具體位置和尺寸。根據(jù)圓弧滑動(dòng)破壞的基本原理作出滑動(dòng)圓弧，揭示路堤和路基幾何參數(shù)(圖2)。

圖2 K13+380路堤路基幾何參數(shù)與地質(zhì)條件(單位：m)

分析表明：

(1) 路堤實(shí)際填筑高度為8.8 m，壓實(shí)填土呈下凹形，路中厚度大，路肩厚度小。

(2) 路基為黏土，上層約10 m呈軟塑狀；下層呈可塑狀，厚度大于10 m；左側(cè)坡腳下部含軟塑狀有機(jī)質(zhì)土透鏡體，右側(cè)坡腳下部外側(cè)含軟塑狀有機(jī)質(zhì)土尖滅體。

2.2 有限元模型及參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘查及路堤設(shè)計(jì)方案，確定路基橫截面尺寸參數(shù)并建立數(shù)值模型如圖3所示。地基總體分為兩層，其中上部土層為飽和軟黏土，左側(cè)邊緣深度6 m，斷面中心深度13 m，右側(cè)邊緣深度10 m。右側(cè)兩土層之間含有1 m厚軟弱夾層(圖3中深黑色部分)，模擬右側(cè)坡腳下部外側(cè)含軟塑狀有機(jī)質(zhì)土尖滅體。有限元模型中，地基斷面深度取為30 m，寬度為88 m，其中路堤頂部寬取28 m(25.5 m+2.5 m附屬結(jié)構(gòu)物)，底部寬58 m，根據(jù)邊界效應(yīng)，底部左右兩側(cè)各延15 m。上部路堤填土高10 m，路堤邊緣放坡坡度為1∶1.5，根據(jù)設(shè)計(jì)方案和實(shí)際施工情況，路基共分為5階段填筑，每階段控制分層厚度。

圖3 碎石樁加固有限元模型(單位：m)

根據(jù)麒師公路工程的實(shí)際地質(zhì)資料得到的地基及路堤填土具體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。其余參數(shù)按照經(jīng)驗(yàn)取值或者選擇Abaqus的默認(rèn)值。

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

模型網(wǎng)格類型為CPE4單元，計(jì)算模型邊界條件設(shè)置如下(其中u、v分別代表X、Y方向)：

(1) 模型左右兩側(cè)邊界約束X方向位移，取u=0，v≠0。

(2) 模型底部邊界約束X、Y方向的位移，取u=0，v=0。

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 塑性區(qū)發(fā)展對比

圖4為天然地基填筑第2、3階段等效塑性應(yīng)變云圖。分析發(fā)現(xiàn)：路堤開始第2階段填筑時(shí)[圖4(a)]，坡腳已經(jīng)開始出現(xiàn)部分塑性區(qū)，但是分布范圍較小，路基并未出現(xiàn)明顯的破壞。當(dāng)?shù)?階段填筑完成(路堤高度約為4 m)，從圖4(b)中可以看到一條明顯的塑性滑裂帶，滑裂帶從填方路堤的坡腳貫通至路基中線，路堤出現(xiàn)明顯滑裂破壞。

圖4 天然地基填筑等效塑性應(yīng)變云圖

圖5為采用碎石樁復(fù)合地基對軟土區(qū)域進(jìn)行加固后，路堤填筑后第4、5階段等效塑性應(yīng)變云圖。分析發(fā)現(xiàn)：第4階段填筑完成時(shí)(路堤高度為8 m)，路堤坡腳處地基開始出現(xiàn)塑性變形。由于碎石樁復(fù)合地基的加固作用，塑性區(qū)發(fā)育較為分散，斷斷續(xù)續(xù)；第5階段填筑完成(路堤高度為10 m)，路堤范圍內(nèi)塑性區(qū)初步貫通，路堤土體發(fā)生較為明顯整體剪切破壞。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)：

(1) 塑性區(qū)主要分布在路堤坡腳至路堤頂面三等分點(diǎn)圓弧滑動(dòng)面范圍內(nèi)。

(2) 在碎石樁復(fù)合地基中部1/3加固范圍內(nèi)土體較為安全。

(3) 該項(xiàng)目設(shè)計(jì)樁長15 m，貫穿上部軟土層，并深入第二層地基土一定范圍內(nèi)，但從計(jì)算結(jié)果分析，碎石樁發(fā)揮加固作用在樁頂至10 m深度(大致為上層軟弱地基)范圍內(nèi)，樁長增加，未能起到更好的加固作用，且結(jié)合圖5分析，下層地基未發(fā)生明顯破壞，樁長增加對軟土地基加固效果有限。

圖5 碎石樁復(fù)合地基路基填筑等效塑性應(yīng)變云圖

實(shí)際工程中，可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，酌情減少路基中線一定范圍內(nèi)碎石樁布樁密度及數(shù)目，并考慮軟土地基破壞范圍，從而減少加固深度，降低工程造價(jià)。

2.3.2 位移對比

圖6為碎石樁復(fù)合地基路基填筑過程位移云圖。在第4階段填筑完成時(shí)，路堤范圍內(nèi)位移等值線呈紡錘形分布，中間小兩端大，最大為24.72 cm，分布在坡頂距離線路中心兩側(cè)各10～12 m的范圍內(nèi)。在碎石樁復(fù)合地基范圍內(nèi)，位移云圖呈U形分布，整體位移量較小，隨著地基深度的增加，位移從18 cm減小至10 cm左右，碎石樁復(fù)合地基將加固范圍內(nèi)土體聯(lián)結(jié)成整體，碎石樁加固效果較為明顯。

當(dāng)?shù)?階段填筑完成，由于發(fā)生整體剪切破壞，路堤范圍內(nèi)形成關(guān)于線路中線對稱的塑性貫通區(qū)，路基最大位移為1.226 m。由此可以看出：碎石樁復(fù)合地基對軟弱土層加固作用明顯，但是由于碎石樁抗剪能力較差，隨著上部填土的不斷增高，碎石樁復(fù)合地基不能有效抵抗土體剪切位移。

工程實(shí)際中，應(yīng)注意考慮碎石樁復(fù)合地基抗剪能力的不足，采取碎石樁復(fù)合地基提高軟弱土承載力，并適當(dāng)增加剛性樁布置，提高路基抗剪切能力，防止發(fā)生整體或局部剪切破壞。

圖7為碎石樁復(fù)合地基填筑完成后水平位移云圖。分析發(fā)現(xiàn)，第4次填筑完成時(shí)[圖7(a)]，填方路堤兩側(cè)坡腳分別產(chǎn)生背離線路中線的位移區(qū)，最大水平位移為16.7 cm，已有初步水平滑動(dòng)趨勢。且圖中并未看出碎石樁復(fù)合地基對地基土體水平位移產(chǎn)生明顯的抵抗。由此可以看出：碎石樁復(fù)合地基主要加固方向?yàn)樨Q直向，對土體水平位移不能起到有效約束作用。當(dāng)?shù)?階段填筑完成時(shí)[圖7(b)]，坡腳處位移為1.212 m，約為總位移最大值的98%，與工程中路基填筑至8.8 m發(fā)生沉降開裂情況一致。說明土體剪切破壞最終體現(xiàn)為土體的水平滑動(dòng)，碎石樁復(fù)合地基對水平位移約束效果較為有限。僅增加碎石樁樁長，工程意義不大。

圖7 碎石樁復(fù)合地基路基填筑水平位移云圖(單位：m)

實(shí)際工程中，在路堤荷載作用下，需要考慮采取更為有效的抵抗水平位移的措施，如采用鋼筋混凝土抗滑樁、傾斜樁或斜-直組合樁約束土體側(cè)向位移，才能更為有效防止路基破壞。

2.4 路基沉降原因分析

數(shù)值模擬結(jié)果與工程滑移現(xiàn)場情況表明：路基沉降滑移原因主要為右側(cè)坡腳下部外側(cè)含軟塑狀有機(jī)質(zhì)土尖滅體加大路基右側(cè)應(yīng)變和沉降、碎石樁不足以抵抗水平位移。

3 滑移處治方案與效果分析

分析可知，在原有碎石樁復(fù)合地基加固方案的基礎(chǔ)上應(yīng)增設(shè)有效增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度的措施，防止路基整體滑移破壞，增強(qiáng)路基整體穩(wěn)定性?？够瑯妒侵卫磉吰率Х€(wěn)的常用方式之一。在路堤坡腳設(shè)計(jì)一排鋼筋混凝土抗滑方樁，尺寸為2 m×2.5 m，樁長20 m，樁間距為5 m，建立碎石樁復(fù)合地基+抗滑樁有限元計(jì)算模型并在路堤坡面選取觀測點(diǎn)(圖8)。

圖8 碎石樁復(fù)合地基+抗滑樁聯(lián)合加固布置圖(單位：m)

3.1 路基邊坡總位移變化

各觀測點(diǎn)水平位移變化情況見圖9。圖9表明：水平位移隨上部填土荷載的增大而增大，隨離坡腳距離增大而減小。最大值出現(xiàn)在坡腳，由碎石樁復(fù)合地基的1.212 m減小至“碎石樁復(fù)合地基+抗滑樁”的0.452 m，抗滑樁明顯限制了地基的水平位移。

圖9 各觀測點(diǎn)水平位移變化規(guī)律 (注:加載時(shí)間步長1～5分別表示第1～5層填筑完成)

圖10為碎石樁復(fù)合地基+抗滑樁聯(lián)合加固塑性應(yīng)變云圖，通過與圖5對比可以發(fā)現(xiàn)：抗滑樁極大限制了塑性區(qū)的發(fā)展，阻止土體內(nèi)部形成貫通塑性破壞帶，僅在坡腳內(nèi)存在小范圍塑性區(qū)，提高了路基上部穩(wěn)定性。

圖10 碎石樁復(fù)合地基+抗滑樁聯(lián)合加固塑性應(yīng)變云圖

3.2 抗滑樁分析

抗滑樁施工后，于2021年1月23日至2021年3月5日共進(jìn)行5次樁頂水平位移觀測，抽取11根樁進(jìn)行觀測，累計(jì)水平位移最大值為42.7 mm。前期因滑坡體下滑產(chǎn)生的推力存在，抗滑樁樁頂水平位移值增大，隨后滑坡體逐漸穩(wěn)定，邊坡穩(wěn)定性提高，所產(chǎn)生的推力減小，樁頂水平位移趨穩(wěn)。

圖11顯示抗滑樁水平位移變化規(guī)律。分析表明，樁身水平位移與上部填土荷載呈正相關(guān)，抗滑樁樁頂為水平位移最大值處。路堤填筑至4 m時(shí)，抗滑樁水平位移變化很小，直到第3階段路堤填筑水平位移較明顯。第4階段填筑后，即處治前碎石樁復(fù)合地基發(fā)生破壞階段，水平位移增幅最大。路基填筑完成后，水平位移變化趨于穩(wěn)定，樁頂最終水平位移為49.6 mm，與工程觀測數(shù)據(jù)偏差16.1%，這是因?yàn)閿?shù)值模擬未考慮孔隙水消散作用，實(shí)際工程中孔隙水壓力下降，有效應(yīng)力增大，土體抗剪強(qiáng)度增加，作用在抗滑樁的推力減小，位移減小。

圖11 抗滑樁水平位移變化規(guī)律

圖12為路堤全部填筑完成后樁身彎矩圖。分析表明：樁身彎矩變化呈上下小、中部大規(guī)律，隨深度的變化曲線呈“>”形，彎矩峰值在樁身中部。

圖12 路堤填筑完成后樁身彎矩圖

3.3 穩(wěn)定性分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算收斂與否作為評價(jià)坡體是否達(dá)到臨界破壞(圖13)，從而確定邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs。未進(jìn)行加固時(shí)Fs=0.58；碎石樁加固形成復(fù)合地基時(shí)Fs=0.96；碎石樁復(fù)合地基+抗滑樁聯(lián)合加固時(shí)Fs=1.2，符合規(guī)范要求。麒師高速公路施工抗滑樁后該段路堤無變形趨勢，表明碎石樁復(fù)合地基+抗滑樁聯(lián)合加固后的軟基路堤穩(wěn)定性良好。

圖13 Fs隨坡腳水平位移的變化關(guān)系

4 結(jié)論

以云南省麒師公路軟基路段滑移工程為例，建立有限元模型，分析了碎石樁復(fù)合地基加固后路堤填筑過程中路堤開裂、滑移的原因，提出并采用碎石樁復(fù)合地基+抗滑樁對邊坡路基聯(lián)合加固，地基水平位移明顯減小，路基穩(wěn)定。

(1) 數(shù)值模擬結(jié)果與工程滑移現(xiàn)場情況表明，路基沉降滑移原因是，右側(cè)坡腳下部外側(cè)含軟塑狀有機(jī)質(zhì)土尖滅體加大路基右側(cè)應(yīng)變和沉降、碎石樁不足以抵抗水平位移。

(2) 碎石樁不能有效提高軟土路基抗剪強(qiáng)度，加固局部不均勻軟基時(shí)應(yīng)特別謹(jǐn)慎。

(3) 碎石樁復(fù)合地基+抗滑樁聯(lián)合加固不均勻軟土地基，效果顯著。