摘要
劲芯水泥土桩可有效提高软土地基承载力,减小地基沉降和提高边坡稳定性。目前对于劲芯水泥土桩的研究主要集中在其承受竖向荷载条件下的工程特性上,对于路堤荷载下桩体失稳破坏模式与计算方法的认识尚不全面。开展1g重力场模型试验,对比研究了路堤荷载下天然地基、水泥土桩复合地基、劲芯水泥土桩复合地基路基变形、桩土应力、桩体应变、桩体破坏形态及路堤失稳模式,并评价了现有刚性桩复合地基稳定性计算方法对于劲芯水泥土桩复合地基承载路堤稳定性分析的适用性。结果表明:相较于水泥土桩,劲芯水泥土桩能有效约束地基土变形,路面沉降约为水泥土桩复合地基的61%~71%,坡外隆起约为12%~46%,进而显著提高路堤的稳定性。在路堤荷载下,劲芯水泥土桩表现出渐进式失稳破坏特征,桩体可发生纯压破坏、压弯破坏和弯曲破坏,且与桩体刚度和相对于路堤位置有关,桩体断裂位置与滑动面位置并未重合。等效抗剪强度法对于劲芯水泥土桩承载路堤稳定性分析具有一定的适用性和应用价值。
随着地基处理技术的发展,组合型和复合型地基处理技术由于其良好的经济性和适用性,已成为地基处理技术的发展趋势。劲芯水泥土桩是近年发展起来的一种新型复合
目前,对于劲芯水泥土桩的研究主要集中在其竖向受荷条件下的工程特性
在软土地区修建路堤时,路堤的稳定性是工程技术人员关注的关键问题之一。Kivel
为进一步揭示劲芯复合桩增强路堤稳定性的机理,本文开展1g重力场室内缩尺模型试验,对比分析路堤荷载下天然地基、水泥土桩复合地基和劲芯水泥土桩复合地基的路堤稳定性和失稳破坏特性,揭示不同位置处桩体性能的发挥区别。基于试验结果,评价现有稳定性计算方法对劲芯水泥土桩复合地基承载路堤稳定性计算的适用性。
模型试验以某工程试验

图1 模型试验示意图(单位:mm)
Fig. 1 Schematic diagram of model test (unit: mm)
路堤填土选用粒径0.2mm的石英砂。软土层选用体积比为1:1:0.03的熔融石英砂、EPS颗粒和甘油混合而成。砂层选用级配良好的黄砂模拟。水泥土桩和劲芯水泥土桩外桩采用石膏、高岭土、重晶石、水、甘油按质量比0.2:0.9:0.2:0.8:0.2配制而成;芯桩采用石膏、石英砂、水、甘油按质量比1:1.5:1:0.2配制而成。
材料 | 材料参数 |
---|---|
路堤填土 |
ρ=1.58g·c |
软土 |
ρ=0.63g·c ES=0.2MPa |
砂土 |
ρ=1.67g·c |
混凝土芯桩 |
ρ=2.04g·c E=1.8Gpa φr=37°,cr=70kPa,qu=2 060kPa, σb=140kPa |
水泥土外桩 |
ρ=1.53g·c E=8.5MPa φr=23°,cr=16kPa,qu=84kPa, σb=10kPa |
注:ρ为密度; φ为内摩擦角; c为黏聚力; ES为压缩模量; E为弹性模量;φr 为残余内摩擦角;cr 为残余黏聚力;qu为无侧限抗压强度;σb为抗拉强度。
在模型箱底部铺设400mm厚砂层,分层压实,并且保证压实度达到98%。通过定位板固定桩体位置,将模型桩放置在砂层顶端,嵌入砂层20 mm。通过体积质量控制桩间软土的密度为0.66g·
为监测加载过程中路堤的整体失稳破坏,在路堤顶面和路堤外地表布置位移计;在A3排模型桩和桩间土上布置微型土压力盒,并沿芯桩桩身粘贴应变片;在A4排模型桩芯桩上嵌入铝箔形成回路,外接发光二极管,铝箔受拉时极易断裂,若桩身发生弯曲破坏会导致铝箔拉断,导电回路断开,二极管熄灭。因此,可通过二极管熄灭的顺序判断桩体破坏次序。模型试验过程中通过摄像和PIV技术分析有机玻璃一侧路堤的位移场变化情况。
设计了3组模型试验,见
编号 | 桩型 | 桩列数 | 桩长/m | 桩截面直径/mm | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
芯桩 | 外桩 | 芯桩 | 外桩 | ||||
T-1 | 无桩 | 0 | - | - | - | - | |
T-2 | 水泥土桩 | 6 | 0.00 | 0.70 | 0 | 63 | |
T-3 | 劲芯桩 | 6 | 0.70 | 0.70 | 25 | 63 |

图2 路面荷载—位移曲线
Fig. 2 Pavement surcharge vs. displacement
荷载/kPa | 组号 | 路面沉降/mm | 坡外隆起/mm | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
S1 | S2 | S3 | S4 | S5 | S6 | ||
40 | T-1 | 52.99 | 58.48 | 56.48 | 3.36 | 2.21 | 0.84 |
T-2 | 54.17 | 54.85 | 55.54 | 5.84 | 5.37 | 0.52 | |
T-3 | 32.03 | 33.54 | 33.02 | 0.94 | 0.35 | 0.10 | |
45 | T-1 | 60.08 | 69.87 | 68.21 | 6.11 | 4.61 | 1.46 |
T-2 | 59.74 | 61.40 | 62.67 | 6.27 | 6.75 | 1.52 | |
T-3 | 36.61 | 37.91 | 38.90 | 1.60 | 0.86 | 0.27 | |
75 | T-1 | 91.33 | 113.84 | 109.28 | 17.56 | 12.54 | 8.43 |
T-2 | 90.11 | 104.86 | 111.98 | 18.51 | 23.52 | 9.52 | |
T-3 | 64.15 | 68.00 | 70.55 | 8.48 | 5.97 | 1.98 |

图3 T-3路面荷载—桩顶竖向应力曲线
Fig. 3 Pavement surcharge vs. vertical stress on column top
边坡位置的#5号桩的竖向应力较小,外桩竖向应力最大值约为4kPa,芯桩竖向应力最大值约为8kPa,表明该位置下的桩体未发挥竖向承载作用。

图4 应力集中系数随路面荷载变化
Fig. 4 Pavement surcharge vs. stress ratio
由以上分析可知,桩体位置与其性能的发挥有密切关系。#1~4号桩发挥了承担竖向荷载的作用,初期路面荷载向桩体集中,当桩体发生屈服后,荷载向桩间土传递;而#5~6号桩未发挥竖向承载作用。

图5 不同深度芯桩桩身应变
Fig. 5 Strain of core pile at different depths
#4~#6号桩存在内外两侧应变异号情况,即桩体一侧承受拉应变,另一侧承受压应变,说明桩体承受弯矩作用。#4号桩所受弯矩主要集中在桩身中上部,且发生向内弯曲;桩身中下部均为压应变,发生轴向压缩。#5号桩距桩顶50mm处为拉应变,桩身两侧受拉且外侧拉伸变形略大于内侧;距桩顶250mm处,桩体外侧受拉、内侧受压,距桩顶450mm处,外侧受压、内侧受拉;距桩顶650mm处应变较小,基本不发生变形。#6号桩距桩顶50mm处应变近似为0,距桩顶250mm与450mm处与#5号桩情况类似,距桩顶650mm处,外侧应变几乎为0,而内侧为拉应变。#5号和#6号桩主要承受弯矩,桩体中上部向内弯曲,中下部向外弯曲。
通过芯桩桩身应变分析可知,各桩所受弯矩作用位置不同,表明路堤下不同位置的桩体弯曲破坏模式存在差异。
试验结束后,小心开挖桩间土,当桩体完全露出后,记录桩体形态,并小心从模型箱中取出,在地面还原定位。

图6 桩体破坏形态
Fig. 6 Failure modes of columns
T-2试验组:#1~2号桩桩体基本完整,并发生明显的竖向压缩变形,未发生明显水平位移,桩身破坏面为水平方向且无相对错动;#3号桩桩体基本完整,发生明显的竖向变形和倾斜,在桩体中部有剪切破坏面;#4号桩桩身分离成三段,发生剪切错开和弯曲;#5~6号桩桩身上部断裂成两段,桩身发生弯曲破坏,但未发生明显的压缩变形。
在T-3试验组:#1~2号桩桩身完整,桩顶处芯桩刺出约20mm,桩体无明显水平变形,桩身破坏面为水平方向且无相对错动;#3号桩桩身完整,桩顶芯桩刺出,且桩体向坡外倾覆;#4~6号桩桩身发生多处断裂,裂口形态和错动特征表现为弯曲破坏。
由以上分析可知,T-2和T-3试验组#4~6号桩发生弯曲破坏。
桩号 | #4 | #5 | #6 |
---|---|---|---|
T-2/kPa | 54 | 51 | 48 |
T-3/kPa | 72 | 69 | 63 |
结合桩顶应力、桩身应变和桩体破坏形态分析,T-2水泥土桩复合地基:#1~2号桩发生受压破坏,#3号桩发生压剪破坏,#4号桩发生压弯/剪破坏,#5~6号桩发生弯曲破坏;T-3劲芯水泥土桩复合地基:#1~3号桩发生受压破坏,#4号桩发生压弯破坏,#5~6号桩发生弯曲破坏。与T-2试验组不同,T-3试验组中#4号桩未出现压剪破坏,这可能是由于芯桩的插入,使桩体刚度显著提高,更易发生弯曲破
根据路堤失稳破坏后路堤沉降和坡外隆起量测,确定失稳滑动的范围。通过PIV图像获得的路堤位移矢量确定滑动面剪切入口位置,并沿剪入口追踪矢量箭头指向变化,再结合桩体的破坏形态和坡外隆起范围确定滑动面位置。

图7 路堤模型实拍
Fig. 7 Actual photos of embankment model
根据滑动面位置和桩体破坏形态,绘制路堤失稳模式示意图(如

图8 路堤失稳模式示意图(单位:mm)
Fig. 8 Schematic diagram of embankment instability (unit: mm)
以T-1、T-2和T-3试验组的临界失稳荷载为路面荷载,此时路堤的安全系数应接近1。采用《复合地基技术规范》(GB/T 50783-2012
《复合地基技术规范》(GB/T 50783-2012)规定:对于柔性桩复合地基,最危险滑动面上的总剪切力由传至复合地基面上的总荷载确定,最危险滑动面上的总抗剪切力可采用复合土体综合抗剪强度指标计算;对于刚性桩复合地基最危险滑动面以上的下滑力,可只考虑传递至复合地基桩间土地基面上的荷载,而滑动面上的总抗剪切力只考虑加固区桩间土和未加固区天然地基的贡献。对于T-2试验组,复合土体的综合抗剪强度指标由
《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2012)中规定:柔性桩和刚性桩复合地基取桩断裂后滑动面的摩擦性能确定抗剪强度指标。根据滑动面及桩体破坏情况,T-2与T-3中#4~#6号桩均发生断裂。以
等效抗剪强度法规定刚性桩体在滑动面位置处达到其抗弯强度并发生弯曲破坏,将其抗弯强度所提供的抗滑贡献等效为桩与滑动面相交截面上由等效抗剪强度提供的抗滑贡献。由此确定对应桩的等效抗剪强度,再利用此等效抗剪强度与桩间土抗剪强度计算复合抗剪强度。由
组号 | 计算方法 | 参数 |
---|---|---|
T-2 | 《复合地基技术规范》 |
P=45kPa,S=0.77 φw=24.3°,cw=2.85kPa |
《建筑地基处理技术规范》 | φw=23.9°,cw=2.34kPa | |
T-3 | 《复合地基技术规范》 |
P=53.6kPa,S=0.77 |
《建筑地基处理技术规范》 | φw=24.1°,cw=2.89kPa | |
等效抗剪强度法 |
M4=18.85 N·m,M5=11.21 N·m,M6=9.86 N·m,φw=24.3°, cw4=2.62kPa,cw5=1.89kPa, cw6=1.74kPa |
注: P为路面荷载; S为路堤面积; φw为复合摩擦角; cw为复合黏聚力; Mi为i号桩的综合抗滑力矩; cwi为i号桩复合黏聚力。

图9 稳定性分析结果
Fig. 9 Results of stability analysis
分析方法 | T-1 (40kPa) | T-2 (45kPa) | T-3 (75kPa) |
---|---|---|---|
Morgenstern-Price法 | 1.069 | - | - |
《复合地基技术规范》 | - | 1.170 | 1.223 |
《建筑地基处理技术规范》 | - | 0.662 | 0.709 |
等效抗剪强度法 | - | - | 0.779 |
T-1试验组安全系数接近1.0,与模型试验结果吻合。对于T-2试验组,《复合地基技术规范》(GB/T 50783-2012)的计算安全系数偏于危险且最危险滑动面偏浅,而《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2012)偏于保守但最危险滑动面基本符合。#4~#6号水泥土桩实际发生弯曲或弯剪破坏。《复合地基技术规范》(GB/T 50783-2012)和《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2012)仍以抗剪强度指标计算桩体抗滑贡献,较难准确评估路堤实际稳定性。
对于T-3试验组,《复合地基技术规范》(GB/T 50783-2012)计算安全系数偏于危险,《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2012)最为保守,等效抗剪强度法相对保守。《复合地基技术规范》(GB/T 50783-2012)仅考虑到了桩体所起到的荷载分担作用,《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2012)以桩断裂后滑动面的摩擦性能确定抗剪强度指标,忽略了刚性桩抵抗滑动的贡献。《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2012)以桩断裂后滑动面的摩擦性确定桩体抗滑贡献,忽略了桩体实际的抗弯滑动贡献,造成计算结果的偏差。等效抗剪强度法考虑了桩体的弯曲破坏模式,但该法假设桩体的抗弯强度作为桩体抗滑贡献的控制因素,未考虑路基中桩体实际的受力状态。
本文基于1g重力场室内模型试验,对比研究路堤荷载下天然地基、水泥土桩复合地基和劲芯水泥土桩复合地基路堤失稳破坏特性,得出以下结论:
(1)相较于水泥土桩,劲芯水泥土桩大幅提升了路堤的稳定性。劲芯水泥土桩能有效约束地基土的变形,路面沉降约为水泥土桩承载路堤的61%~71%,坡外隆起约为其12%~46%。
(2)路堤下不同位置的桩体承载性能不同。路堤顶面下方桩体主要发挥竖向承载作用,边坡下方桩体主要发挥抗水平荷载作用。路堤失稳破坏后,路堤顶面下方的芯桩仍能发挥一定的承载作用,而水泥土桩已丧失承载能力。
(3)桩体表现出渐进式失稳破坏,破坏模式与桩体刚度和相对于路堤位置有关。路堤荷载下水泥土桩可发生纯压破坏、压剪破坏和弯曲破坏;劲芯桩可发生纯压破坏、压弯破坏和弯曲破坏。桩体断裂位置与滑动面位置并不重合。
(4)等效抗剪强度法考虑了桩体的抗弯抗滑贡献,对于劲芯水泥土桩复合地基具有一定的适用性,但该法假设桩体的抗弯强度作为桩体抗滑贡献的控制因素,未考虑路基中桩体实际的受力状态。
作者贡献声明
张 振:论文整体结构与研究方法指导,论文修改,论文审定,基金支持;
李凌旭:资料收集,理论计算,图表绘制,论文撰写;
叶观宝:论文审定,论文整体结构与研究方法指导,基金支持;
王 萌:资料收集,图表绘制,试验开展,理论计算;
肖 彦:资料收集,试验开展。
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