天津城市建设学院学报第l9卷第3期2013年9月 Journal of Tianjin Institute of Urban Construction Vo1.19 No.3 Sep.2013 刚性桩复合地基加固软土地基的稳定性分析 邢晓曼,王东元 (天津城市建设学院土木T程学院,天津300384) 摘要:通过某一在淤泥地基上采用CFG桩复合地基加固路堤的工程实例,分别采用基于极限平 衡理论的复合强度法、荷栽折算法和基于有限元理论的强度折减法对路堤稳定性进行了对比分 析,结果指出复合强度法会高估地基的稳定性,荷载折算法和有限元法计算结果比较接近,作为 个合理可行、安全、简便的分析方法,荷载折算法更适用于刚性桩加固的软土复合地基稳定性 一分析. 关键词:刚性桩;复合地基;稳定性分析;荷载折算法 中图分类号:TU473.1 文献标志码:A 文章编号:1006—6853(2013)03一O196—04 复合地基作为一种施工简便、快捷、可控性高的 地基处理方法,在 程实践中得以广泛应用.特别是 近年来随着高速公路、铁路的快速发展,复合地基技 坡失稳时土体水平滑动对桩的响应进行了分析;美国 George M.Filz教授l6J认为传统的极限平衡法只能反 应桩体和土体的综合抗剪能力,不能反应刚性桩的某 些弯曲、倾斜等临界破坏状态.他推荐采用数值的应 力应变分析来评价桩承式路堤稳定性,这种方法能反 应软弱地基中刚性桩复合地基理想的破坏机理;吴春 秋、肖大平(2007) J指出当路堤的稳定性由复合地基 术越来越多地被应用于路基加固工程中,随之对路基 沉降及稳定性的要求也目趋严格,因此复合地基中的 桩体开始由原来的碎石桩、搅拌桩等柔性桩发展到现 在的CFG桩、PHC桩等刚性桩.尤其在淤泥层较厚 的软土地区,刚性桩复合地基更是路堤加固的首选方 决定时,极限平衡分析的复合强度法比有限元分析的 强度折减法计算的安全系数要高. 案,然而刚性桩加固的复合地基路堤整体稳定性分析 问题,国内目前还没有一个公认的方法.国内规范ll之J 和相关手册 J推荐采用基于极限平衡理论的复合强 度法,假设软土层和加固桩均为刚塑性材料,能同时 鉴于目前国内岩土业的发展,无论是边界元法或 是有限元法,其计算所需要的参数都难以获得较为合 适的值,从而应用受到.本文推荐一种荷载折算 法计算刚性桩复合地基的稳定性,并结合某铁路路基 采用CFG桩进行软基处理的工程实例,分别采用复 合强度法、荷载折算法及有限元强度折减法对CFG 桩复合地基稳定性进行了分析,指出荷载折算法与有 发挥强度起到抗滑作用.对于柔性桩或半刚性桩复 合地基在土层较硬、置换率较高的情况下,具有一定 的合理性.但对于流塑状的软土和刚性桩组成的复合 地基而言该方法的假设不符合实际,一则是刚性桩发 挥强度时的应变和土发挥强度时的应变相差很大,二 则是当土受到的荷载较大时就有可能发生较大的侧 向变形,因而桩受到横向力,当桩承担不了水平力出 限元法计算结果比较接近,复合强度法会高估地基的 稳定性. 现剪切、弯曲、扭转、拉伸破坏之后复合地基就失效 了l4J.正因为如此,实际工程中常会出现稳定性计算 符合规范要求,实际还会发生整体失稳破坏的情况. 对刚性桩复合地基的稳定性分析,国内外学者已 做过相关研究.C.Y.Lee等人L5J运用类似抗滑桩原理 和用传统的Bishop法对桩式边坡稳定性进行分析, 将桩的影响和边坡稳定性分开考虑,应用边界元对边 收稿日期:2013—04—22;修订日期:2013-06—29 1稳定性分析方法介绍 1.1复合抗剪强度法 复合抗剪强度法即假设滑动圆弧通常经过加固 区和未加固区,两区土体采用不同的强度.未加固区 采用天然地基土体强度,加固区土体强度可采用复合 作者简介:邢晓曼(1982一),女,河北保定人,天津城市建设学院硕士生 天津城市建设学院学报邢晓曼等:刚性桩复合地基加固软土地基的稳定性分析 ・1 97・ 土体的复合强度指标计算,也可分别采用桩体和桩间 土的抗剪强度计算. 采用复合强度指标计算,复合土体的黏聚力Cs , 摩擦角 可采用下式计算 Csp=(1一m)cs+mcp (1) tan =(1一m)tan CPs+mtan (2) 式中:Cp, 分别为桩体的黏聚力和内摩擦角;c , 分别为桩间土的黏聚力和内摩擦角;m为面积置 换率. 桩体和桩间土抗剪强度分开考虑时,复合地基抗 剪强度可按下式计算 =。(1一 ) +mrp (3) 式中: , , 分别为复合地基、桩间土和桩体 的抗剪强度. 文献[8】提出对于刚性桩采用复合抗剪强度指标 时,其黏聚力取值为桩身混凝土抗压强度的0.20~ 0.25倍. 1.2有限元法强度折减法 有限元法利用边界上的力的平衡条件和协调条 件、本构方程、边界条件等对结构进行分析的方法, 可以较为真实地模拟现场条件,在不必事先假定破坏 面的情况下,可以通过分析自动得到较为真实的破坏 状态. 强度折减法是通过逐渐减小剪切强度(C, ,直 到计算没有收敛为止,将没有收敛的阶段视为破坏, 并将该阶段的最大的强度折减率作为边坡的最小安 全系数,安全系数计算公式如下 (4) 式中: 为边坡的剪切强度; 为滑动面上的剪切应 力.彳, 的计算公式如下 =C+ tan (5) t c e+ontan f (6) 式中:cf为折减后土体虚拟黏聚力, 仍为折减后土 体虚拟内摩擦角.其计算公式如下 C cf (7) q,f=tan一 (。t面anq ̄) (8) 式中:SRF为强度折减系数. 1.3折算荷载法 此方法假定加固桩只是承担地基的竖向荷载,地 基总的竖向荷载由桩和桩间土共同承担,地基的整体 稳定主要受地基土分担的荷载控制.稳定分析时先根 据桩土应力比计算加固后桩间土分担的荷载,在该荷 载值下计算地基的整体稳定性. 根据《建筑地基处理技术规范JGJ79--2002》 J, 桩间土承担的荷载计算公式为 p。 Psp (9) 式中:P 。为复合地基上作用的总荷载; 为桩土应 力比, 取2~4,原土强度低取大值,原土强度高取 小值.m为桩土面积转换率,其计算公式为 一: (1o) 式中:d为桩身平均直径; 为一根桩分担的处理地 基面积的等效圆直径, 取值如下 等边三角形布桩de=1.05s 正方形布桩 =1.13s 矩形布桩 =1.13 2工程实例描述及稳定性分析 2.1工程描述 某段在深厚软土区修建的铁路工程,路基采用 CFG桩复合地基进行加固,桩问距1.6 1TI,桩径0.5 1TI, 桩长15.0 1TI,正三角形布置.设计路堤填土高度 7.0 133,实际路堤填筑到6.2 1TI高时,开始出现路堤中 间沉陷较大、路面开裂、局部坍塌、路堤两侧隆起等 情况,从现场的路堤破坏模式来看,路堤失稳的主要 原因是软土层侧向位移或侧向滑移,导致加固桩倾倒 或折断造成路堤的整体失稳.后经卸载、补强等措施 得以继续施工.本文就路堤高度填筑到6.2 1TI时的工 况进行稳定分析,断面如图1所示,各土层物理力学 参数如表1所示. 於泥10 黏土10 :3.8 …………………… 图1断面图(单位:n1) 天津城市建设学院学报邢晓曼等:刚性桩复合地基加固软土地基的稳定性分析 ・199・ 图5显示,有限元法进行路堤稳定计算的最小安 全系数为1.097,与复合抗剪强度法计算结果存在很 大差异. 2.2.3荷载折算法计算 根据路堤填筑高度,复合地基上路堤作用的总荷 载 =20x6.2=124kN. 由公式(10)计算得置换率m为0.089,桩土应力 比 根据原土强度低取大值,原土强度高取小值的原 则,本工程取4,由此根据公式(9)可得桩间土分担 的荷载为98 kPa,为方便将其换算成4.9 m的土柱建 模计算.同理,路堤两侧反压台下的桩间土分担荷载 为32 kPa,换算成土柱高度为1.6 m.换算后的计算 断面及计算结果如图6—7所示. 3.0 5.0 6.3 lb.9 6.3 5.0 3.0 _叫卜__.卜_—叶. ,—叫._— 卜- t t 至 l 淤泥l0.0 l: 图6荷载折算法计算断面(单位:m) 1.024 山 图7荷载折算法计算结果 2.3计算结果分析 2.3.1滑移面分析 复合抗剪强度法稳定性计算的最危险滑移面位 于路堤本体内,并未切人软土地基,可能会忽略更不 利的滑移面,且与实际工程情况不符. 有限元强度折减法计算的滑移面为深层滑移面, 最危险滑移面切入到淤泥层中部偏上的位置,并从距 路堤5~7 m的地方滑出,出口隆起,土体及桩体的 变形均与现场实际情况相似,即说明了有限元法对于 路堤滑移、变形趋势的分析是合理的. 荷载折算法计算的最危险移滑面与有限元法相 近,同样为切人淤泥层的深层滑移面,即此方法对于 路堤的稳定性分析是合理的. 2_3.2安全系数分析 根据《铁路特殊路基设计规范TB 1 0035--2006》 规定,在不考虑轨道和列车荷载的情况下,列车设计 时速小于1 60 km/h时,路堤稳定性安全系数应不小 于1.2. 以上三种方法的计算结果显示:复合抗剪强度法 计算的路堤稳定性安全系数为2.197,能够满足规范 要求,但与工程实际不符;有限元法计算的路堤稳定 性安全系数为1.097,不能满足规范要求,但可能出 现路堤滑移破坏情况,接近工程实际;荷载折算法计 算的路堤稳定性安全系数为1.024,处于路堤滑移的 临界状态,与实际工程情况更为接近. 3结论 通过某一在刚性桩加固的流塑状软土地基上修 建路堤的工程实例,分别采用复合抗减强度法、有限 元强度折减法和荷载折算法三种边坡稳定性计算方 法对路堤的稳定性进行了计算,并经过对比分析,得 出如下结论. (1)在流塑状的软土中做刚性桩复合地基加固, 其稳定性计算若采用复合抗剪强度法会大大高估地 基的稳定性,存在较高的工程风险. (2)对于刚性桩复合地基加固软土地基的稳定 性分析,采用有限元强度折减法和荷载折算法计算的 结果相近,且都与工程实际相吻合. (3)荷载折算法较有限元方法而言,采用较为成 熟的极限平衡理论,计算方法简便,参数明确、宜得, 更适应于刚性桩加固的流塑状软土复合地基的稳定 性计算. 参考文献: [1]TB10035--2006儿58—2006,铁路特殊路基设计规 范[S]. [2]JTGD30--2004,公路路基设计规范[S]. [3]龚晓南.地基处理手册[M].北京:中国建筑工业出版 社.2008. [4]KITAZUME M,TERASHI M.Effect of local soil im— provemem on the behavior of revetment[C].Proceedings ofGeo—Coast,[S.1.]:[S.n.],1991. 1 5 J LEE C Y,HULL T S,POULOS H G.Simpliifed pile-slope stability analysis[J].Computer and Geotech— nics,1995(17):1-16. (下转第203页) 天津城市建设学院学报骆永娜等:煅烧高岭土吸附Pb +/SDBS/PNP三元共存污染物的研究 ・203・ [6] 周东美,王慎强,陈怀满.土壤中有机污染物一重金属 复合污染的交互作用[J].土壤与环境,2000,9(2): 143—145. 附行为的机制[D].杭州:浙江大学:2004. [9]郭垫梅,马毅杰,韩和平.有机膨润土吸附对硝基苯 酚的性能及其主要影响因素的探讨[J].山西大学学 报:自然科学版,2001,24(1):89—92. [7] 黄文飞.复合污染体系中,重金属和有机物在沉积物 上的吸附行为[D].杭州:浙江大学:2007. [8] 杨坤.表面活性剂对有机污染物在土壤/沉积物上吸 [10]李效红. 环糊精改性沸石吸附水中有机污染物和重 金属的研究[D].兰州:兰州交通大学:2012. Study on Absorption of Pb2+/SDBS/PNP Ternary Coexistence Pollutants by Calcined Kaolin LUOYong-na,WANGYin—ye,XIAOYan—hua,ZHANGHong—wei,HEYing-jun (Department ofEnvironmental and municipal Engineering,TIUC,Tianjin 300384,China) Abstract:Based on the comparative analysis of he adsorptiton on niut and ternary complex ofPb ,SDBS,PNP by calcined kaolin,we explored the adsorption impact on the calcined kaolin in the different dosage,adsorption time,and pH values.The results show that the removal rate ofPb“in the unit system and the ternary complex system is 85.50%and 9471%respec- .tively.The removal rate of SDBS in the unit system and the ternary complex system is 75.36%and 84.04%respectively.The removal rate of PNP in the unit system and the ternary complex system is 64.24%and 55.57%respectively.It proves that there is an antagonistic effect on Pb and SDBS after ternary complex;meanwhile.a promote adsorption effect on PNP after temary complex.Besides,IR infrared analysis shows that adsorption pollutntas of kaolin do not cause changes in the structure of the kaolin.And the adsorption process is physical adsorption. Key words:Calcined Kaolin;Pb ;Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate;P-nitrophenol;Adsorption;Ternary complex (上接第199页) [6] FILZ G M.Stability of column-supported embankments 岩土力学,2007,28(10):905.908. [R].Virginia:Virginia Trnsaportation Research Council, 2006. D].杭 [8] 徐立新.桩承式加筋路堤的设计计算方法研究[州:浙江大学,2007. [7] 吴春秋,肖大平.复合地基加固路堤的稳定性分析[J]. [9] JGJ 79—2002,建筑地基处理技术规范[S]. Stability Analysis of the Soft Ground Reinforced by Rigid Pile XING Xiao—man. WANG Dong—yuan (School of Civil Engineering, TIUC,Tianjin 300384,China) Abstract:Base on an engineering example of silt sub—grade reinforced by CFG pile,the composite strength method nd ahe tload-reduction method which are based on the limit equilibrium theory,and the strength—reduction method based on he ftinite element theory are used to compare and analyze the stabiliy tof embankment.The analysis results indicate that the composite strength method would overestimate the stabiliy of tthe foundation;however,the calculation results of the load-reduction method and the finite element method are close.As a feasible,safe,and simple analysis approach,the load-reduction method is more suitable for he stabiltiy atnalysis ofthe soft ground reinforced by igid rpile. Key words:rigid pile;composite foundation;stability analysis;load-reduction method