单排桩条件下的高边坡刚性桩复合地基的失稳破坏机理探究

陈梓华 李浩

摘 要：边坡工程的稳定性一直是岩土工作者重点关注问题，其对人民生命和财产安全以及国家经济和社会都会产生相当大的影响。本文基于广东清远万科城八期的实际工程，使用MIDAS/GTS软件，运用二维有限元计算方法，对单排桩条件下刚性桩（PHC管桩）复合地基上高边坡（挡墙边坡）进行失稳破坏机理探究。

关键词：挡墙边坡；刚性桩；复合地基；有限元；稳定性

0 引言

在地形复杂的山区建造房屋，有时候需要处理高填方的问题。由于高填方边坡填筑量大且高，施工中填土的压实质量很难保证，填筑缺陷多，导致坡土的稳定性较差，从而容易产生整体滑动、边坡变形过大、挡土墙滑动、倾覆、路基沉降不均匀等问题[1]。

由此可知，边坡稳定问题若能得到妥善解决，将会避免严重的经济损失和不良社会影响。对于提高边坡的稳定性具有很多方法，其中包括桩式复合地基处理，而本文基于单排桩条件，就刚性桩复合地基下的高边坡（挡墙边坡）的失稳破坏机理进行探究。

对于这一方面的研究，有郑刚等[2]基于群桩条件下，考虑cut-off机制，以三维模拟分析方法来研究刚性桩加固软弱地基上路堤稳定性问题；吴春秋[3]等将极限平衡法和数值方法并用，分析低强度桩（搅拌桩等）复合地基支撑路堤的稳定性；龚玉华[4]等采用极限平衡法分析某陡坡高填方边坡稳定性。虽然目前有关这方面的研究已经有不少的成果，但是大部分都是研究高边坡（挡墙边坡）稳定和刚性桩复合地基边坡中的二者之一，很少有对刚性桩复合地基高边坡（挡墙边坡）的稳定性进行研究。

本文以广东清远万科城八期项目为依托，针对某标段的挡墙边坡，基于单排桩条件，就不同位置刚性桩的受力特征、破坏模式以及挡墙边坡的失稳破坏机理进行探究。

1 有限元计算分析

1.1 基本算例

（1）计算模型

基于广东清远万科城八期项目的实际情况，挡墙边坡宽度取20.5m～25m，总高度为9m，边坡比为1：1.5。整个挡墙边坡分为8层填筑，其中第1层从挡墙底板开始填，高度为2m，余下7层皆为1m。其剖面和平面分别如图1和图2所示。模型的侧向边界限制其两个水平方向的位移，底边界限制其两个水平方向以及竖向的位移。

（2）挡墙边坡和地基土体

本文中土体采用摩尔库伦模型，挡墙边坡和地基土体各土层物理力学参数如表1所示。对于土体弹性模量，参照广东省标准建筑地基基础设计规范[S][5]，取值为勘察报告当中对应土体的标贯击数的2.2倍，单位为MPa。

（3）桩体及各等效参数

计算模型中桩体分别位于向填土中心方向距坡脚6m、3m、0m和-3m，分别命名为A、B、C和D桩，桩间距为1.8m。桩体采用弹性模型，使用具有较高抗压、抗剪和抗弯强度的PHC管桩，桩外径为800mm，壁厚为130mm，C80混凝土，属AB型管桩，其极限弯矩检验值为kN·m，极限抗剪强度检验值等效为495kN/m?，计算过程参考预应力管桩图集（10G409）[6]。

1.2 不同位置下刚性桩内力分析

（1）弯矩分布

根據统计结果，将A、B、C和D桩对应于填土高度分别为3m及4m的桩身弯矩分布情况绘制成图3。对于每一根桩，分别比较=3m和4m的情况，可知桩身弯矩分布的总体趋势是随着填土高度的增高而变大，而最大值皆为桩顶下12m处，即填土与砂质黏性土交界面。当=3m时，均小于1，说明PHC管桩仍未发生弯曲破坏，但当=4m时，A桩和B桩的最大值分别为1.04和1.05，说明其在桩顶下12m处已经受弯破坏。而对于C桩和D桩，，但经强度折减法分析可知，当=4m时，它们的安全系数分别为0.87和0.92，即已发生稳定破坏（A桩和B桩的安全系数分别为1.07和1.03）。

（2）剪应力分布

由统计数据绘制成图，A、B、C和D桩对应于填土高度分别为3m及4m的桩身剪应力分布情况如图4所示。对于每一根桩，分别比较=3m和4m的情况，可知桩身剪应力分布的总体趋势是随着填土高度的增高而变大，但不论是填土高度为3m或是4m，四根桩的桩身最大剪力均未达到自身的极限抗剪强度，即。即通过数值模拟分析表明，比起受剪破坏，桩体更易首先发生弯曲破坏。

从对桩身弯矩和剪应力分布进行分析可知，当对边坡挡墙采用单排桩的复合地基处理时，随着填土高度的增加，桩体更容易发生弯曲破坏而不是剪切破坏，从而证明上述基于以上条件下，挡墙边坡的整体稳定性取决于加固桩的极限抗弯强度。

在以上分析当中，B桩所受的弯矩最大，针对B桩桩体的破坏模式进一步探究。当挡墙边坡的填土从3m增加至3.2m，得出B桩的桩身弯矩分布情况如图5所示，在距桩顶下12m处（填土与砂质黏性土交界面），弯矩值达到815.12kN·m，即，桩体发生弯曲破坏，而此时的整体稳定系数为1.25，尚未发生失稳。

3. 结论及展望

本文利用MIDAS/GTS有限元数值软件，对挡墙边坡下的单排桩复合地基进行了数值分析，由于主要利用数值分析方法进行探究，缺少实际试验结果以支撑结论。如果条件允许，应用足够的试验去加以证明，如李帅等以大量的离心模型试验[7]对路堤边坡失稳破坏机理进行分析。

此外，根据现行相关规范来看，其中并无给出刚性桩复合地基的稳定分析方法，尤其是针对挡墙边坡的情况。因此希望其日后能够有所补充，为设计工作提供指导性帮助，从而避免设计人员不得不盲目依靠经验来设计，减少边坡失稳事故。

参考文献（References）

[1] 张尚武，贾慧茹. 浅议山岭区公路路基施工技术[J]. 公路工程. 2002， 27（1）： 18-19.

[2] 郑刚，刘力，韩杰. 刚性桩加固软弱地基上路堤稳定性问题（Ⅱ）——群桩条件下的分析[J]. 岩土工程学报. 2010， 32（12）： 1811-1820.

[3] 吴春秋，肖大平. 复合地基加固路堤的稳定性分析[J]. 岩土力学. 2007（s1）： 905-908.

[4] 曾耀，龚玉华. 山区陡坡高填方路堤稳定性分析及处治措施研究[C]. 2011.

[5] 杨光华. 深基坑支护结构的实用计算方法及其应用[C]. 2005.

[6] 中国建筑标准设计研究院组织编制. 国家建筑标准设计图集.预应力混凝土管桩[M]. 中国计划出版社， 2010.

[7] 李帅. 刚性桩复合地基支承路堤的失稳破坏机理及其稳定分析方法研究[D]. 天津大学， 2012.

（作者单位：华南理工大学 土木与交通学院）