高速铁路柔性路基下CFG桩弯曲破坏研究

刘珣

（国家铁路局 规划与标准研究院，北京 100055）

我国高速铁路路基的设计已经从“强度控制”转变为“强度+变形控制”，而软土地基处理技术是制约铁路路基工后沉降的关键。水泥粉煤灰碎石桩（Cement Fly⁃ash Gravel Pile，CFG 桩）复合地基处理技术具有施工速度快、工期短、造价低、质量可控等优点，已在铁路工程软土地基处理中得到广泛的应用［1］。CFG 桩复合地基主要采用桩网或桩筏结构，适用于基础变形控制严格的软弱地基，已成功应用于武广客运专线、郑西客运专线、哈大铁路、京沪高速铁路等项目［2-3］。国内外关于CFG 桩复合地基的研究主要围绕承载特性、沉降特性、桩体荷载分担比、桩土应力比、桩身轴力、桩侧摩阻力等方面展开，主要采用的研究方法有理论研究、模型试验、现场试验、数值模拟等［4］。

关于地基稳定性和破坏模式的研究，Terzaghi等［5］提出可以分为整体剪切破坏、局部剪切破坏、冲剪破坏等，但这只限于竖直荷载、刚性基础下地基的破坏形式，对于铁路柔性路基下的稳定性和破坏模式的研究鲜见报道。英国规范中采用圆弧滑动法来计算复合地基的稳定性［6］。Ashour 等［7］考虑了桩间距、桩径、土壤类型等对桩土相互作用的影响，建立了新的稳定性分析方法。陈建峰等［8］采用圆弧滑动极限平衡法分析了软土路基上加筋路堤的稳定性，并总结出加筋路堤的破坏可以分为圆弧内加筋破坏、圆弧外加筋破坏和加筋路堤整体破坏。郑刚等［9］对上软下硬成层土地基中刚性桩复合地基支承路堤进行了单排桩和群桩条件下路堤稳定破坏机理的离心模型试验，研究了不同桩体抗弯刚度、抗弯强度、加固位置、桩间距，以及桩端嵌入硬土层深度条件下桩体的受力与变形性状，观察到了刚性桩的破坏模式。

铁路路堤作为柔性基础，与刚性基础下复合地基的变形和承载特性差异较大。虽然已经开展了一些关于柔性路基下复合地基设计方法的研究，但是关于柔性路基下CFG 桩复合地基稳定性及弯曲破坏模式的研究还不成熟，这给我国制定并完善铁路路基相关规范带来一定的挑战。因此，系统研究柔性路基下CFG 桩复合地基稳定性及弯曲破坏模式，完善铁路工程地基处理技术和地基设计方法是一个亟待解决的关键问题。

1 复合地基破坏模式

TB 10106—2010《铁路工程地基处理技术规程》给出复合地基中桩体的破坏模式有：刺入破坏、鼓胀破坏、滑动剪切破坏、桩体剪切破坏和桩体压溃破坏，见图1。

图1 复合地基破坏模式

目前采用的边坡稳定性计算方法，只能分析剪切破坏模式，对于其他破坏模式（如弯曲破坏）无法判别。因此，采用边坡稳定性计算方法得出的稳定系数即使满足路堤边坡稳定性时，也不能完全保证复合地基不发生破坏。

2 CFG桩弯曲破坏准则

地基土的塑性变形是构成CFG 桩变形的最重要因素，模型试验和离心试验均表明，CFG 桩可能产生弯曲破坏［10］。在边坡稳定性分析方法中，常用的方法有极限平衡法和强度折减法［11］。下面将采用极限平衡法对CFG 桩复合地基稳定性和破坏模式进行研究。在极限平衡法中，路堤和地基的整体稳定性宜采用圆弧滑动法计算。

采用CFG 桩加固地基，每根桩都会提供一定的抗滑力，且各桩提供的抗滑力大小不均等，给计算带来一定的困难。假设路基和地基处于极限平衡状态，土条作用在每根桩上的抗滑压力都相等，可得悬臂段（滑动面以上的部分）最长的桩体所承受的下滑力最大。当悬臂端（指悬臂段的最上端）固定在碎石垫层中时，CFG 桩最有可能产生弯曲破坏，则纯弯曲破坏准则表示为

当桩顶存在轴向压力时，压弯破坏准则表示为

式中：σb为桩身混凝土弯曲受压应力，kPa；Mmax为桩身最大弯矩，kN·m；W为抗弯截面系数，m3；N为桩身轴力，kN；A为桩截面面积，m2；［σb］为桩身混凝土弯曲受压容许应力，kPa。

在使用压弯破坏准则时，要重点考虑桩土相对刚度。当桩土刚度比非常大时，桩间土可能发生绕桩体的流动破坏，此时，土体的侧向力无法施加到桩体上，不会产生压弯破坏模式。当桩土刚度比接近1 时，可能产生滑动剪切破坏模式。

以C15混凝土CFG桩为例，其抗剪强度取700 kPa，填料综合内摩擦角取38°。填料综合内摩擦角和地基系数不同时，分别计算CFG 桩剪切破坏和弯曲破坏的复合地基稳定系数（表1）。

表1 CFG桩剪切破坏和弯曲破坏复合地基稳定系数

由表1可知，当地基系数较小时，CFG 桩弯曲破坏的稳定系数小于剪切破坏的，说明产生弯曲破坏的可能性较大；随着地基系数的增大，CFG 桩弯曲破坏的稳定系数与剪切破坏的相近；当地基系数较大且桩土刚度接近时，CFG 桩弯曲破坏的稳定系数大于剪切破坏的，此时桩土复合地基剪切强度控制整个复合地基的稳定性。

3 CFG桩加固前后稳定性验算

3.1 工程概况

工点位于浙江省内，属平原地貌，地形平坦，地层从上到下分为5个大层，各层名称及力学参数如下。

①素填土：重度19.0 kN/m3，黏聚力0 kPa，内摩擦角30°，地基土水平抗力系数的比例系数4 MN/m4。

②淤泥：重度 15.0 kN/m3，黏聚力10.04 kPa，内摩擦角1.96°，地基土水平抗力系数的比例系数1 MN/m4。

③1卵石土：桩周土极限侧阻力90 kPa。

③2黏土：重度 18.5 kN/m3，黏聚力 38.0 kPa，内摩擦角15.1°，桩周土极限侧阻力40 kPa。

③3粉质黏土：重度18.7 kN/m3，黏聚力50 kPa，内摩擦角19.1°。桩周土极限侧阻力55 kPa，桩尖土极限端阻力2 200 kPa。

④1砾砂：桩周土极限侧阻力70 kPa，桩尖土极限端阻力3 500 kPa。

④2碎石土：轻型重力动力触探标准值5～6 击/（10 cm），桩周土极限侧阻力90 kPa，桩尖土极限端阻力4 000 kPa。

⑤1全风化凝灰岩：黏聚力0 kPa，内摩擦角35°，桩尖土极限端阻力8 000 kPa。

⑤2强风化凝灰岩：桩尖土极限端阻力10 000 kPa。

地基采用CFG 桩加固，桩径0.5 m，桩间距2 m，呈正方形布置，桩长6.0～22.0 m。桩底嵌入碎石土不宜小于2.0 m，嵌入强风化凝灰岩不宜小于0.2 m。CFG桩施工完成后在桩顶铺设0.6 m 厚碎石垫层，垫层内铺设1层土工格栅。

当路堤填筑高度达到4.85 m 时，一段长约50 m的路基在左线中心附近产生弧状裂缝，宽度达0.015 m。滑坍自左线中心附近开始，右半幅路堤扇形滑移坍塌，在路基填筑范围内形成两级下沉，路堤右侧坡脚施工便道隆起0.74 m。从左向右，第1 级下沉量为0.8 m，第2 级下沉量为1.64 m，路基坡脚与第2 级高差为2.37 m；台阶处形成多条环状垂直裂缝，裂缝最大宽度约0.2 m。

3.2 加固前后地基稳定性

为了分析复合地基稳定性和破坏模式，以4.85 m为路堤填高，研究CFG 桩加固前后地基的稳定性，采用瑞典条分法，各地层的参数见表2。

表2 计算参数览表

未采用CFG 桩加固前，计算得出路堤边坡稳定系数为0.67，圆弧半径为8.46 m，滑动力矩为3 163.7 kN·m，抗滑力矩为2 149.9 kN·m。

采用CFG 桩加固后（图2），轴向力取400 kN，计算得到最大弯矩36 kN·m，则允许水平荷载为15.5 kPa。采用圆弧滑动法计算抗滑力矩（表3），则复合地基的稳定系数达1.218，满足设计要求的稳定系数1.20。通过现场开挖，发现桩的质量问题以及部分桩体发生弯曲破坏，是导致此次滑坍的重要因素。因此，有必要详细研究CFG 桩弯曲破坏时的稳定系数及其影响因素。

图2 CFG桩加固后的稳定性计算

表3 各桩抗滑力矩

4 弯曲破坏的影响因素

4.1 悬臂段长度

在采用瑞典条分法进行稳定性计算时，可以控制滑动圆弧的半径和悬臂段长度。研究发现，对于弯曲破坏，当悬臂段长度为4 m时，允许水平荷载为14 kPa，CFG 桩加固前、后复合地基稳定系数分别变为0.692和1.116。说明悬臂段长度越小，力臂越小，所能提供的抗滑力矩越小（表3）。因此，在层状地层中，CFG 桩加固后的复合地基稳定系数要通过大量试算。而且CFG 桩加固后，最危险滑动面与未加固情况下并不重叠。

4.2 稳定系数

在计算CFG 桩复合地基稳定系数时，复合地基黏聚力c复合按桩土面积置换率m采用桩土的抗剪强度τp与地基土黏聚力c土进行加权计算，即

在复合地基中采用圆弧滑动法时，最危险滑动面不会进入复合地基，可以采用固定圆心和半径的方法，取与无CFG 桩加固时相同的滑动面，此时获得的不同破坏模式下的稳定系数见表4。

表4 不同破坏模式下CFG桩复合地基的稳定系数

通过对比可见，考虑CFG 桩弯曲破坏的稳定系数最小，与实际破坏模式相符。

4.3 成桩质量

在本工程案例中，CFG 桩弯曲破坏时复合地基的稳定系数为1.116，小于运营期所需的1.150，导致路基出现滑坍。通过现场开挖，发现路基出现滑坍的主要原因是部分CFG 桩成桩质量不好，出现缩径、开裂或断桩现象。如果本例中取消1 根桩的抗滑力矩，计算得出的稳定系数骤降至0.993，说明此时的复合地基已经处于非稳定状态，与实际情况相符。

在软土地层中，由于侧向约束力不大，CFG 桩成桩质量不高，会产生弯曲破坏。已有案例显示CFG 桩在海相、湖相、沼泽相地层中存在成桩困难的问题。鉴于此，建议在CFG 桩复合地基的弯曲破坏稳定系数计算中，引入与成桩质量相关的折减系数β，稳定系数K的计算公式为

式中：MSR为土体提供的抗滑力矩；MPR为桩体提供的抗滑力矩；MT为滑动力矩。

在软土地层中出现缩径、开裂、断桩等情况后，复合地基桩土应力会重新分布，建议折减系数β取0.8～1.0，当土质较差时，取小值；当土质较好时，取大值。

4.4 坡脚外加桩

在柔性桩复合地基中，普遍会在坡脚外增加1～2排桩，主要考虑加固圆弧滑动面的剪出口范围。在CFG 桩复合地基中，通常只限于路堤范围内加桩。但是当路堤有下伏软弱层时，可考虑在坡脚外设桩。

在坡脚外分别设0，1，2，3 排桩（图3），计算路堤边坡的稳定系数，结果见表5。

图3 坡脚外加桩示意

表5 坡脚外设桩的路堤边坡稳定系数

可知，坡脚外加桩对路堤整体稳定性有明显改善。当坡脚不设桩时，稳定系数为1.116；当设置第1排桩时，稳定系数提高0.095；当设置第2排桩时，稳定系数提高0.146；当设置第3 排桩时，由于加固体在滑动圆弧外面，对复合地基的稳定系数没有影响。坡脚外桩体能否提供抗滑力矩以及加桩后整体稳定系数提高程度决定了坡脚处是否加桩。当稳定系数不足时，建议坡脚设桩不超过2排。

4.5 加筋垫层

CFG 桩网结构一般会设计加筋垫层结构，加筋垫层主要为碎石层，中间夹一层土工格栅。按加筋垫层的筋材与桩体的失效顺序，可分为3种破坏模式：加筋垫层的筋材与桩体同时破坏、桩体先破坏、筋材先破坏。筋材一般可以承受较大的变形，因此实际复合地基失稳更接近于“桩体先破坏、筋材后破坏”的模式。

在本工程案例中，分别计算了无桩、加桩、加桩+加筋情况下路基的稳定性，筋材采用土工格栅，2%伸长率对应的拉力为21 kN/m，稳定系数计算结果见表6。

表6 考虑加筋垫层影响的路基稳定系数

由表6可知，采用加筋垫层后，CFG 桩能够提供的抗滑力显著提高，路基整体稳定性也明显提高。这说明筋材可通过碎石垫层作用在CFG 桩帽上，并以弹性约束的方式施加到桩顶，改善桩顶的约束条件，提高复合地基整体抗弯能力。

5 结论与建议

1）基于CFG 桩弯曲破坏模式计算得出的最危险圆弧滑动面与不加CFG 桩时不重叠，需要采用更智能的搜索计算方法确定加桩后复合地基的最小稳定系数。

2）与复合地基剪切破坏模式和英国BS 8006⁃1：2010规范获得的稳定系数相比，基于弯曲破坏强度理论计算得出的CFG 桩复合地基稳定系数最小，与实际情况相符。

3）对于CFG 桩加固复合地基，土质较好时整体稳定性较高，且潜在滑动面在坡脚内时坡脚外可不设置桩；当土质较差，需要CFG 桩提供侧向抗滑力以减少弯曲破坏时，可设置1～2排桩。

4）加筋垫层可以在桩顶施加一个拉力，并以水平约束的方式施加到桩顶，提高CFG 桩承受侧向荷载的能力，从而提高桩网结构复合地基的稳定系数，降低弯曲破坏发生的概率。