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
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摘要
路堤的整体稳定问题是在软土地区进行路堤快速填筑施工的关键问题。因此，为了满足路堤的整体稳定性要求或工后沉降的要求，越来越多地采用在软土地基中设置刚性桩形成复合地基支承路堤的方法。然而在实际工程中，即使采用刚性桩加固软土地基，路堤滑坡事故也时有发生，这主要是由于现存的稳定分析方法的不合理性造成的。
为了合理评估刚性桩复合地基支承路堤的整体稳定性，本文首先对天然地基上的路堤、单排桩条件下和群桩条件下刚性桩复合地基支承路堤的失稳破坏机理进行离心模型试验。结果表明：路堤下不同位置桩体将先后发生弯曲破坏，而并不是同时发生弯曲破坏；当桩身抗弯刚度与强度较高、桩距较大且桩下端嵌入较硬土层足够深度时，可产生桩间土体沿桩的绕流甚至因产生绕流而导致路堤失稳破坏；当桩身抗弯刚度与强度较低时，桩体会首先在软硬土层交界面处发生弯曲破坏，并可在路堤失稳前在桩身上部发生第二次弯曲破坏或者整体倾覆破坏。
同时，基于离心模型试验，采用三维有限差分数值方法对单排桩条件下和群桩条件下刚性桩复合地基支承路堤进行了数值分析，主要研究了不同抗弯刚度和强度、不同桩长细比、不同桩端嵌固条件、不同桩间距和土层分布条件下桩体的受力与变形性状、破坏模式以及路堤的失稳破坏机理。结果表明：数值分析结果与模型试验结果相似；路堤下桩体弯曲破坏比剪切破坏易于发生，且路堤下的各桩是一个渐进破坏过程，这样路堤发生失稳破坏也是一个渐进破坏过程；当桩体抗弯刚度和强度、桩长细比、桩端嵌固条件、桩间距、以及土层分布条件不同时，路堤下桩体存在多种破坏模式：（1）桩体弯曲破坏+桩体整体倾覆破坏；（2）桩体弯曲破坏+桩体弯曲破坏；（3）桩体整体倾覆破坏；（4）桩体向路堤中心侧发生了整体倾覆；（5）桩间土体绕流破坏。
基于软土地基上刚性桩复合地基支承路堤的失稳破坏机理研究，提出了相应的简化稳定分析方法，并采用这些方法分别对无筋刚性桩（素混凝土桩）和钢筋混凝土桩复合地基支承路堤的稳定算例进行了大量计算。最后建议采用等效抗剪强度法、等效荷载法、等效砂桩法和英国BS8006规范方法对刚性桩复合地基支承路堤的稳定性进行综合分析。同时为了保证设计的冗余度，针对不同的稳定分析方法建议了相应的稳定安全系数。
Overall stability of an embankment is the key problem of embankment rapidconstruction on soft ground. To meet the requirements of the stability andpost-construction settlement of the embankment on soft subgrade, the compositeground reinforced with rigid piles is used extensively to support the embankment.However, due to the irrationality of the existing stability analysis methods, some casehistories have been reported that stability failure occurred to the embankmentssupported on composite ground reinforced with rigid piles.
In order to evaluate the stability of the embankment supported on compositeground reinforced with rigid piles reasonably, centrifuge modeling tests are performedto study failure mechanisms of the embankments supported on soft ground andcomposite ground reinforced with rigid piles. The results show that the piles atdifferent locations under the embankment did not fail simultaneously but fail one byone by bending failure mode. For piles with a high bending stiffness and strength, alarge spacing, and a sufficient embedded depth into stiff stratum, the soil may flowaround the pile body and then it can further lead to overall failure of the embankment.But for piles with a low bending stiffness and strength, the piles would fail firstly bybending failure mode at the interface of the soft and stiff strata, and then thesecondary bending failure or collapse failure may occur to the upper part of the pilebefore the embankment failure.
Based on the centrifuge modeling tests,3D finite difference numerical analysesare carried out to study the embankment supported on composite ground reinforcedwith rigid piles. The deformation behavior, load transfer and failure mechanisms ofthe piles and embankment are investigated with different pile bending stiffness andstrength, pile slenderness ratio, pile tip embedment，pile spacing and different soildistribution. The results show that the numerical simulation results confirm thecentrifuge test results, and bending failure of a pile is more critical than shear failure.The results also show that progressive failure occurs among the piles subjected toembankment loading and the embankment approaches failure progressively too. Withdifferent bending stiffness and strength, pile slenderness ratio, pile tip embedment,pile spacing and soil distribution, the piles would fail by different failure modes:(1) bending failure+collapse failure;(2) bending failure+bending failure;(3) collapsefailure;(4) sliding failure+tilting toward the embankment center;(5) soil flowaround the pile.
Then based on the research of the failure mechanisms of the embankments onsoft subgrade reinforced with rigid piles, a few of simplified stability analysismethods are suggested and compared with each other by analyzing the stability of thetypical examples of the embankments on composite ground reinforced withunreinforced concrete piles (concrete piles) or reinforced concrete piles. It issuggested that a comprehensive analysis of the stability of the embankments oncomposite ground reinforced with rigid piles can be carried out by the equivalentshear strength method, the equivalent load method, the equivalent sand pile methodand the BS8006method. In order to ensure the redundancy of the design，differentsafety factor values are advised for different simplified stability analysis methods.
为了合理评估刚性桩复合地基支承路堤的整体稳定性，本文首先对天然地基上的路堤、单排桩条件下和群桩条件下刚性桩复合地基支承路堤的失稳破坏机理进行离心模型试验。结果表明：路堤下不同位置桩体将先后发生弯曲破坏，而并不是同时发生弯曲破坏；当桩身抗弯刚度与强度较高、桩距较大且桩下端嵌入较硬土层足够深度时，可产生桩间土体沿桩的绕流甚至因产生绕流而导致路堤失稳破坏；当桩身抗弯刚度与强度较低时，桩体会首先在软硬土层交界面处发生弯曲破坏，并可在路堤失稳前在桩身上部发生第二次弯曲破坏或者整体倾覆破坏。
同时，基于离心模型试验，采用三维有限差分数值方法对单排桩条件下和群桩条件下刚性桩复合地基支承路堤进行了数值分析，主要研究了不同抗弯刚度和强度、不同桩长细比、不同桩端嵌固条件、不同桩间距和土层分布条件下桩体的受力与变形性状、破坏模式以及路堤的失稳破坏机理。结果表明：数值分析结果与模型试验结果相似；路堤下桩体弯曲破坏比剪切破坏易于发生，且路堤下的各桩是一个渐进破坏过程，这样路堤发生失稳破坏也是一个渐进破坏过程；当桩体抗弯刚度和强度、桩长细比、桩端嵌固条件、桩间距、以及土层分布条件不同时，路堤下桩体存在多种破坏模式：（1）桩体弯曲破坏+桩体整体倾覆破坏；（2）桩体弯曲破坏+桩体弯曲破坏；（3）桩体整体倾覆破坏；（4）桩体向路堤中心侧发生了整体倾覆；（5）桩间土体绕流破坏。
基于软土地基上刚性桩复合地基支承路堤的失稳破坏机理研究，提出了相应的简化稳定分析方法，并采用这些方法分别对无筋刚性桩（素混凝土桩）和钢筋混凝土桩复合地基支承路堤的稳定算例进行了大量计算。最后建议采用等效抗剪强度法、等效荷载法、等效砂桩法和英国BS8006规范方法对刚性桩复合地基支承路堤的稳定性进行综合分析。同时为了保证设计的冗余度，针对不同的稳定分析方法建议了相应的稳定安全系数。
Overall stability of an embankment is the key problem of embankment rapidconstruction on soft ground. To meet the requirements of the stability andpost-construction settlement of the embankment on soft subgrade, the compositeground reinforced with rigid piles is used extensively to support the embankment.However, due to the irrationality of the existing stability analysis methods, some casehistories have been reported that stability failure occurred to the embankmentssupported on composite ground reinforced with rigid piles.
In order to evaluate the stability of the embankment supported on compositeground reinforced with rigid piles reasonably, centrifuge modeling tests are performedto study failure mechanisms of the embankments supported on soft ground andcomposite ground reinforced with rigid piles. The results show that the piles atdifferent locations under the embankment did not fail simultaneously but fail one byone by bending failure mode. For piles with a high bending stiffness and strength, alarge spacing, and a sufficient embedded depth into stiff stratum, the soil may flowaround the pile body and then it can further lead to overall failure of the embankment.But for piles with a low bending stiffness and strength, the piles would fail firstly bybending failure mode at the interface of the soft and stiff strata, and then thesecondary bending failure or collapse failure may occur to the upper part of the pilebefore the embankment failure.
Based on the centrifuge modeling tests,3D finite difference numerical analysesare carried out to study the embankment supported on composite ground reinforcedwith rigid piles. The deformation behavior, load transfer and failure mechanisms ofthe piles and embankment are investigated with different pile bending stiffness andstrength, pile slenderness ratio, pile tip embedment，pile spacing and different soildistribution. The results show that the numerical simulation results confirm thecentrifuge test results, and bending failure of a pile is more critical than shear failure.The results also show that progressive failure occurs among the piles subjected toembankment loading and the embankment approaches failure progressively too. Withdifferent bending stiffness and strength, pile slenderness ratio, pile tip embedment,pile spacing and soil distribution, the piles would fail by different failure modes:(1) bending failure+collapse failure;(2) bending failure+bending failure;(3) collapsefailure;(4) sliding failure+tilting toward the embankment center;(5) soil flowaround the pile.
Then based on the research of the failure mechanisms of the embankments onsoft subgrade reinforced with rigid piles, a few of simplified stability analysismethods are suggested and compared with each other by analyzing the stability of thetypical examples of the embankments on composite ground reinforced withunreinforced concrete piles (concrete piles) or reinforced concrete piles. It issuggested that a comprehensive analysis of the stability of the embankments oncomposite ground reinforced with rigid piles can be carried out by the equivalentshear strength method, the equivalent load method, the equivalent sand pile methodand the BS8006method. In order to ensure the redundancy of the design，differentsafety factor values are advised for different simplified stability analysis methods.
引文
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