柔性基础下刚性桩复合地基的稳定分析与工程应用研究

To the compostie ground under flexible foundation, stability analysis is also needed in addition to the calculation of bearing capacity and settlement. Limit equilibrium methods are commonly adopted approach for analyzing stability, which do not incorporate the bending, tensile and compression failure modes of piles, but only the shear failure mode. So the current design methods based on limit equilibrium methods might overestimate the stability, and are unsafe. By centrifuge model tests, 3D FEM considering large deformation and consolidation, and strength reduction FEM, considering the redistribution of stress field after the pile breaking away and the difference failure mode of piles with different strength, the stress characteristics and the whole sliding process of composite ground improved by rigid piles under embankment are studied. Furthermore, the variation of displacement filed, stress field, pore water pressure, failure mode and internal force redistribution of piles, sliding surface and safety factor are analized. Finally, supposing the sliding surface reasonably and taking into account the anti-slide contribution of piles with different failure modes, a simplified method for stability analysis of composite ground improved by rigid piles under flexible foundation is proposed.

对于柔性基础下的复合地基，除了进行承载力和沉降计算外还应进行稳定分析。目前国内外通常采用极限平衡法，假定桩和桩间土均发生剪切破坏，采用抗剪强度来计算边坡的稳定性，忽视了桩体可能发生的受弯、受拉及受压破坏的情况，导致所得稳定安全系数偏高，其结果偏于不安全。课题组拟通过离心模型试验、三维大变形固结有限元和强度折减有限元分析方法，考虑桩体开裂或破坏后复合地基应力场的重分布以及不同强度桩体（钢筋混凝土桩和素桩）破坏模式的差异性，系统研究路堤边坡下刚性桩复合地基的受力特性以及失稳破坏的全过程，分析失稳过程中地基位移场、应力场和孔隙水压力的变化规律，桩体破坏模式和内力重分布规律，失稳滑动面及稳定安全系数的变化规律。在前述工作基础上，合理假定失稳滑动面并考虑不同破坏模式桩体的抗滑贡献，提出柔性基础下刚性桩复合地基的稳定分析简化方法。

随着土木工程建设的蓬勃发展，各种形式的复合地基技术在高速公路、铁路等领域得到了广泛的应用和推广，并取得了良好的经济效益和社会效益。刚性桩复合地基由于其承载力高，工后沉降小，施工速度快的优点，在软土地基道路工程中的应用越来越多。但路堤下黏结材料桩复合地基的稳定分析仍沿用传统的剪切破坏假定严重高估了复合地基的稳定性，由此设计出的工程往往处于不安全状态。近年来我国珠三角、长三角及内地软土地区的路堤采用刚性桩加固后仍时有滑坡事故发生。. 本项目通过离心模型试验、数值分析和解析分析法，对路堤下刚性桩复合地基的工作性状、破坏模式及稳定分析方法等方面进行了深入系统的研究，取得以下成果：. （1）通过离心机模型试验，采用变加速度加载法、恒加速度加载法和气囊加载法模拟路堤填筑、工后使用和失稳破坏过程，研究了复合地基的工作性状和破坏模式，揭示了加载过程中路堤和地基土体的位移场、不同位置桩体内力和位移、桩间土应力和孔隙水压力的变化规律，以及路堤下不同位置桩体破坏模式的差异性；. （2）采用三维有限元数值方法，首次采用损伤模型模拟桩体受损后的应力重分布，揭示了路堤下刚性桩复合地基渐进破坏的过程和不同位置桩体破坏模式的差异性；. （3）根据路堤下不同位置桩体破坏模式的差异性，将桩体的破坏模式分为受压破坏、受拉破坏和受弯破坏三种，并进行了合理分区。根据极限平衡法基本原理，提出考虑桩体破坏模式差异的柔性基础下刚性桩复合地基稳定分析方法。. 项目已发表论文5篇，其中SCI/EI收录4篇。研究成果已应用于龙丽温高速公路、温州绕城高速公路西南线工程、甬台温高速公路复线、乐清湾大桥及接线工程、台州湾大桥及接线工程等高速公路工程中，社会效益和经济效益显著。研究成果获得中国岩石力学与工程学会2017年科技进步特等奖1项，浙江省科技进步一等奖1项（已通过答辩）。