考慮土拱效應(yīng)的斜插式樁板墻合理板間距研究

屈俊童，吳紹山，許展峰，陳慧君

(云南大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，云南 昆明 650504)

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著人們對(duì)居住環(huán)境要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)樁板墻無(wú)法解決綠化的劣勢(shì)日益突出。于是在2008年左右中國(guó)最早設(shè)計(jì)出了斜插式樁板墻，該新型支擋結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)在于將樁后直板改為了樁間斜板，這種改變不僅能滿足基本支護(hù)要求，使墻后空隙水自由排出，減小擋土板后土壓力，而且排出的地下水還能對(duì)綠化槽內(nèi)的植物提供水分。這樣結(jié)構(gòu)在基本支擋功能基礎(chǔ)上又增加了植物護(hù)坡、降低噪聲、調(diào)節(jié)小氣候以及景觀綠化等眾多功能特點(diǎn)，使得結(jié)構(gòu)功能更加豐富、結(jié)構(gòu)形式更加合理，達(dá)到了工程應(yīng)用與美化環(huán)境有機(jī)結(jié)合的目的[1]。

斜插式樁板墻雖然是由傳統(tǒng)樁板墻支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)展而來(lái)，但是由于其樁間擋板傾斜，加之樁間、板間土拱效應(yīng)作用，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)在受力以及墻后土壓力分布模式上存在較大差異。張燕[2]對(duì)斜插式樁板墻擋土板的設(shè)計(jì)方法、擋土板的最優(yōu)角度以及考慮卸載拱下的土壓力分布情況等進(jìn)行了研究和闡述；陳雷[3]對(duì)斜插式樁板墻的經(jīng)濟(jì)效益、設(shè)計(jì)計(jì)算需注意的要點(diǎn)以及該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析；李光明[4]結(jié)合某小區(qū)邊坡工程情況，提出了斜插式樁板墻與錨索樁共同作用的支護(hù)方案，并對(duì)其治理效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)；蒲德紅等[5]論述了固支板和簡(jiǎn)支板情況下?lián)跬涟迨芰τ?jì)算方法，并對(duì)斜插式樁板墻的施工工藝和施工難點(diǎn)進(jìn)行了闡述。

綜上所述，斜插板作為整個(gè)斜插式樁板墻的一部分，其研究顯得相對(duì)較少，尤其是在板間距變化對(duì)板間土拱的強(qiáng)度、墻后土壓力分布模式的影響以及如何確定合理板間距等問(wèn)題上鮮有研究。

1 土拱效應(yīng)與研究背景

土拱效應(yīng)是巖土工程領(lǐng)域的常見(jiàn)現(xiàn)象。1884年，英國(guó)科學(xué)家Roberts通過(guò)“糧倉(cāng)效應(yīng)”首次發(fā)現(xiàn)了土拱效應(yīng)，并指出土拱效應(yīng)表征了介質(zhì)由于產(chǎn)生相對(duì)位移而出現(xiàn)類似拱圈的現(xiàn)象[6-7]。土拱的形成改變了介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)，造成應(yīng)力重分布后，把拱圈上的應(yīng)力傳遞到拱腳或周圍穩(wěn)定介質(zhì)中去[8]。

1943年，Terzaghi[9]通過(guò)活動(dòng)門試驗(yàn)提出了土拱效應(yīng)的存在條件：①土體間產(chǎn)生不均勻位移或相對(duì)位移；②存在作為支撐的拱腳。

斜插式樁板墻在城市公園、重要的高速路、鐵路等對(duì)環(huán)境要求較高的地區(qū)具有廣泛的應(yīng)用前景，其應(yīng)用效果圖如圖1(a)所示。由于擔(dān)心發(fā)生板間土體擠出、樁頂土體沉陷等問(wèn)題，現(xiàn)有工程的擋土板布置方式大多采用上下相鄰板平齊的形式，如圖1(b)所示。在這種布置方式下，出現(xiàn)了植物成活率低、綠化效果差、墻后孔隙水壓力得不到有效釋放等問(wèn)題，為有效提高綠化效果，降低工程造價(jià)，找出一個(gè)合理的板間距成為了必須要面對(duì)的問(wèn)題。對(duì)于斜插式樁板墻而言，首先，由于板間距的增大，必然會(huì)引起相鄰板間土體的不均勻變形，其次，傾斜擋土板板底為土拱效應(yīng)的產(chǎn)生提供了固定拱腳，充分說(shuō)明了斜插式樁板墻相鄰板間具備了土拱效應(yīng)產(chǎn)生的必要條件[10-14]?；诖?，本文從考慮板間土拱效應(yīng)的角度出發(fā)，在固定樁間距、板的傾角等前提下，通過(guò)ABAQUS對(duì)4組不同板間距下的斜插式樁板墻板后水平土壓力、板后豎向土壓力以及板間土拱強(qiáng)度沿橫向的變化規(guī)律等進(jìn)行模擬分析，并最終結(jié)合實(shí)用性和安全性，提出斜插式樁板墻合理板間距的取值范圍。

2 模型與參數(shù)選取

昆明市茶馬花街邊坡支擋工程路塹土體主要由雜填土、第三系黏性土、含碎石角礫粉質(zhì)黏土以及中風(fēng)化巖組成，抗滑樁長(zhǎng)20 m，樁間距6 m。為了方便計(jì)算，結(jié)合地質(zhì)資料，按照縮尺比1∶20將實(shí)際工程相應(yīng)尺寸縮小，地層簡(jiǎn)化為黏土和中風(fēng)化巖層后進(jìn)行模擬研究，本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則[15]，為保證分析結(jié)果的精確性，網(wǎng)格劃分時(shí)需對(duì)斜插板和板后土體進(jìn)行加密，材料單元類型選擇八節(jié)點(diǎn)線性六面體實(shí)體單元,積分方法為減縮積分(C3D8R)[16]。4組模型板間距見(jiàn)表1，相關(guān)模型尺寸見(jiàn)圖2，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2，計(jì)算分析模型見(jiàn)圖3。

表1 板間距Tab.1 Plate Spacing

注：b為板寬。

表2 模型計(jì)算參數(shù)Tab.2 Calculation Parameters of Model

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 板后水平土壓力分析

利用ABAQUS[2-3,9,16-17]創(chuàng)建顯示組功能,得到4組不同板間距下土體的S22(y方向)應(yīng)力云圖如圖4所示，并沿板后跨中提取板頂、板中、板底三處土體的水平土壓力值繪制出水平土壓力隨深度變化曲線，為方便進(jìn)行對(duì)比分析，將板中水平土壓力與經(jīng)典庫(kù)侖主動(dòng)土壓力一同繪制于曲線中，如圖5所示。板中水平土壓力值見(jiàn)表3。

從圖5和表3可以看出[17-20]：

(1)由于擋土板傾斜，使得斜插式樁板墻板后水平土壓力整體呈現(xiàn)為特殊的鋸齒狀，并且隨著深度的增加，板后水平土壓力不斷增大。

(2)板后水平土壓力整體上均小于庫(kù)侖主動(dòng)土壓力，且隨著板間距的增大，懸臂段中下部水平土壓力不斷減小，這是由于隨著擋土板板間距的不斷增大，板后土體相對(duì)位移不斷增大，土體應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在相鄰板間形成了豎向土拱，限制了水平土壓力的橫向傳遞。

(3)在0.2倍板寬板間距模型中，板中水平土壓力在懸臂段中部微弱減小后又在樁底呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明此時(shí)的板間距還不足以使抗滑樁懸臂段底部土體產(chǎn)生較大的相對(duì)位移，因而土拱效應(yīng)發(fā)揮還不明顯。

(4)在0.3倍板寬板間距模型中，板底水平土壓力整體上較0.2倍板寬板間距模型有了明顯的減小，且隨著深度的增加，板中水平土壓力逐漸減小并明顯出現(xiàn)回收趨勢(shì)，說(shuō)明在此板間距下，板后土體相對(duì)位移有所增大，且板間土拱效應(yīng)隨深度的增加而不斷增強(qiáng)，該規(guī)律與傳統(tǒng)樁間土拱效應(yīng)隨深度的變化規(guī)律是相一致的[16,18]。

(5)0.4倍板寬板間距模型與0.3倍板寬板間距模型相比，板底水平土壓力持續(xù)微弱減小，板中水平土壓力隨深度增加回收趨勢(shì)更加明顯。另外，在同一深度下，板中水平土壓力整體相較于0.3倍板寬板間距模型進(jìn)一步減小，且小于板底水平土壓力最大值的1/2，充分說(shuō)明了水平土壓力的橫向傳遞受到了板間土拱的有效限制，板間土拱效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)。

表3 板中水平土壓力Tab.3 In-plate Horizontal Earth Pressure

(6)0.5倍板寬板間距模型中，雖然板底水平土壓力有所減小，但是板中水平土壓力相較于0.4倍板寬板間距模型幾乎不再減小，這說(shuō)明土拱效應(yīng)的進(jìn)一步提高對(duì)板中水平土壓力的減小起到的作用已經(jīng)不明顯。

從水平土壓力分析中可以看出：斜插式樁板墻在0.3倍～0.4倍板寬板間距下產(chǎn)生的板間土拱效應(yīng)最強(qiáng)，板后所受的水平土壓力最小。

3.2 板后豎向土壓力分析

同樣，利用ABAQUS創(chuàng)建顯示組功能，得到4組不同板間距下土體的S33(z方向)應(yīng)力云圖如圖6所示，相應(yīng)的豎向土壓力與自重應(yīng)力隨深度變化曲線如圖7所示，板底豎向土壓力值見(jiàn)表4。

從圖7和表4可以看出：

(1)不同板間距下板后豎向土壓力在樁頂與土體自重應(yīng)力基本相同，懸臂段中下部板后豎向土壓力在不同程度上大于土體的自重應(yīng)力。

(2)與水平土壓力一樣，由于擋土板傾斜，斜插式樁板墻板后豎向土壓力整體也呈現(xiàn)為鋸齒狀。

(3)板底豎向土壓力隨著深度的增加不斷增大，說(shuō)明板底除了受到了土體的自重應(yīng)力外，還受到來(lái)自以板底作為拱腳的板間土拱所傳遞的拱后土壓力。

(4)板中的豎向土壓力只比自重應(yīng)力略大，而板底的豎向土壓力最大值比自重應(yīng)力增大了近1倍，進(jìn)一步說(shuō)明了拱腳作用區(qū)域?yàn)樾辈灏灏宓住?/p>

(5)在0.2倍板寬板間距下，懸臂段中下部板底的豎向土壓力呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，說(shuō)明此時(shí)板間距較小，懸臂段底部的土拱效應(yīng)還不明顯。

表4 板底豎向土壓力Tab.4 Bottom-plate Vertical Earth Pressure

(6)從0.3倍板寬板間距模型開(kāi)始，板底的豎向土壓力明顯增強(qiáng)，相比水平土壓力減小值更為明顯，但是0.4倍板寬板間距模型第5塊板底豎向土壓力與自重應(yīng)力差值最大為0.6 kPa左右，而0.5倍板寬板間距模型的差值僅略微增大為1 kPa，說(shuō)明在此板間距下，板間土拱效應(yīng)強(qiáng)度提高并不明顯或拱體已經(jīng)破壞。

因此，從豎向土壓力分析中可以進(jìn)一步得出：斜插式樁板墻在0.3倍～0.4倍板寬板間距下產(chǎn)生的板間土拱效應(yīng)達(dá)到最強(qiáng)，且板間土拱拱腳位于板底位置。

3.3 板間土拱強(qiáng)度分析

利用ABAQUS視圖切片得到4組模型中間跨板后Von Mises應(yīng)力云圖，如圖8所示。

從圖8可以看出，在懸臂段中下部形成了明顯的板間豎向土拱，且隨著深度的增加，拱高逐漸變大，其分布規(guī)律與前面土壓力分析結(jié)果一致。為進(jìn)一步了解板間土拱強(qiáng)度隨板間距變化的規(guī)律，提取不同深度土拱位置處沿土體橫向(y方向)應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖9所示，4組模型板后拱高和應(yīng)力最大值如表5所示。

從圖9和表5可以看出：

(1)從板頂開(kāi)始向后，應(yīng)力迅速增大到拱頂時(shí)，在土拱效應(yīng)影響范圍外減小并趨于平穩(wěn)，且隨著深度的增加，穩(wěn)定后的應(yīng)力值也增加。

表5 拱高和應(yīng)力最大值Tab.5 Maximum Values of Arch Height and Stress

(2)隨著深度的增加，最大應(yīng)力值逐漸提高，并出現(xiàn)向后移動(dòng)現(xiàn)象，說(shuō)明此時(shí)板間土拱的拱高逐漸變大，土拱效應(yīng)不斷增強(qiáng)。

(3)板間距在0.3倍～0.4倍板寬時(shí)拱頂高度和應(yīng)力值幾乎已經(jīng)達(dá)到最大值，說(shuō)明此板間距下斜插式樁板墻板間土拱效應(yīng)最強(qiáng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)由于擋土板傾斜，使得斜插式樁板墻板后水平和豎向土壓力均呈現(xiàn)鋸齒狀分布，且在板間土拱作用下，水平土壓力小于經(jīng)典庫(kù)侖主動(dòng)土壓力，豎向應(yīng)力大于土體自重應(yīng)力。

(2)板間土拱效應(yīng)主要出現(xiàn)在抗滑樁懸臂段中下部，且隨深度的增加，土拱效應(yīng)不斷增強(qiáng)。

(3)板間土拱的拱腳位于斜插板板底，在設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行局部加強(qiáng)，提高設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

(4)板間距在0.3倍～0.4倍板寬時(shí)，板中土壓力最小，拱高與拱頂應(yīng)力值最大，板間土拱效應(yīng)達(dá)到最強(qiáng)。因此，結(jié)合結(jié)構(gòu)的安全性和適用性，建議斜插式樁板墻合理的板間距取值為0.3倍～0.4倍板寬。