斜坡段路基椅式樁板支擋結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析

張禮財 王順豪 劉思陽 蔣婧睿 湯 睿

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 成都 610031)

隨著西部大開發(fā)政策的持續(xù)推進，在西部復(fù)雜山區(qū)修建高速鐵路及公路時，因山脈縱橫，地勢起伏，出現(xiàn)了大量的陡坡路基地段，又伴隨著高速鐵路大提速的潮流，使得傳統(tǒng)支擋結(jié)構(gòu),如重力式擋土墻、衡重式擋土墻以及其他支擋結(jié)構(gòu)等已經(jīng)難以保證陡坡的穩(wěn)定性，因此保持陡坡路基的平順性、長期穩(wěn)定性已成為支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計中不可回避的問題。鑒于目前陡坡路基工程的數(shù)量快速增長，對勘察、設(shè)計以及施工工藝的要求越來越高，為適應(yīng)需求急需一種安全可靠的新型支擋結(jié)構(gòu)[1-4]。

椅式樁支擋結(jié)構(gòu)組成中，因合理設(shè)計和布置長樁、短樁、橫梁、承載板與擋土板的尺寸和位置，因此該新型結(jié)構(gòu)具有較好的承重性能、抗滑性能以及支擋作用。傳統(tǒng)支擋結(jié)構(gòu)通過理論分析、數(shù)值計算、室內(nèi)試驗等方法對其結(jié)構(gòu)內(nèi)力、結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)-土體相互作用等方面進行了較多的研究[5-9]，鑒于目前對該結(jié)構(gòu)形式的受力和變形特性研究成果不多見，本文利用數(shù)值仿真方法，建立椅式樁支擋結(jié)構(gòu)有限元模型，分析該新型支擋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布及變形特性，為我國陡坡路基的新型支擋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計作理論指導(dǎo)。

1 工程概況

敘大鐵路是連通敘永縣敘永鎮(zhèn)和古藺縣大村鎮(zhèn)的貨物運輸線，龍山車站位于四川省境內(nèi)瀘州古藺縣龍山鎮(zhèn)，車站附近地表斜坡坡度約為1∶2，最大坡度達到20°，地表土層覆蓋厚度為2～20 m的粉質(zhì)黏土，車站中最大填方高度和挖方高度分別為19 m和17 m，基巖為灰?guī)r，基巖面橫坡與地面橫坡基本相同，因此在路堤填方較高處易形成一系列的滑坡體或地震帶。椅式樁板結(jié)構(gòu)應(yīng)兼具抗滑和支擋作用，且輕質(zhì)、施工快捷方便，是控制陡坡地段鐵路路基變形的有效措施，故在本段設(shè)置了椅式樁支擋結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 龍山車站椅式樁支擋結(jié)構(gòu)—土質(zhì)邊坡

2 數(shù)值計算模型

本文選取DK 64+355斷面處的椅式樁支擋結(jié)構(gòu)，樁結(jié)構(gòu)尺寸如表1 所示。

表1 樁結(jié)構(gòu)尺寸

基于有限元軟件ABAQUS建立斜坡路基椅式樁板支擋結(jié)構(gòu)三維模型，其中采用Solid單元來模擬椅式樁支擋結(jié)構(gòu)和巖土體均選取Mohr-Coulomb準(zhǔn)則為填料與覆土層本構(gòu)模型，而基巖本構(gòu)為線彈性，采用換算土柱法來模擬列車荷載。有限元模型中，橫向斷面和縱斷面上Z、X方向約束法向位移，底部約束X、Y、Z方向位移。計算參數(shù)如表2所示，結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

表2 數(shù)值模擬參數(shù)取值

圖2 數(shù)值計算模型

3 計算結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)變形

椅式樁水平位移圖，如圖3所示。

圖3 水平位移圖

由圖3可知，長樁和短樁的水平位移分別為3.23 cm和2.55 cm ，兩者之間的水平位移差值為6 mm，表明在荷載作用下椅式樁支擋結(jié)構(gòu)作為整體共同抵抗外荷載，且能夠提供較高的抗力。而橫梁的變形位移變化較為復(fù)雜，由圖3可看出橫梁的兩端位置有約0.3 mm的位移差，通過受力分析可以發(fā)現(xiàn)，拉伸變形和撓曲位移對橫梁的影響顯著，其受力較復(fù)雜，因此這里建議對于椅式樁支擋結(jié)構(gòu)中的橫梁做單獨計算。

另一方面，通過對椅式樁支擋結(jié)構(gòu)的水平位移和豎向位移的分析，以研究整體結(jié)構(gòu)的抗滑能力，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 路堤位移云圖(m)

由圖4可知，短樁后側(cè)范圍內(nèi)的路基發(fā)生了較大的位移，豎向位移最大值達30 cm，最大豎向位移小于無樁的工況，這主要是歸結(jié)于橫梁的承載作用，使得填料基本壓在橫梁上，相當(dāng)于提高了樁整體的重量，從而使得樁的重心向后移動，增加了路基整體的穩(wěn)定性。

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

椅式樁支擋結(jié)構(gòu)的長樁、短樁以及橫梁的內(nèi)力分布曲線如圖5～圖7所示。

圖5 長樁內(nèi)力分布曲線

圖6 短樁內(nèi)力分布曲線

圖7 橫梁內(nèi)力分布曲線

由圖5、圖6可知，除長樁和短樁的彎矩在樁頂?shù)囊徊糠钟休^大差距外，其余位置變化規(guī)律類似，長樁的最大彎矩與短樁的最大彎矩值變化不大。另一方面，軸力的變化差別則較大，長樁先受壓后受拉，而短樁一直保持受拉狀態(tài)，且拉力隨著樁基長度越來越小。

由圖5～圖7可知，樁與橫梁相交位置和覆土層中層，此時短樁和長樁的彎矩值達到最大，設(shè)計合理的橫梁的布置可有效減小彎矩，增大軸力，因此，長、短樁之間連接的橫梁可以優(yōu)化樁的受力。同時發(fā)現(xiàn)，在橫梁上兩端部位置彎矩值很大，是椅式樁結(jié)構(gòu)中的易破壞的位置。

3.3 巖土相互作用

長、短樁的各位置的土壓力變化曲線，如圖8所示。

圖8 長樁土壓力分布

從圖8(a)中可以看出，長樁上部土壓力分布趨近于三角分布，且隨著長樁的埋深土壓力也逐漸增大，在樁底部最大值達到900 kN·m,同時發(fā)現(xiàn)土壓力合力值與主動土壓力埋置相差很小，但是合力作用點位置偏下，位于長樁的1/4高度處。圖8(b)為長樁下部的樁前土壓力，通過計算發(fā)現(xiàn)，被動土壓力較樁前抗力要大很多，樁前抗力合力只有被動土壓力的1/3左右。

由圖9(a)可知，短樁后面的土壓力值由土體自身產(chǎn)生的推力和后期填土所產(chǎn)生的附加推力組成。由圖可知，短樁后部土壓力沿樁埋深呈現(xiàn)拋物線分布，與砂土散體材料產(chǎn)生的滑坡推力分布曲線類似，為簡化計算，可按照矩形的分布形式計算。由圖9(b)可知，在短樁埋深8 m范圍內(nèi)，樁間前后側(cè)向土壓力大小相同，且呈線性分布，但當(dāng)深度達至8 m后，樁間前側(cè)的變化較為復(fù)雜，略大于樁間后側(cè)的土壓力，主要原因在于樁本身整體性好，剛度大，變形較小，樁間土體壓縮量低，使得樁間土壓力較小。

圖9 短樁后部及樁間土土壓力分布

4 結(jié)論

本文通過選取DK 64+355斷面處的椅式樁支擋結(jié)構(gòu)，基于有限元軟件Abaqus建立了陡坡路基段的椅式樁板三維模型，分析該新型支擋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布及變形特性，主要得出以下結(jié)論：

(1)長樁和短樁兩者之間的水平位移差值為6 mm，表明在荷載作用下椅式樁支擋結(jié)構(gòu)作為整體共同抵抗外荷載，且能夠提供較高的抗力。而橫梁的變形位移變化較為復(fù)雜，由圖可看出橫梁的兩端位置有約0.3 mm的位移差，通過受力分析可以發(fā)現(xiàn)，拉伸變形和撓曲位移對橫梁的影響顯著，其受力較復(fù)雜，因此這里建議對于椅式樁支擋結(jié)構(gòu)中的橫梁做單獨計算。

(2)椅式樁板結(jié)構(gòu)具有較大的剛度，主、副樁的彎矩量都比較接近，主、副樁的協(xié)調(diào)性比較好，而橫梁上的彎矩極值發(fā)生在兩端位置，且極值數(shù)值較大，是椅式樁結(jié)構(gòu)中的易破壞的位置。

(3)長樁懸臂段的土側(cè)壓力分布近似為三角線分，土壓力合力值與主動土壓力埋置相差很小，但是合力作用點位置偏下，位于長樁的1/4高度處。