陡坡地段三排樁板結(jié)構(gòu)路基承載特性仿真研究

劉 杰,趙莉香,周 珩,王 迅,2,王武斌,2

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031； 2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

1 概述

樁板路基結(jié)構(gòu)作為一種新型的路基結(jié)構(gòu)形式，目前已應(yīng)用于國內(nèi)多條高速鐵路線上[1-2]。該結(jié)構(gòu)主要由下部混凝土樁基、路基本體與上部鋼筋混凝土承載板組成，樁、板與路基共同組成一個(gè)承載結(jié)構(gòu)體系。承載板可較均勻地承受上部軌道結(jié)構(gòu)以及列車荷載的作用，可在一定程度上減小軌道不均勻沉降，板結(jié)構(gòu)下部路基土體則對(duì)板結(jié)構(gòu)具有支承作用，土體中的樁結(jié)構(gòu)發(fā)揮著加固土體的作用。該結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了樁-板-土三者的共同作用[3]，具有強(qiáng)度高、剛度大、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

國內(nèi)首次使用樁板結(jié)構(gòu)路基是在遂渝高速鐵路上，詹永祥等率先提出了樁板結(jié)構(gòu)路基這一新型路基結(jié)構(gòu)形式，并較系統(tǒng)的闡述了其設(shè)計(jì)理論及計(jì)算方法，給出了合理的設(shè)計(jì)尺寸范圍[4-5]；蘇謙等針對(duì)深厚濕陷性黃土地段、路橋過渡段的非埋式樁板結(jié)構(gòu)路基展開了相關(guān)研究[6-9]；肖宏通過模型試驗(yàn)，明確了樁板結(jié)構(gòu)樁-板-土體相互作用機(jī)制[10-12]。此外，還有諸多學(xué)者對(duì)于不同工況下的樁板結(jié)構(gòu)路基展開了較全面的研究[13-16]。

而隨著我國山區(qū)鐵路線路的增加，不可避免遇到高陡邊坡地段，如武廣鐵路客運(yùn)專線，國內(nèi)首次將樁板路基結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高陡邊坡地段；此后針對(duì)陡坡地段的樁板路基結(jié)構(gòu)，越來越多的學(xué)者展開了相關(guān)研究，周珩等通過模型試驗(yàn)研究了樁板結(jié)構(gòu)的水平承載特性[17-18]；白皓等對(duì)椅式樁板結(jié)構(gòu)承載特性及破壞模式進(jìn)行了較深入研究[19-21]。

綜上所述，國內(nèi)對(duì)于樁板結(jié)構(gòu)路基的研究已相對(duì)較多，并已取得較好的理論研究和實(shí)踐成果。但是對(duì)于樁板結(jié)構(gòu)應(yīng)用于陡坡地段的研究較少，因此通過有限元軟件對(duì)可提供更好抗滑效果的三排樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，驗(yàn)證三排樁板結(jié)構(gòu)加固高陡邊坡的作用效果；分析在ZK荷載作用下結(jié)構(gòu)的受力變形響應(yīng)；并通過與傳統(tǒng)雙排樁板結(jié)構(gòu)對(duì)比確定三排樁板結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

2 數(shù)值分析模型

2.1 模型概述

依托杭黃高速鐵路，選取陡坡地段短路基為計(jì)算工點(diǎn)，該工點(diǎn)地勢(shì)起伏較大，山體自然坡度25°～35°，邊坡采用A、B組填料填筑。模擬實(shí)際施工順序建立如圖1所示橫斷面尺寸模型。

(1)首先對(duì)建立的原狀山坡進(jìn)行地應(yīng)力平衡，模擬實(shí)際未經(jīng)擾動(dòng)狀態(tài)下的邊坡形狀，模型橫向?qū)挾?6 m，線路縱向長度27.5 m；

(2)進(jìn)行坡腳位置的抗滑樁、擋土墻進(jìn)行開挖和布置，抗滑樁截面尺寸為2.75 m×2.5 m，沿線路縱向5 m間隔布置，共4根；

(3)路基基床采用A、B組填料填筑；

(4)開挖并灌注樁結(jié)構(gòu)、布設(shè)板結(jié)構(gòu)，承載板結(jié)構(gòu)尺寸為27.5 m×10 m×0.8 m(長×寬×高)，樁結(jié)構(gòu)截面為圓形，樁徑1 m，樁長14 m，橫向樁間距3.75 m，縱向樁間距7.5 m，共計(jì)12(橫3×縱4)根；

(5)進(jìn)行樁板結(jié)構(gòu)上部填料填筑，以及上部軌道結(jié)構(gòu)安裝。

圖1 樁板結(jié)構(gòu)橫斷面及三維模型(單位：m)

2.2 模型參數(shù)

基于彈塑性理論，建立三維有限元模型，其中抗滑樁、擋土墻以及樁板結(jié)構(gòu)采用C35混凝土，設(shè)置為彈性體模型；地基土為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，填料體采用A、B組填料，土體、填料體結(jié)構(gòu)采用摩爾-庫倫模型，至土體失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，破壞面位置處，剪切應(yīng)力τf與法向應(yīng)力σf之間具有如下關(guān)系

τf=c+σf·tanφ

(1)

式中，c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

式(1)通過摩爾應(yīng)力圓，可表示為一條強(qiáng)度包線與破壞應(yīng)力圓相切，由摩爾應(yīng)力圓可推導(dǎo)出土體破壞狀態(tài)時(shí)通過主應(yīng)力表達(dá)的公式

(2)

模型各部分材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)

2.3 荷載工況

為研究陡坡地段三排樁板結(jié)構(gòu)路基的作用效果，分別通過強(qiáng)度折減法對(duì)比采用三排樁板結(jié)構(gòu)路基前后的邊坡穩(wěn)定性；其次模擬實(shí)際工況，確定結(jié)構(gòu)在ZK荷載作用下內(nèi)力以及變形分布情況；最后通過對(duì)比三排結(jié)構(gòu)與雙排樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形分布，確定陡坡地段三排樁板結(jié)構(gòu)承載特性優(yōu)勢(shì)。

強(qiáng)度折減法是邊坡穩(wěn)定性有限元計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)中的一種常用方法，其基本原理是：將給定的邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ除以折減系數(shù)Fs，得到新的參數(shù)c′和φ′

(3)

(4)

當(dāng)折減系數(shù)增大至某一數(shù)值時(shí)，邊坡塑性區(qū)貫通，邊坡失去穩(wěn)定性，此時(shí)的折減系數(shù)被稱為邊坡的安全系數(shù)。

具體工況如表2所示。

表2 研究內(nèi)容及目的

3 結(jié)果分析

3.1 三排樁板結(jié)構(gòu)作用效果

為確定陡坡地段三排樁板結(jié)構(gòu)路基的作用效果，首先分別建立工況1、工況2所述模型，通過強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡填料進(jìn)行折減，至失穩(wěn)狀態(tài)可得兩種工況下的邊坡塑性變形云圖如圖2所示。

圖2 邊坡塑性變形云圖

由圖2可見，未加固情況(工況1)下邊坡路基至破壞狀態(tài)時(shí)，塑性貫通區(qū)為路基填料與地基土交界面位置處；而加固后的塑性貫通區(qū)則沿樁板結(jié)構(gòu)端部坡肩位置貫通至擋土墻背面的填料頂位置，可見加固后的貫通區(qū)避開了線路正下方路基位置，減小了邊坡路基的危險(xiǎn)性。

兩種工況下的折減系數(shù)如圖3所示。

圖3 邊坡位移-折減系數(shù)曲線

隨著折減系數(shù)的增大，兩種工況下均存在某一個(gè)折減系數(shù)Fs，當(dāng)折減系數(shù)超過這一值，邊坡的位移突然增大，可認(rèn)為此時(shí)邊坡已達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)，將此時(shí)的折減系數(shù)作為邊坡的安全系數(shù)，則未加固情況(工況1)和加固后(工況2)的安全系數(shù)分別為1.27，1.467。可見加固后邊坡的安全系數(shù)有較大調(diào)高，提高了邊坡穩(wěn)定的安全性，證明樁板結(jié)構(gòu)的存在對(duì)于邊坡路基加固有顯著效果。

3.2 承載板受力變形分析

對(duì)樁長14 m，縱向樁間距7.5 m的加固結(jié)構(gòu)(工況3)，施加ZK荷載的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得到如圖4所示承載板豎向變形及Mises應(yīng)力云圖。

圖4 承載板云圖

由圖4可見，承載板豎向變形分布沿順坡方向基本呈線性增大，承載板最大豎向變形達(dá)到了3.235 mm，變形最大的位置為前排樁的樁間位置處。板上的應(yīng)力分布則是樁頂對(duì)應(yīng)位置處較大，三排樁的應(yīng)力大小排序?yàn)榍芭艠?后排樁>中排樁。

為確定承載板受力的分布，分別選擇了樁頂、樁間(X坐標(biāo)為-11.25，-7.5，-3.75，0 m)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置處(由于結(jié)構(gòu)關(guān)于Y軸對(duì)稱，故僅取半結(jié)構(gòu))，分別提取其在不同Y坐標(biāo)位置處的沿線路方向彎矩(X方向)，其具體分布情況如圖5(a)所示。

圖中樁頂對(duì)應(yīng)位置處均為彎矩的峰值點(diǎn)，且方向?yàn)樨?fù)，表明樁頂位置處承載板相對(duì)其他位置有上拱趨勢(shì)，最大負(fù)彎矩位置為前排樁樁間(X軸0點(diǎn)，Y軸-4 m)處，彎矩值為-297.3 kN·m；兩正值彎矩峰值處分別為中前、中后樁間的位置，最大正彎矩值為299.5 kN·m，位置為中后排樁間(X軸-7.5 m，Y軸1.5 m)處。

圖5 承載板彎矩分布曲線

對(duì)于承載板上沿順坡方向的彎矩分布，分別選擇了后排樁(Y坐標(biāo)為3.75 m)、樁間(1.875 m)、中排樁(0)、樁間(-1.875 m)以及前排樁(-3.75 m)，提取其不同X坐標(biāo)位置處的彎矩值，如圖5(b)所示。

圖5(b)中X坐標(biāo)分別為±11.25，±3.75 m處為樁頂對(duì)應(yīng)位置，而±7.5 m、0位置處為樁間位置。彎矩沿X方向的分布較均勻，在左、中左、中右、右樁處的彎矩值基本一致，且正負(fù)彎矩幅值相差不多。而沿Y方向的分布則于中排樁(Y為0曲線)位置處最小，彎矩最大為樁間位置(Y為1.875 m曲線)處，最大正彎矩約為389.4 kN·m。沿Y軸方向彎矩大小的排序?yàn)?.875 m(中后樁間)處>3.75 m(后排樁)處>-1.875 m(中前樁間)處>-3.75 m(前排樁)處>0(中排樁)處。

對(duì)比X、Y方向彎矩幅值可見，X軸方向彎矩較Y軸方向小約30%，其主要是由于Y軸方向三排樁的布置，使得Y軸方向的樁間距為X軸方向一半，而樁間距的減小可使結(jié)構(gòu)彎矩分布更為合理，進(jìn)而承受更高的荷載。

承載板的豎向剪力分布情況如圖6所示，剪力關(guān)于X坐標(biāo)為0的軸基本呈反對(duì)稱分布，X軸關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)不同坐標(biāo)處：±11.25，±7.5，±3.75，0 m處剪力均為0。剪力的峰值點(diǎn)坐標(biāo)分別為：±2.5,±5,±10 m，且正負(fù)剪力幅值大小基本一致，最大剪力值約為500 kN，位于后排樁、X坐標(biāo)為-5 m位置處。而沿Y軸不同坐標(biāo)位置處剪力大小的排序則與彎矩不同：后排樁(3.75 m)>中后樁間(1.875 m)>前排樁(-3.75 m)>中前樁間(-1.875 m)>中間樁(0)。

圖6 承載板剪力分布曲線

3.3 樁結(jié)構(gòu)受力變形分析

陡坡地段加固下的樁板結(jié)構(gòu)除承受豎向荷載外，更主要的是抵抗坡體下滑力，而樁結(jié)構(gòu)則是主要發(fā)揮抗滑作用的結(jié)構(gòu)，因此為確定陡坡加固中的三排樁板結(jié)構(gòu)受力變形情況。提取其沿深度的位移、彎矩、剪力分布情況分別如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 樁結(jié)構(gòu)位移(順坡方向)分布曲線

由圖7可見，沿順坡方向不同位置處的樁于樁頂處的水平位移基本一致，即板結(jié)構(gòu)在坡體下滑力的作用下的水平位移為2.37 mm。而由于沿順坡方向位置不同，填料與地基土交界面的位置也沿順坡方向而逐漸加深，后、中、前排樁的土層交界面深度分別為1.88，4.14，6.4 m。隨深度的增加，后排樁于地基土的部分最先開始產(chǎn)生反向的位移，中排樁次之，前排樁最后。后排樁于接近樁底位置處最大反向位移達(dá)到了0.324 mm，前排樁反向位移最小，位移量約為0.035 mm，其主要由于后排樁距交界面位置最近，其于地基土中的部分最長，因此引起了最大的反向位移。

圖8 樁結(jié)構(gòu)彎矩(線路方向)分布曲線

對(duì)于樁結(jié)構(gòu)的彎矩分布，不同位置的樁結(jié)構(gòu)彎矩分布規(guī)律基本一致，但同樣由于交界面位置的不同樁結(jié)構(gòu)的彎矩分布也隨之加深，距樁頂最近的反彎點(diǎn)沿順坡方向分別發(fā)生在2，4，6 m深度處，分別對(duì)應(yīng)于地層交界面的位置處。樁結(jié)構(gòu)主要承受正向彎矩，彎矩幅值沿順坡方向逐漸增大，前排樁彎矩最大，最大彎矩位于與承載板連接位置處，最大彎矩為169.4 kN·m，中排樁其次，且最大彎矩位置相同，而后排樁與承載板連接位置處彎矩并非最大值，最大彎矩發(fā)生于樁深5.5 m位置處，最大彎矩為137.5 kN·m。

圖9 樁結(jié)構(gòu)剪力(順坡方向)分布曲線

由圖9可見，剪力最大值發(fā)生于前排樁、中排樁與承載板連接位置處，最大剪力分別為107.4，130.8 kN。由于自承載板向下的Y軸方向位移越來越小，樁結(jié)構(gòu)在地基土部分側(cè)向土體的約束下，產(chǎn)生了正向的剪力值，沿順坡方向隨深度分別增加至約2，4，6 m地層交界面位置時(shí)，剪力也產(chǎn)生了反彎點(diǎn)。

3.4 雙排、三排樁板結(jié)構(gòu)對(duì)比

為確定三排樁板結(jié)構(gòu)對(duì)于陡坡地段抗滑效果的提高，對(duì)比了傳統(tǒng)雙排樁板結(jié)構(gòu)，分別對(duì)結(jié)構(gòu)受力變形進(jìn)行對(duì)比分析，如圖10～圖12所示。由圖10可見，三排樁板結(jié)構(gòu)具有較明顯的優(yōu)勢(shì)，整體水平位移均較雙排結(jié)構(gòu)要小，樁頂位移較雙排小14.35%，整體位移小約18.88%。在傳統(tǒng)的雙排樁板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，于中間增加一排樁，可在結(jié)構(gòu)抗滑作用效果上有較好提升，減小結(jié)構(gòu)受力，更好的保證加固效果。

圖10 樁結(jié)構(gòu)位移(順坡方向)分布曲線

圖11 樁結(jié)構(gòu)彎矩(線路方向)分布曲線

圖12 樁結(jié)構(gòu)剪力(順坡方向)分布曲線

對(duì)于樁體的受力特征來說，由圖11、圖12可見，兩種結(jié)構(gòu)樁體分布規(guī)律基本一致，三排樁結(jié)構(gòu)的樁體受力分布更加均勻，且較雙排樁受力最大值要小很多，最大彎矩值小約78.4%，最大剪力值小約19.46%，可使樁體在允許范圍內(nèi)承受更大的荷載，更充分的發(fā)揮樁體的承載能力。

4 結(jié)論

(1)基于ABAQUS數(shù)值分析軟件，采用強(qiáng)度折減法驗(yàn)證了陡坡地段三排樁板結(jié)構(gòu)路基對(duì)邊坡穩(wěn)定性的提高，加固后邊坡安全系數(shù)提高15.5%。

(2)承載板上線路方向(X軸)最大負(fù)彎矩為297.3 kN·m，發(fā)生于前排樁位置處；最大正彎矩為299.5 kN·m，發(fā)生于中排樁與后排樁中間位置處。順坡(Y軸)方向彎矩正負(fù)幅值相差不多，最大彎矩值約為389.4 kN·m，且線路方向彎矩幅值較順坡方向要小約30%。承載板豎向剪力最大值約為500 kN。

(3)樁結(jié)構(gòu)最大水平位移為2.37 mm，位移量排序?yàn)榍芭艠?中排樁>后排樁；引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力最大值基本發(fā)生于樁、板連接位置處，最大彎矩值為169.4 kN·m，最大剪力值為130.8 kN。

(4)三排樁較雙排樁無論受力還是控制變形均有一定優(yōu)勢(shì)，較雙排結(jié)構(gòu)在變形上整體可減小約18.88%位移量，在受力上更加均勻，可更合理承擔(dān)荷載，且最大彎矩值減小約78.4%，最大剪力值減小約19.46%。