基于Abaqus有限元模擬的反h抗滑樁對陡坡路基沉降的影響研究

李雪飛 張沖沖

(1.河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點實驗室，河北 張家口 075000)

0 引 言

隨著我國公路交通建設(shè)的發(fā)展以及西部大開發(fā)的戰(zhàn)略布局，在西北地區(qū)建設(shè)的道路越來越多，同時我國西北地區(qū)海拔高、地形崎嶇，很多道路不得不修建在比較高、陡的斜坡上形成了陡坡路基.冀西北地區(qū)海拔高、氣候條件惡劣、地形起伏大、不良地質(zhì)較發(fā)育，主要面臨：濕陷性黃土、陡坡路基滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，受冀西北地區(qū)高寒氣候影響，滑坡影響線處于季節(jié)性凍土人為上限的活動范圍內(nèi)，反復(fù)的凍融作用在很大程度上會加劇陡坡路基填挖交接面的結(jié)構(gòu)性損壞.

由于反h抗滑樁在陡坡路基中應(yīng)用獨特的優(yōu)勢，眾多專家學(xué)者對反h抗滑樁應(yīng)用在陡坡路基上展開了研究.李洋[1]等通過分析反h樁的受力特點，總結(jié)工程經(jīng)驗提出了反h抗滑樁的三種土壓力模型，并對反h樁進(jìn)行幾何參數(shù)的優(yōu)化分析.張永杰[2]等通過建立反h樁的設(shè)計計算模型結(jié)合工程實例進(jìn)行相互驗證，分析認(rèn)為在考慮土體對反h樁的前后排樁的作用力時得到的計算結(jié)果更符合工程實際.李小雷[3]等采用非線性有限元分析的方法，研究了反h樁在膨脹土陡坡路基的應(yīng)用中，反h樁與土體的相互受力關(guān)系，最后提出了反h樁應(yīng)用在膨脹土陡坡路基時的樁參數(shù)選擇范圍.羅勇等[4]以貴州省境內(nèi)的反h抗滑樁的應(yīng)用工程為研究對象，采用深部位移測試以及光纖傳感測試技術(shù)，分析了反h樁的變形特性及內(nèi)力分布規(guī)律，分析認(rèn)為應(yīng)用了反h抗滑樁的陡坡路基邊坡逐漸穩(wěn)定.鄧霽偉[5]采用有限元分析的方法，研究了陡坡路基在設(shè)置反h樁時，反h樁的結(jié)構(gòu)剛度等三個因素對陡坡路基抗滑能力的影響，并提出了一定條件下反h樁的合理參數(shù).蘇謙等[6-8]采用模型試驗結(jié)合現(xiàn)場試驗相互驗證的方式，對處于最大融化深度時的凍土斜坡路基進(jìn)行了失穩(wěn)變形特性、影響因素及失穩(wěn)原因的研究，試驗結(jié)果表明；導(dǎo)致凍土斜坡路基失穩(wěn)的主要原因是凍融交界面的軟弱帶抗剪強度不足；當(dāng)淺層土體的薄弱面位于凍融交界面之上時，路基變形較為集中，并且路基變形會在凍融交界面附近出現(xiàn)驟變的情況.

上述研究成果主要研究了外界環(huán)境以及土層參數(shù)對反h抗滑樁沉降變形的影響，未能直接對反h抗滑樁自身參數(shù)的變化做出具體分析，本文基于abaqus有限元模擬，對應(yīng)用反h抗滑樁的陡坡路基的坡度、樁截面尺寸以及前后樁距的變化對陡坡路基沉降量的影響進(jìn)行研究分析，以期為相關(guān)工程實踐提供理論指導(dǎo).

1 有限元模型

1.1 參數(shù)設(shè)置

通過ABAQUS有限元軟件對陡坡路基進(jìn)行建模，該實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)置底部整體尺寸為50 m×42 m，頂部車道高1.5 m、寬12 m，采用雙車道行駛.在模擬過程中，設(shè)置路段陡坡路基中加入5根h型樁實現(xiàn)h型樁對陡坡路基的模擬作用，進(jìn)而陡坡路基整體模型進(jìn)行建模，在有限元模型中加入5根h型樁，路基面如圖1-圖2所示.

圖1 反h型樁陡坡路基模型 圖2 陡坡路基內(nèi)部反h型樁變形圖

設(shè)置有限元模型陡坡路基模型土體部分分為持力層及填土層，公路表面的列車荷載設(shè)置為Pk=10.5kN·m×0.75=7.875kN·m，且h型樁采用C30混凝土，其材料屬性由表1所示.

表1 土體及h型樁物理力學(xué)參數(shù)

1.2 有限元分析試驗方案

為了分析反h抗滑樁的坡度、前后樁距以及陡坡坡度的變化對陡坡路基沉降量的影響，設(shè)置三種試驗方案進(jìn)行有限元分析.其中方案一至方案三分別見表2～表4，試驗方案分別對陡坡路基中h型樁之間的間距、前后樁間距以及陡坡坡度進(jìn)行控制，通過改變h型樁的樁間距、前后間距以及陡坡坡度，從而分別計算出不同條件下的變形量，進(jìn)而得到最小變形量下的樁間距、前后間距以及截面尺寸.

表2 反h型樁樁間距變化方案

表3 反h型樁前后樁距變化方案

表4 反h型樁陡坡坡度變化方案

2 有限元分析

反h型樁樁間距變形結(jié)果如圖3所示，由圖3可以看出，隨著樁間距的增大，陡坡路基邊坡的最大變形量也不斷增大，當(dāng)樁間距為8 m時，陡坡路基的最大變形量達(dá)到峰值，且變形量為22.94 mm，當(dāng)達(dá)到峰值后，隨著樁間距的增大陡坡路基的最大變形量隨之降低.

圖3 樁間距變化最大變形量曲線 圖4 樁前后樁距變化最大變形量曲線

反h型樁前后樁距變形結(jié)果如圖4所示，由圖4可以看出，當(dāng)反h型樁的前后樁距的由4 m增大至6 m時，陡坡路基的最大變形量由10.94 mm增大到達(dá)一個峰值19.24 mm，當(dāng)過了峰值之后，即反h抗滑樁的前后樁距由6 m增大至8 m時，陡坡路基的最大變形量由19.24 mm降低值最小13.85 mm，反h樁的抗滑效果越來越好.

反h型樁陡坡坡度變形結(jié)果如圖5所示，由圖5可以看出，隨著陡坡坡度的增大，陡坡路基的最大變形量也隨之增大，當(dāng)陡坡路基的坡度由21.038°相繼增加至26.565°、29.982°33.179°以及36.158°時，陡坡路基最大變形量的增長率分別為21.16%、7.01%、3.17%、13.15%.并且當(dāng)陡坡坡度達(dá)到36.158°時，變形量最大，且最大變形量為22.46 mm，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)增大陡坡坡度時，陡坡路基受到的垂直應(yīng)力隨之增大，因此，實際工程中應(yīng)盡量避免在過陡的坡段修筑公路.

圖5 陡坡坡度變化最大變形量曲線

3 結(jié) 論

本文基于abaqus有限元模擬，對反h抗滑樁的樁間距、前后樁距以及陡坡坡度的變化對陡坡路基沉降量的影響進(jìn)行研究分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)一定條件下，隨著反h抗滑樁樁間距以及前后樁距的增加，陡坡路基的變形量呈先增大后減小的趨勢，即陡坡路基的最大變形量存在一個峰值.

(2)其它條件一定時，隨著陡坡坡度的增大，陡坡路基變形量呈單調(diào)遞增的趨勢，反h型樁的抗滑效果越來越差，當(dāng)陡坡坡度達(dá)到36.158°時，變形量最大，且最大變形量為22.46 mm.