樁承地基路堤土拱效應(yīng)的影響因素分析

李惠玲，胡榮華，強(qiáng)小俊

(1.深圳市房地產(chǎn)評(píng)估發(fā)展中心地質(zhì)環(huán)境部，廣東深圳 518034;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院深圳研究設(shè)計(jì)院，廣東深圳 518034)

樁承地基是近年來(lái)發(fā)展的一種軟基處理方法，其加固路堤典型斷面如圖1所示，它不同于常見的復(fù)合地基［1-2］。

圖1 樁承地基加固路堤斷面示意

樁承地基主要是通過路堤填土中形成的土拱效應(yīng)(見圖2)和加筋體的兜提效應(yīng)(見圖3)將大部分的路堤荷載傳遞給樁來(lái)承擔(dān)，樁是承擔(dān)荷載的主體［3-4］。

目前主要是從理論計(jì)算、試驗(yàn)研究以及數(shù)值研究等三個(gè)方面來(lái)研究樁承地基路堤土拱效應(yīng)的。土拱效應(yīng)的理論計(jì)算方法主要有 Terzaghi法［5］、Hewlett法［6］、Low 法［7］，英國(guó)規(guī) 范 BS8006 法［8］及 Carlsson法［9］;土拱效應(yīng)的試驗(yàn)研究方面，Kempfert［10］、Hewlett＆ Randolph［6］、曹衛(wèi)平［11］、張超［12］、閆宏業(yè)［13］、強(qiáng)小?。?］、Chew 等［14］以及 Horgan ＆ Sarsby［15］的工作較為深入。數(shù)值模擬方面，Han＆Gabr［16］分析了路堤高度及水平加筋體對(duì)土拱效應(yīng)的影響，Kempton and Russell等［17］研究了路堤高度以及樁帽尺寸對(duì)土拱效應(yīng)的影響，陳仁鵬等［18-19］分析了樁帽尺寸、樁間距以及路堤高度對(duì)土拱效應(yīng)的影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究大大推動(dòng)了樁承地基路堤土拱效應(yīng)的研究，但他們僅是從一個(gè)或者兩個(gè)影響因素方面來(lái)分析研究。本文基于樁承地基路堤荷載的室內(nèi)模型試驗(yàn)，利用ABAQUS具體分析了樁帽大小、樁間土性質(zhì)、水平加筋體、路堤填土性質(zhì)等因素對(duì)土拱效應(yīng)的影響規(guī)律。

1 ABAQUS模型及參數(shù)

1.1 計(jì)算模型

按照室內(nèi)模型試驗(yàn)的尺寸［2］進(jìn)行建模，模型中由樁(帽)、樁間土、碎石墊層、土工格柵及路堤填土等5部分組成。樁(帽)、填土以及墊層采用實(shí)體單元，土工格柵采用膜單元、線彈性本構(gòu)關(guān)系，樁(帽)采用線彈性模型，路堤填土、碎石墊層及樁間土采用Mohr-Coulomb彈塑性模型。計(jì)算過程中，路堤填筑的施加采用分層模擬，每10 cm為一層。

建立的三維模型，如圖4所示。

圖4 三維有限元分析模型

1.2 參數(shù)的選取

根據(jù)模型試驗(yàn)中給出的參數(shù)、前人研究資料及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)確定模型參數(shù)見表1［2］。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 樁帽大小對(duì)土拱效應(yīng)的影響

圖5分別表示了樁帽大小對(duì)樁體荷載分擔(dān)比和樁土應(yīng)力比的影響。從圖5中可以看出，三種樁帽尺寸工況下的荷載分擔(dān)比和樁土應(yīng)力比隨填土高度變化的規(guī)律基本一致，即路堤越高，荷載分擔(dān)比和應(yīng)力比就越大，越多的荷載由樁來(lái)承擔(dān)，樁間土承擔(dān)的荷載減小，說明路堤高度越高，土拱效應(yīng)發(fā)揮得越充分。從該圖中荷載分擔(dān)比和應(yīng)力比的變化曲線來(lái)看，樁帽尺寸越大，荷載分擔(dān)比越大，樁土應(yīng)力比卻越小，這與文獻(xiàn)［2］中室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果所表現(xiàn)的變化規(guī)律一致。

有限元計(jì)算結(jié)果曲線上基本呈現(xiàn)了三個(gè)階段:第一階段為路堤填筑剛開始，荷載分擔(dān)比和樁土應(yīng)力比增加較為緩慢，這是由于路堤高度低，雖然有土拱效應(yīng)出現(xiàn)，但此時(shí)還沒有形成完全的土拱。第二階段為路堤達(dá)到某一高度后，荷載分擔(dān)比和樁土應(yīng)力比增加速率加大，這是因?yàn)楫?dāng)路堤達(dá)到某一高度后，路堤中形成了完全的土拱，增加的荷載基本通過土拱傳遞給樁帽來(lái)承擔(dān)。第三階段為填土高度增加到一定高度后，荷載分擔(dān)比和應(yīng)力比變化幅度很小，逐步呈現(xiàn)收斂狀態(tài)從而保持穩(wěn)定不變，這是由于當(dāng)路堤填土達(dá)到一定高度后，土拱進(jìn)入塑性狀態(tài)，荷載分擔(dān)比將基本保持不變。

圖5 樁帽大小對(duì)荷載分擔(dān)比和樁土應(yīng)力比的影響

2.2 樁間土性質(zhì)對(duì)土拱效應(yīng)的影響

圖6表示了樁間土性質(zhì)對(duì)荷載分擔(dān)比和樁土應(yīng)力比的影響。從圖6中可看出，樁間土性質(zhì)對(duì)土拱效應(yīng)有一定的影響，樁間土模量越大，荷載分擔(dān)比和樁土應(yīng)力比就越小;反之，則越大。這是因?yàn)椋环矫嬗捎跇堕g土模量的減小意味著其本身承擔(dān)荷載的能力減小，荷載分配時(shí)就會(huì)承擔(dān)較小的荷載;另一方面由于樁間土模量的減小加大了樁土之間的相對(duì)位移，加強(qiáng)了土拱效應(yīng)，使得樁間土承擔(dān)較小的荷載，增加了荷載分擔(dān)比和樁土應(yīng)力比。且樁土應(yīng)力比和荷載分擔(dān)比隨填土高度的變化過程也呈現(xiàn)了前文敘述的三個(gè)階段。

圖6 樁間土性質(zhì)對(duì)荷載分擔(dān)比和樁土應(yīng)力比的影響

2.3 水平加筋體對(duì)土拱效應(yīng)的影響

圖7和圖8分別表示了水平加筋體強(qiáng)度和層數(shù)的變化對(duì)荷載分擔(dān)比及樁土應(yīng)力比的影響。從圖7與圖8中可以明顯看到，水平加筋體的設(shè)置對(duì)土拱效應(yīng)的加強(qiáng)有著明顯的效果，這主要有兩個(gè)方面原因:一是由于加筋體自身與碎石墊層之間的相互摩擦和咬合作用增強(qiáng)了加筋墊層的剛度，加大了樁體所承擔(dān)的荷載;另一方面是加筋體的提兜作用，將樁間土上方部分路堤荷載傳遞給樁體，減小了作用在樁間土上的荷載。路堤越高，水平加筋體對(duì)荷載分擔(dān)比和樁土應(yīng)力比的提高越明顯，這是由于隨著路堤高度的增加，樁土之間的相對(duì)位移就越大，引起加筋體的拉伸應(yīng)變就越大，加筋體的提兜作用越明顯，反之，加筋體的提兜作用越小，對(duì)荷載分擔(dān)比和樁土應(yīng)力比的提高越不顯著。

從圖7中不難發(fā)現(xiàn)，水平加筋體拉伸強(qiáng)度越大，則荷載分擔(dān)比和樁土應(yīng)力比就越大，即水平加筋體對(duì)土拱效應(yīng)的加強(qiáng)程度越高。加筋體強(qiáng)度為 0，10.5 kN/m，30.6 kN/m和42.5 kN/m所對(duì)應(yīng)的荷載分擔(dān)比分別為40.65%，45.36%，50.14%和52.32%;最終穩(wěn)定樁土應(yīng)力比分別為8.05，9.76，11.82和12.90。由數(shù)據(jù)可看出，隨著水平加筋體拉伸強(qiáng)度的越來(lái)越大，加筋體強(qiáng)度的增加對(duì)土拱效應(yīng)的加強(qiáng)幅度越來(lái)越小，當(dāng)水平加筋體拉伸強(qiáng)度增加到一定數(shù)值后，繼續(xù)增加其拉伸強(qiáng)度，對(duì)土拱效應(yīng)的加強(qiáng)程度不會(huì)有明顯的提高，這與文獻(xiàn)［16］所得出的結(jié)論基本一致。

從圖8所示的加筋體層數(shù)對(duì)荷載分擔(dān)比及樁土應(yīng)力比的影響規(guī)律來(lái)看，加筋體層數(shù)越多，荷載分擔(dān)比及樁土應(yīng)力比就越大，對(duì)土拱效應(yīng)的加強(qiáng)程度越高。設(shè)置0層、1層、2層、3層加筋體所對(duì)應(yīng)的荷載分擔(dān)比分別為40.65%，50.14%，53.75%和55.70%;樁土應(yīng)力比分別為8.05，11.82，13.66和14.78。同樣道理，在加筋體層數(shù)增加的一開始，加筋體層數(shù)的增加對(duì)土拱效應(yīng)發(fā)揮程度的提高較大，當(dāng)加筋體層數(shù)增加到一定程度時(shí)，繼續(xù)增加加筋體層數(shù)對(duì)土拱效應(yīng)的提高不再明顯。因此，在實(shí)際的工程應(yīng)用中應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)募咏铙w層數(shù)，過多的加筋體可能會(huì)達(dá)不到預(yù)期的效果，造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。從有限元的分析結(jié)果來(lái)看，加筋體選擇1～2層較為合適，最多不超過3層。

圖9和圖10分別表示了水平加筋體在不同拉伸強(qiáng)度和不同鋪設(shè)層數(shù)時(shí)的拉力分布規(guī)律。從圖9和圖10中明顯看出，水平加筋體拉力的分布極不均勻，在樁間土位置拉力非常小，在樁帽位置拉力較大，且最大拉力并非出現(xiàn)在樁帽中心處，而是在樁帽的邊緣位置。由圖9看出，水平加筋體的拉伸強(qiáng)度越大，其最大拉力就越大，當(dāng)水平加筋體強(qiáng)度為10.5 kN/m時(shí)，最大拉力為505 N，水平加筋體強(qiáng)度增加到42.5 kN/m時(shí)，最大拉力為1 334 N。這也證實(shí)了前文所述的水平加筋體的拉伸強(qiáng)度越大，提兜作用越顯著，對(duì)土拱效應(yīng)的貢獻(xiàn)越大的說法。

圖10分別為1層、2層和3層水平加筋體的拉力分布情況。從這3個(gè)圖比較來(lái)看，隨著加筋體層數(shù)的增加，第1層水平加筋體的最大拉力呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)樗郊咏铙w層數(shù)的增加減小了樁土沉降差，加筋體的拉伸應(yīng)變也隨著減小，從而減小了加筋體的拉力。由圖10(c)還可看出，越遠(yuǎn)離樁帽平面位置，水平加筋體拉力越小，即在圖中顯示的第1層(樁帽平面位置)最大拉力最大，為925 N，第2層(距離樁帽平面5 cm位置)的最大拉力次之，為713 N，第3層(距離樁帽平面10 cm位置)的最大拉力最小，為495 N。最上層加筋體最大拉力為樁帽頂面加筋體最大拉力的53.5%左右。

2.4 路堤填土性質(zhì)對(duì)土拱效應(yīng)的影響

路堤填土的的摩擦角和黏聚力對(duì)路堤土拱效應(yīng)有一定的影響［2-4］。下面分析路堤填土的摩擦角和黏聚力的變化對(duì)土拱效應(yīng)的影響。圖11和圖12分別表示了路堤填土內(nèi)摩擦角和黏聚力對(duì)荷載分擔(dān)比和樁土應(yīng)力比的影響。

從圖11和圖12中可以看出，路堤填土內(nèi)摩擦角和黏聚力越大，荷載分擔(dān)比和樁土應(yīng)力比就越大，這是由于內(nèi)摩擦角和黏聚力越大，相應(yīng)的剪應(yīng)力越大，將樁間土上方路堤荷載轉(zhuǎn)移到樁帽上的比例就越大的緣故。從圖中還可發(fā)現(xiàn)，隨著路堤填土內(nèi)摩擦角和黏聚力越來(lái)越大，對(duì)荷載分擔(dān)比和樁土應(yīng)力比的增加幅度卻越來(lái)越小，這是因?yàn)殡S著內(nèi)摩擦角和黏聚力的增大，樁土沉降差越來(lái)越小，樁帽上部路堤填土與樁間土上部路堤填土之間的相互剪切變形就越小，相對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力越小，從而造成相同增幅的內(nèi)摩擦角和黏聚力對(duì)荷載分擔(dān)比和樁土應(yīng)力比的提高幅度就越小。

從以上分析來(lái)看，無(wú)論是增大路堤填土的內(nèi)摩擦角還是黏聚力，都能夠有效地增加荷載分擔(dān)比。因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)該盡量選用內(nèi)摩擦角和黏聚力較大的材料作為路堤填料，以加大樁體承擔(dān)荷載的比例，減小樁間土承擔(dān)的荷載。

3 主要結(jié)論

本文采用ABAQUS對(duì)樁承地基路堤土拱效應(yīng)的影響因素進(jìn)行了分析。具體分析了樁帽大小、樁間土性質(zhì)、水平加筋體、路堤填土性質(zhì)等因素對(duì)土拱效應(yīng)的影響規(guī)律。得出如下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)樁帽大小對(duì)土拱效應(yīng)的發(fā)揮有很大程度的影響，在其它條件不變的情況下，樁帽越大，樁體所分擔(dān)的荷載比例越大，路堤總沉降和差異沉降越小，即土拱效應(yīng)越強(qiáng);反之，土拱效應(yīng)則越弱。

2)土拱效應(yīng)也受樁間土性質(zhì)的影響，樁間土模量越大，樁土應(yīng)力比越小;反之，樁土應(yīng)力比越大。

3)水平加筋體的設(shè)置對(duì)樁體荷載分擔(dān)比的提高有一定的作用，水平加筋體強(qiáng)度越大以及層數(shù)越多，土拱效應(yīng)越強(qiáng)，但隨著水平加筋體強(qiáng)度的加大和層數(shù)的增加，對(duì)土拱效應(yīng)的增強(qiáng)幅度越來(lái)越小。

4)路堤填土的內(nèi)摩擦角和黏聚力對(duì)提高樁體荷載分擔(dān)比有一定效果，路堤填土的黏聚力與內(nèi)摩擦角越大，土拱效應(yīng)越強(qiáng)。在實(shí)際工程中，應(yīng)盡量選取較大內(nèi)摩擦角和黏聚力的路堤填料，以增強(qiáng)路堤填土中的土拱效應(yīng)。

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