高填拼寬路堤樁板墻處治方案與數(shù)值模擬

摘 要：針對山區(qū)高速公路拓寬工程，提出路肩式懸臂樁板墻支護方案，采用數(shù)值方法分析高填方路堤側(cè)向位移、沉降及土壓力變化規(guī)律，研究樁板墻的支擋效果、樁板內(nèi)力分布及變形規(guī)律。分析結(jié)果表明，樁板墻應(yīng)用于路基拓寬工程效果顯著，路堤在加寬路基自重荷載作用下沉降主要集中在其上部，路基頂面沉降曲線呈“勺子”形，側(cè)向位移從路基頂面到底部線性減??；樁體能較好地聯(lián)結(jié)上部垂直坡體和下部錨固段巖土體，協(xié)調(diào)二者的側(cè)向變形差異；樁嵌入深度增大，土體位移減小，樁身內(nèi)力減小；樁間距增大，土體位移增大，樁身內(nèi)力增大；樁間距變化所產(chǎn)生的影響大于樁長變化所產(chǎn)生的影響。該研究成果對高填方路堤樁板墻支擋工程中樁體參數(shù)優(yōu)化和新舊路基結(jié)合部位的處治均有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：高填方；拓寬；樁板墻；數(shù)值分析

中圖分類號： TU7 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號：1671-3362（2013）10-0226-02

引言

近年來我國經(jīng)濟快速發(fā)展，21世紀(jì)初修建的眾多高速公路通行能力已無法滿足日益增長的交通需求，大量高速公路路基需改造拓寬。而高填方拓寬路堤工程，涉及到路堤本身的變形與穩(wěn)定問題，尤其當(dāng)因條件限制新填筑路堤段不能放坡而形成高垂直邊坡時，支護形式對于減少路堤的不均勻變形及提高其穩(wěn)定性就顯得尤為重要。而樁板墻在支護工程中一向表現(xiàn)優(yōu)異，樁體能將上部坡體和下部錨固段巖土體聯(lián)結(jié)成共同作用體，有效改善坡腳應(yīng)力集中現(xiàn)象和上部拉應(yīng)力現(xiàn)象[1]。擋土板的設(shè)計若充分考慮土拱效應(yīng)，可以減小其工程量[2]。但是縱觀相關(guān)文獻[3-5]，現(xiàn)有樁板墻工程大都采用預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻，且除了應(yīng)用于基坑支護工程，大部分樁板墻施工位于路堤下方，對于高填方路堤拓寬采用路肩式懸臂樁板墻支護的研究和工程實例較為少見。

本文結(jié)合山區(qū)高速公路拓寬工程，提出了路肩式懸臂樁板墻支護方案，并采用數(shù)值模擬方法分析樁板墻支護路堤垂直邊坡的處治效果，研究其實際應(yīng)用的可行性，并對樁長和樁間距等參數(shù)進行優(yōu)化，使經(jīng)濟效益達到最佳。研究結(jié)論可為相關(guān)設(shè)計提供理論參考。

1 工程背景及計算模型

該高填方路段屬于河南省洛三線高速公路加寬改造工程，需將原路面雙向四車道擴建為雙向八車道[6]。為減少道路通車干擾、降低施工難度和避免或減少耕地占用，對于填方高度大于15m的雙側(cè)拼寬路基段設(shè)計采用路肩式懸臂板樁墻支護方案。本文研究的路段中新路基邊坡高8m，邊坡臨空面豎直。擋土墻參照嵌巖樁板墻設(shè)計，一塊擋土板長寬高分別為3.96m、0.60m、0.25m，單樁高長寬分別為20.0m、1.3m、2.2m，其中樁懸臂長8m，樁間距4m。

建模時根據(jù)工程地質(zhì)條件進行簡化，按土層分布情況將模型分組為天然地基、原路堤和新路堤，樁、板用FLAC3D自帶結(jié)構(gòu)單元模擬。根據(jù)對稱性，模型取單幅路基，截取路基走向50m，邊坡高40m，包括5個臺階。為消除邊界效應(yīng)的影響，邊坡下方設(shè)130m×50m的天然地基。計算中在與樁體內(nèi)側(cè)接觸的土體和路面各取兩組節(jié)點作為位移和土壓力監(jiān)測點。計算模型如圖1所示。

模型底部采用固定邊界，沿路線走向邊界固定Y方向位移，垂直路線走向邊界固定X、Y方向位移。計算參數(shù)以現(xiàn)場取樣所得實驗結(jié)果為基準(zhǔn)，取值見表1。車輛荷載參考《公路擋土墻設(shè)計與施工技術(shù)細則》[7]中荷載作用的取值規(guī)定，車輛附加荷載標(biāo)準(zhǔn)值取20 kPa，分布在各個車道上。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 樁板墻處治效果

新填筑路堤作為主要荷載作用于擋土板，板又將荷載傳至樁體，因此樁為主要受力構(gòu)件。圖2為垂直路基走向的樁身內(nèi)力分布圖。樁體因承受新路堤傳遞的側(cè)向接觸壓力，彎矩自樁頂向下逐漸增加，在墻下1.5m處達到最大值1928kN·m，之后在樁身嵌入段內(nèi)，隨埋深增加而減小，直至樁底處為0。彎矩圖近似拋物線，對稱軸向墻踵下部偏移是因為樁體嵌固在斜坡上，樁土起始接觸點未受較大地基反力。剪力圖亦證明此點：在樁身懸臂段，剪力自上而下逐漸增加，延續(xù)到墻下1m深度處最大值418kN，隨后剪力迅速減小，在3m深度處減小至0并開始反向增大，在6m深度處達到反向剪力峰值215kN，此后剪力隨深度減小。

圖3為樁板墻墻后土壓力分布圖。沿路基走向取一斷面觀察，土壓力沿墻高呈非線性分布：樁身懸臂段土壓力自頂部開始較小，在接近墻踵時迅速增大，峰值為135～160kPa，墻下土壓力基本維持在110kPa左右。從空間分布形式上看，土壓力在樁作用的位置明顯比相同高度處擋土板作用的位置處大，

2.2 拓寬路堤變形規(guī)律

路堤位移變化如圖4所示。墻面附近土體側(cè)向位移呈線性分布，最大值34.4mm位于樁頂處，墻下0～9m深度范圍內(nèi)土體受抗滑樁擠壓影響，位移2～14mm；路面沉降量呈“勺子”形分布，新老路基結(jié)合處沉降量增加較快，距路面中心15.3m處沉降量達到最大值，為89.8mm。整體來看：水平位移分布情況為路肩處最大，往墻踵線性減??；豎向位移集中在新路堤的中上部，舊路堤固結(jié)沉降基本完成，新填筑路堤自身沉降較明顯。

2.3 樁板墻處治敏感性分析

為對比不同樁參數(shù)對支護效果的影響，分別對樁長、樁間距取不同數(shù)值，即樁長增設(shè)18m和22m，樁間距增設(shè)3.5m和4.5m。計算整理得共9組數(shù)據(jù)，從表2可看出，樁間距固定時，樁身每增加2m，橫向位移減小5%～10%，沉降量減小1%～2%，擋土板正應(yīng)力減小約5%。樁長固定時，樁間距每增加0.5m，橫向位移增大2%～3%，沉降量增大4%～5%，板內(nèi)正應(yīng)力增幅4%～5%。

圖5為樁間距固定為4m、樁長取不同數(shù)值時樁身內(nèi)力圖。圖5a中，隨著樁身增長，樁身彎矩值減小，在墻踵處降幅明顯。樁每增長2m，最大彎矩值減小70kN·m左右，減幅為3%～4%。圖5b中，隨著樁身增長，樁身剪力值減小，在墻踵下1m及3m處的正負剪力峰值降幅明顯。樁每增長2m，最大剪力值（墻下3m處）減小20～30kN，減幅為10%～13%。

圖6為樁長固定為20m、樁間距取不同數(shù)值時樁身內(nèi)力圖。圖6a中，隨著樁間距增大，樁身彎矩值增大，在墻踵處增幅明顯。樁間距每增大0.5m，最大彎矩值增大約250kN·m，增幅約14%。圖6b中，隨著樁間距增大，樁身剪力值增大在墻踵下1m及3m處的正負剪力峰值降幅明顯。樁間距每增大0.5m，最大剪力值（墻下3m處）增大30～50kN，增幅為14%～20%。

3 結(jié)語

樁板墻處治效果明顯，樁體所選參數(shù)有足夠安全度。樁板墻懸臂段土壓力隨著土體深度增加而增大，且表現(xiàn)出“土拱效應(yīng)”，在墻下1m范圍內(nèi)，土壓力達到最大值，在墻下3m深度后保持穩(wěn)定。新路基頂面沉降曲線呈“勺子”形，路堤側(cè)向位移呈線性分布。

樁體能較好地聯(lián)結(jié)上部垂直坡體和下部錨固段巖土體，協(xié)調(diào)二者的側(cè)向變形差異。樁最大彎矩值和最大剪力值都出現(xiàn)在墻踵下部1m范圍內(nèi)。樁嵌入深度增大或者樁間距減小，土體位移減小，樁身彎矩和剪力值減小，板內(nèi)最大正應(yīng)力相應(yīng)減小。樁間距變化所產(chǎn)生的影響大于樁長變化所產(chǎn)生的影響，特別是樁身彎矩和剪力及板內(nèi)正應(yīng)力均變化幅度較大。

針對洛三高速公路的路基拓寬工程，在樁板正常使用極限狀態(tài)內(nèi)，可以在2m范圍內(nèi)縮短樁身嵌固段，適當(dāng)擴大樁間距，相應(yīng)調(diào)整擋土板參數(shù)取值。合理的參數(shù)既能保證邊坡穩(wěn)定性，又使樁板墻最有效發(fā)揮作用，提高其經(jīng)濟性。

參考文獻

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作者簡介：李珠軍（1989-），男，浙江臺州人，碩士研究生，主要從事巖體力學(xué)及數(shù)值計算方面的研究工作。