軟巖邊坡椅式樁板結(jié)構(gòu)受力變形機(jī)理數(shù)值計(jì)算分析

白 皓，蘇 謙，胡國璽，徐海銘，王武斌

(1.四川高速公路建設(shè)開發(fā)總公司工程建設(shè)部，四川成都 610041;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，四川成都 610031;3.西南交通大學(xué)道路工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，越來越多的高等級交通線路在西部山區(qū)修建，出現(xiàn)了大量陡坡路基支擋工程。傳統(tǒng)支擋結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以滿足這類路基的變形控制和耐久性要求[1]，促使陡坡地段路基支擋結(jié)構(gòu)形式也在完善已有措施的基礎(chǔ)上向結(jié)構(gòu)化、組合化、輕型化和經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性方向發(fā)展[2-4]，椅式樁板結(jié)構(gòu)就是在這一背景下提出的一種新型組合式抗滑支擋結(jié)構(gòu)[5]。

鐵路行業(yè)早在上世紀(jì)70年代開始應(yīng)用組合式抗滑支擋結(jié)構(gòu)[6-7]，但是由于其理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程應(yīng)用，故在路基支擋的領(lǐng)域未能進(jìn)一步發(fā)展。然而其極強(qiáng)的抗變形能力，又促使其廣泛應(yīng)用于深基坑支護(hù)工程[8]和滑坡治理工程中。椅式樁板結(jié)構(gòu)由椅式樁(主樁、副樁和橫梁)、承載板和擋土板三部分組成。它綜合了埋入式路基樁板結(jié)構(gòu)[9]、懸臂式樁板墻和雙排抗滑樁的特性，兼有承重、阻滑和支擋三重功能。由于結(jié)構(gòu)形式的變化，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)受力同其他支擋結(jié)構(gòu)具有較大的差異，對相應(yīng)的結(jié)構(gòu)—土體相互作用及其對設(shè)計(jì)參數(shù)的要求、結(jié)構(gòu)形式等的認(rèn)識還不充分，不能滿足工程設(shè)計(jì)需要;參考類似結(jié)構(gòu)的研究成果進(jìn)行設(shè)計(jì)往往是達(dá)不到預(yù)想效果或性價(jià)比嚴(yán)重低下。因此，本文對椅式樁板結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證對比，為山區(qū)路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及類似的工程提供參考。

1 工程概況

蘭渝鐵路DK935+959.575—DK935+983.575右側(cè)陡坡地段，路堤邊坡采用椅式樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行支擋(圖1)。主樁與橫梁的截面尺寸均為1.75 m×2.5 m、副樁的截面尺寸為1.75 m×2.0 m，采用C35混凝土現(xiàn)場澆筑，橫梁下側(cè)與樁基連接處設(shè)置斜率為1∶3的倒角，以降低應(yīng)力集中的現(xiàn)象。擋土板和承載板也采用C35混凝土預(yù)制。本文選取DK935+971.575斷面進(jìn)行建模計(jì)算，縱向中心樁間距為6 m，橫向中心樁間距為9 m;主樁樁長為30 m，副樁樁長為14 m，副樁樁頂距主樁樁頂6 m。列車荷載作用大小按換算土柱法進(jìn)行均布，路基面豎向荷載取35.2 kPa。

圖1 椅式樁板結(jié)構(gòu)外觀

坡體表層局部上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積粉質(zhì)黏土(Qdl+el4)和坡洪積松軟土(Qdl+pl4)，下伏侏羅系中統(tǒng)新田溝組(J2x)強(qiáng)風(fēng)化和弱風(fēng)化泥巖夾砂巖、頁巖。粉質(zhì)黏土為褐紅、褐黃色，硬塑，含少量的砂巖、泥巖質(zhì)碎石及角礫，分布于丘坡坡面，一般厚0～2 m，局部稍厚。松軟土淺灰色、淺黃色，軟塑，黏性強(qiáng)，質(zhì)純，呈透鏡狀分布于溝心附近，厚2～6 m。強(qiáng)風(fēng)化巖層中泥巖夾砂巖為紫紅色、棕紅色，巖芯呈半巖半土狀、角礫狀及碎石狀，質(zhì)軟，手可掰碎，浸水后迅速崩解，厚2～5 m，局部風(fēng)化差異較大;頁巖為灰色、灰褐色，薄層～片狀構(gòu)造，性脆，巖芯呈碎塊狀、角礫狀。弱風(fēng)化巖層中泥巖夾砂巖為紫紅色、棕紅色，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理較發(fā)育，質(zhì)軟;頁巖為灰色、灰褐色，薄層～片狀構(gòu)造，性脆，節(jié)理較發(fā)育。

2 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)選取

依據(jù)此斷面在ABAQUS中建立原始邊坡模型X方向長為65 m，Y方向高度為34 m，Z方向?qū)挾葹?2 m的三維有限元模型。椅式樁板結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模擬，樁基與橫梁剛性連接，擋土板、承載板與椅式樁搭接;表層覆土極薄，模型中不予考慮，填料也采用實(shí)體單元模擬，并服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，下部巖體采用線彈性模型，主要按六面體單元進(jìn)行離散。邊界條件設(shè)置時(shí)，模型橫斷面和縱斷面上X，Y方向約束法向位移，底部Z方向約束X，Y，Z方向位移。計(jì)算模型共離散成24 363個(gè)單元(如圖2所示)。數(shù)值仿真計(jì)算各參數(shù)取值如表1所示。

圖2 椅式樁板結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真模型

表1 仿真模型參數(shù)取值

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

椅式樁受力主要由填料、列車荷載的擠推變形和巖坡的回彈變形共同作用產(chǎn)生，具有較好的空間特性與內(nèi)力調(diào)節(jié)功能，結(jié)構(gòu)內(nèi)力均較小，內(nèi)力極值在樁梁交接處、巖體表面處出現(xiàn)反彎點(diǎn)或規(guī)律變化點(diǎn)。椅式樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布如圖3所示。

計(jì)算結(jié)果表明，椅式樁的彎矩和軸力數(shù)值計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果有較為相似的分布規(guī)律，理論值偏大，然而部分彎矩極值點(diǎn)位置有所不同，數(shù)值計(jì)算極值點(diǎn)高程偏高，主要原因在于:①假定理論模型時(shí)錨固點(diǎn)選擇與荷載簡化上存在差異;②數(shù)值仿真中，結(jié)構(gòu)巖土體相互作用并非垂直于結(jié)構(gòu)表面，而是與接觸面法線呈一定的角度，作用力可以分解為垂直于接觸面和平行于接觸面兩個(gè)方向的作用分力，而且平行荷載會使樁身產(chǎn)生附加彎矩，即所謂的“P－Δ”效應(yīng)，從而又影響樁基內(nèi)力與變形，樁基長細(xì)比越大影響越明顯。另外，椅式樁在樁梁交接處荷載響應(yīng)較大，構(gòu)件較弱時(shí)會出現(xiàn)塑性鉸，使結(jié)構(gòu)喪失使用能力。

3.2 結(jié)構(gòu)變形分析

路基填筑和列車荷載引起坡體產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，但絕大部分由樁基傳給巖體。此外路基填料主要發(fā)生橫向變形并擠推擋土板，由于椅式樁剛度較大，其引起的變形往往較小，如圖4所示。

椅式樁主副樁側(cè)向變形主要發(fā)生在基巖錨固點(diǎn)以上部分，數(shù)量級為毫米級。主副樁基側(cè)向變形模式基本一致，在固接段兩樁側(cè)向變形相差僅0.25～0.45 mm，體現(xiàn)了該工況下椅式樁的空間特征，主副樁具有良好的協(xié)同工作機(jī)制。副樁樁頂高程處兩樁的變形差反映出橫梁的受力情況出現(xiàn)拉伸狀態(tài)，橫梁應(yīng)作為彎拉構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

圖3 椅式樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布

圖4 椅式樁水平變形分布

此類陡坡路基沉降變形極值出現(xiàn)了填料厚度較大的區(qū)域，最大值為31 mm(其中填料自重引起的變形值為21 mm)，填筑后路基表面變形數(shù)量級為毫米級，變化量也較小，主要為填料的壓縮變形，因此在保證填料壓實(shí)效果的基礎(chǔ)上，此類組合式支擋結(jié)構(gòu)能夠保證無砟軌道對路基面變形控制的要求。副樁后側(cè)懸臂空間若采用素混凝土進(jìn)行填充，可進(jìn)一步降低路基面的橫向不均勻沉降。而從位移矢量方向來看，路基本體變形以豎向沉降為主，也再次說明了椅式樁板結(jié)構(gòu)較強(qiáng)的橫向抗變形能力。

3.3 結(jié)構(gòu)—土體相互作用分析

同剛性支擋結(jié)構(gòu)不同，在填筑或開挖過程中柔性支擋結(jié)構(gòu)會發(fā)生同步撓曲變形，土壓力發(fā)生重新分布，因此椅式樁板結(jié)構(gòu)側(cè)向和豎向荷載作用的確定十分復(fù)雜。椅式樁板結(jié)構(gòu)的承載板與擋土板上的土壓力分布如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)—土體相互作用分布

在填料自重及路基面荷載作用下，擋土板與承載板均發(fā)生撓曲變形，椅式樁上部填料與樁間填料出現(xiàn)橫向和豎向的位移差，樁基所在斷面的擋土板上土壓力呈梯型分布，并逐漸向樁間斷面過渡為拋物線型;承載板上土壓力橫向分布呈溝谷型，兩側(cè)和后側(cè)較大、中間和前側(cè)較小;土壓力縱向分布均呈漏斗型，形成了以椅式樁與基巖為拱腳的三維空間土拱效應(yīng)。

3.4 巖體參數(shù)影響分析

本模型中計(jì)算工況為正常使用狀態(tài)下的荷載工況，所以巖體選擇了線彈性模型。為了分析巖體參數(shù)對結(jié)構(gòu)變形和樁—巖相互作用的影響，本模型針對不同類型巖體的彈性模量與泊松比進(jìn)行變參數(shù)計(jì)算，巖體參數(shù)如表2所示，計(jì)算結(jié)果如圖6和圖7所示。

表2 不同類型巖石的參數(shù)

圖6 不同巖石參數(shù)下椅式樁水平變形

圖7 不同巖石參數(shù)下樁側(cè)巖石壓力分布

椅式樁橫向變形由巖體與椅式樁自身兩部分組成，隨著巖體彈性模量逐漸增大，巖體變形引起的變形分量逐漸減小，結(jié)構(gòu)總變形逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)彈性模量＞20 GPa時(shí)，椅式樁自身變形就占絕對變形的90%以上，此時(shí)可不考慮巖體參數(shù)對結(jié)構(gòu)變形的影響。

樁基與巖體相互作用主要決定于巖體剛度和椅式樁變形量，而且兩者之間又相互影響，其中變形量包括橫向荷載作用下產(chǎn)生的側(cè)向變形量和豎向荷載作用下產(chǎn)生的橫向膨脹變形量。對比計(jì)算結(jié)果可知巖體參數(shù)對樁基—巖體相互作用的影響以椅式樁外側(cè)最大、椅式樁內(nèi)側(cè)次之、椅式樁樁間最小，最大巖石壓力出現(xiàn)于主樁外側(cè)坡面處，彈性模量為100 GPa時(shí)達(dá)到0.96 MPa，但仍遠(yuǎn)小于巖石橫向容許承載力;主副樁樁間、副樁內(nèi)側(cè)的巖石壓力大小相當(dāng)，按線彈性材料進(jìn)行考慮的假設(shè)是合理的。主樁外側(cè)巖石壓力由上到下呈現(xiàn)先急劇降低后緩慢增大的規(guī)律，其極值位置未發(fā)生變化。主副樁樁間與副樁內(nèi)側(cè)的巖石壓力大小和分布變化規(guī)律較為明顯，隨著巖石彈性模量的增大，主副樁內(nèi)側(cè)巖石壓力逐漸增大，副樁外側(cè)巖石壓力則逐漸減小，極值位置均有上移的現(xiàn)象，說明巖石參數(shù)影響了樁間壓力的擴(kuò)散與傳遞。

4 結(jié)論

1)椅式樁內(nèi)力的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與理論值吻合良好，并且計(jì)算結(jié)果顯示樁梁交接處荷載響應(yīng)較大，構(gòu)件較弱時(shí)會形成塑性鉸使結(jié)構(gòu)喪失使用能力。

2)巖質(zhì)邊坡椅式樁板結(jié)構(gòu)支擋路基的路基面沉降以沉降變形為主，填料自重引起的變形占到68%，樁頂橫向變形最大值＜1 mm，橫梁發(fā)生了拉伸變形，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需按彎拉構(gòu)件考慮。

3)在填料自重及路基面荷載作用下，擋土板與承載板均發(fā)生撓曲變形，土壓力縱向分布均呈漏斗型，形成了以椅式樁與基巖為拱腳的三維空間土拱效應(yīng)。

4)椅式樁橫向變形由巖體與椅式樁自身兩部分組成，當(dāng)彈性模量＞20 GPa時(shí)可不考慮巖體參數(shù)對結(jié)構(gòu)變形的影響;樁側(cè)巖石壓力值大小相當(dāng)，遠(yuǎn)小于巖石橫向容許承載力，計(jì)算時(shí)可按線彈性進(jìn)行假設(shè)。

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