填方邊坡變截面樁板墻樁身內(nèi)力及變形數(shù)值分析

孫晉超，金亮星，歐陽成泓

(1. 蘇北鐵路有限公司，江蘇 徐州 221003；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

樁板墻是填方邊坡加固中的新型支擋結(jié)構(gòu)，由抗滑樁和擋土板兩部分組成，利用樁體與樁周巖土體的相互嵌制作用，將上部巖土體作用力傳遞至穩(wěn)定地層,利用穩(wěn)定地層的錨固作用和被動抗力來保證邊坡整體穩(wěn)定性[1?2]。具有抗滑能力強、圬工量小、樁位布置靈活、施工方便和施工影響范圍小等諸多優(yōu)點，在鐵路、公路和港口等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。但目前對其受力機理的研究尚不完善，國內(nèi)外學(xué)者對此進行了大量的研究工作[3?9]。歐孝奪等[10]通過模型試驗研究了抗滑樁的受力變形特征，對抗滑樁的設(shè)計參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。劉釗[11]通過原位試驗對雙排支護結(jié)構(gòu)的受力進行了分析。應(yīng)宏偉等[12]提出帶撐雙排樁支護結(jié)構(gòu)的實用計算方法，并與現(xiàn)場實測結(jié)果對比，驗證了計算方法的合理性。肖世國等[13]進行了比例為1:30的h型組合抗滑樁室內(nèi)模擬試驗，分析了 h型樁支擋邊(滑)坡的作用機理及樁側(cè)的坡體壓力分布規(guī)律。錢同輝等[14]通過框架式抗滑樁室內(nèi)模型試驗，觀察框架式抗滑樁從受荷到破壞的全過程，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)變化分析框架式抗滑樁內(nèi)力分布規(guī)律、土壓力分布規(guī)律以及樁頂位移特征。杲斐[15]結(jié)合現(xiàn)場實際工程，建立有限元模型，對黃土路塹邊坡的樁板墻進行了數(shù)值模擬分析，研究了樁間距的合理取值范圍。工程實際中，由于邊坡地理位置及地形條件限制，需要改變樁的截面形式來對樁板墻進行優(yōu)化設(shè)計。隨著經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展，樁板墻結(jié)構(gòu)從最初單一的全截面形式發(fā)展成適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的變截面形式，然而目前對變截面樁板墻結(jié)構(gòu)形式的研究仍然較少，研究變截面樁板墻的相關(guān)特性具有十分重要的現(xiàn)實意義?；趯嶋H工程案例，本文利用有限元計算軟件ABAQUS建立單排變截面樁板墻的三維模型，將數(shù)值模擬位移結(jié)果與現(xiàn)場實測位移進行對比分析，驗證模型的正確性，并研究變截面樁板墻樁身的內(nèi)力和變形特性，提出變截面樁板墻的變形控制措施，為今后的工程設(shè)計提供參考。

1　現(xiàn)場測試

1.1　工程概況

某山區(qū)邊坡因修建省道堆填而成，堆積物主要為隧道開挖的碎石、石塊，坡度 30°~40°。場地鉆進深度內(nèi)無地下水，水文地質(zhì)條件簡單。周邊山體環(huán)繞，無特殊人防地下設(shè)施。后期因建設(shè)需要，在原邊坡上進行填方，坡頂修建建筑物。邊坡場地內(nèi)各巖土層特性分述如下：

1) 新填土

雜色，顆粒間粘聚力小，結(jié)構(gòu)松散，主要為透水性較強的砂性土組成，壓實后水穩(wěn)性好，強度較高。

2) 老碎石填料

雜色，結(jié)構(gòu)松散，局部稍密，均勻性差，主要由碎石組成，局部含有少量泥沙，回填時間約 15年，鉆探時需下套管，孔壁不穩(wěn)定，固結(jié)程度不均勻。

3) 中風(fēng)化砂巖

灰綠色，局部紫紅色，中風(fēng)化，薄～中厚層狀，隱晶結(jié)構(gòu)，巖石較完整。巖芯多呈短柱狀、碎塊狀，少量長柱狀，巖芯采取率達70%~85%，RQD值約為65%。巖體較完整，為較軟巖～較硬巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ~Ⅲ類。

對邊坡進行支護，支護工程分為AB，BC，CD及DE 4段，其中AB段為單排變截面樁板墻支護，BC段為雙排變截面樁板墻支護，CD段為雙排樁托重力式擋土墻支護，DE段為雙排變截面樁板墻支護。本文選取AB段進行研究，AB段長約30 m，樁間距2 m，樁長18 m，原地面以下采用直徑1.2 m旋挖樁，地面以上支模澆筑，尺寸為0.8 m×0.9 m，樁間設(shè)300 mm厚擋土板，樁及擋土板均采用C30混凝土。

1.2　現(xiàn)場監(jiān)測

根據(jù)場地巖土工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，邊坡工程安全等級、周邊環(huán)境條件及各種相關(guān)規(guī)范，按照邊坡支護工程設(shè)計文件及相關(guān)規(guī)范等要求，對邊坡進行監(jiān)測，現(xiàn)場監(jiān)測的主要內(nèi)容為：樁頂豎向位移及水平位移、截面變化處樁身水平位移、建筑物變形，邊坡工程監(jiān)測點布置如圖1所示。本文選取變截面樁板墻水平位移和豎直位移測點 ZD3為研究對象，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1　監(jiān)測點布置圖Fig. 1　Monitoring point layout

表1　測點ZD3監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 1　Monitoring data of measuring point ZD3

2　數(shù)值模擬

2.1　模型的建立

根據(jù)具體施工工況，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取 AB段典型剖面1-1進行分析，剖面形式如圖2所示，剖面 1-1為 ZD3監(jiān)測點布置處。使用有限元軟件ABAQUS進行數(shù)值模擬。建模過程均對工程實際情況進行簡化考慮，AB段的樁板墻由多根樁和擋土板組成，但單樁的受力變形規(guī)律類似，考慮到數(shù)值模擬模型的簡單有效性及支護結(jié)構(gòu)的對稱性，故模型均取1個樁間距的1/2進行數(shù)值分析；土體考慮彈塑性變形，使用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型建模；樁板墻采用線彈性模型，模型單元均采用三維實體單元。

圖2　AB段支護剖面1-1Fig. 2　AB section support profile 1-1

根據(jù)工程設(shè)計圖及剖面1-1的形式建立模型，模型長為32.55 m，高23 m，厚度取樁間距一半(取對稱結(jié)構(gòu))，為1 m；樁前平臺長度為4 m，樁長18 m，原地面以下采用直徑1.2 m旋挖樁，地面以上尺寸為0.8 m×0.9 m，樁間設(shè)300 mm厚擋土板，其模型整體如圖3。模型前后側(cè)約束Y方向位移，底部施加固定約束，即限制X，Y和Z 3個方向位移，上部為自由邊界，模型左右兩側(cè)約束X方向位移；模型共有9個接觸對，其中樁與墻、樁底與土層③表面采用綁定約束，其他接觸為面與面接觸。

通過不斷切割微調(diào)，劃分模型網(wǎng)格，在尖角等應(yīng)力集中處布置較多種子，劃分較密網(wǎng)格，本模型網(wǎng)格單元23 174個，其中土體單元21 286個，樁板墻單元1 898個，單元類型采用C3D8R，模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖3　剖面1-1模型整體圖Fig. 3　Model integral diagram of section 1-1

2.2　模型參數(shù)的選取

根據(jù)本工程巖土地質(zhì)勘察報告，剖面1-1土層分為3層，土層分布及物理力學(xué)參數(shù)見表2。土體參數(shù)按照表 2取值；變截面樁彈性模量 E0取 30 GPa，泊松比μ為0.2，密度為2 500 kg/m3，樁間擋土板與樁參數(shù)取值相同。

2.3　模擬工況

模擬計算主要模擬建筑物不同施工過程對變截面樁板墻的影響，根據(jù)設(shè)計圖紙及相關(guān)規(guī)范，建筑物荷載取值為38.1 kPa。采用ABAQUS時間增量步法，分析步總時間取值 1，荷載隨著步時的增加而增加，不同分析步時間對應(yīng)相應(yīng)的工況，計算完成就是荷載施加完成，即施工完成，從而達到模擬目的。模擬工況見表3。

圖4　網(wǎng)格劃分圖Fig. 4　Mesh graph

表2　土體參數(shù)Table 2　Soil parameters

表 3　模擬工況Table 3　Main simulation conditions

3　數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1　數(shù)值模擬位移結(jié)果與現(xiàn)場實測值對比

將建立的模型進行計算分析，得到樁板墻位移云圖，如圖5所示。

同時將模擬位移值與實測位移值進行對比，如圖6所示。

圖6為位移模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比圖，從圖中可以看出，模擬值和實測值趨勢基本一致，位移值相差不大，驗證模型所選參數(shù)的合理性及模型的正確性。

圖5　樁體位移變形云圖Fig. 5　Displacement and deformation nephogram of pile

圖6　變截面樁板墻樁頂位移對比圖Fig. 6　Comparison of pile top displacement of variable cross-section pile-plank wall

同時得到樁身水平位移圖，如圖7所示。

圖7為樁身水平位移圖，從圖中可以看出，水平位移隨距樁底距離增加而增加，樁底處位移為0，變截面處水平位移較小，樁頂處水平位移最大。在距樁底0~9 m處位移很小，是由于樁身處于土體中，有樁前土體抗力作用；變截面處樁身位移大小為1.99 mm；在距樁底9~18 m處，位移急劇增大，樁前土體抗力消失，位移最大值出現(xiàn)在樁頂處，大小為17.21 mm。

3.2　數(shù)值模擬內(nèi)力結(jié)果分析

樁板墻應(yīng)力云圖及結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力云圖，如圖 8所示；樁板墻樁身內(nèi)力時程圖，如圖9所示。

圖7　變截面樁板墻樁身水平位移圖Fig. 7　Displacement diagram of piles with variable cross-section

圖8　樁板墻樁土整體應(yīng)力云圖Fig. 8　Integral stress nephogram of variable cross-section pile-plank wall

圖9反映了模型中不同工況下樁身內(nèi)力變化情況。圖9(a)反映了樁身彎矩的變化情況，可以看出各個工況的彎矩變化趨勢基本相同，工況4的彎矩值最大。從圖中可知，樁身彎矩從樁頂處先遞增后遞減，變截面處發(fā)生突變，距樁頂13 m處彎矩最大，樁底處彎矩趨于0。9 m處由于樁身截面發(fā)生變化，受到樁后土體豎向集中力的作用，所以此處彎矩突變。

圖9　樁板墻樁身內(nèi)力時程圖Fig. 9　Time history diagram of pile internal force of variable cross-section pile-plank wall

圖9(b)反映了樁身剪力的變化趨勢，不同工況下樁身剪力不同，但是變化趨勢基本相同。從圖中可知，樁身剪力從樁頂處先遞增后遞減，在 13 m處剪力為0，13 m以下剪力沿反方向呈現(xiàn)先遞增后遞減的變化趨勢，在10 m處剪力最大，樁底處剪力趨于0。

3.3　變形控制措施

變截面樁板墻由于截面變化，樁身面積減小，樁體剛度減小，位移變大，同時在截面變化處往往有應(yīng)力集中及土體堆積作用，根據(jù)以上特性，從截面變化、樁后填土形式等方面入手，提出以下變形控制措施：

1) 截面變化處設(shè)置連系梁，樁頂處設(shè)置樁間連系梁

由于墻后填土在截面變化處產(chǎn)生了土體豎向集中力，對樁身受力造成了不利的影響，在截面變化處、樁頂處設(shè)置連系梁，可以增加整體剛度，使結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)，減小變形。

2) 嚴(yán)格控制土體壓實系數(shù)

對填土的壓實度進行嚴(yán)格控制可以很好的減小邊坡土壓力和下滑力，減小樁板墻受力，減小變形。

3) 在截面變化處設(shè)置過渡段

變截面樁板墻在截面變化處因為土體堆積作用產(chǎn)生內(nèi)力突變，在土體堆積作用處設(shè)置過渡段，保證土體作用平穩(wěn)過渡，同時設(shè)置過渡段可以增加整體剛度，從而達到減少變形的作用。

4　結(jié)論

1) 通過有限元軟件ABAQUS建立模型數(shù)值計算，得到變截面樁板墻位移模擬值；將樁頂位移模擬值與實測值對比，通過對比可知，模擬值和實測值趨勢基本一致，位移值相差不大，從而驗證了模型的正確性和有效性。

2) 分析單排變截面樁板墻樁身內(nèi)力和變形，發(fā)現(xiàn)截面變化處彎矩的突變，這是因為墻后填土豎向集中力的作用。樁身彎矩從樁頂處先遞增后遞減，變截面處發(fā)生一個突變，距樁頂13 m處彎矩最大，樁底處彎矩趨于 0；樁身剪力從樁頂處先遞增后遞減，在13 m處剪力為0，13 m以下剪力沿反方向呈現(xiàn)先遞增后遞減的變化趨勢，在10 m處剪力最大，樁底處剪力趨于 0；樁身水平位移隨距樁底距離增加而增加，樁底處位移為 0，變截面處水平位移較小，樁頂處水平位移最大。

3) 提出變截面樁板墻的變形控制措施：截面變化處設(shè)置連系梁、樁頂處設(shè)置樁間連系梁；嚴(yán)格控制填方土體壓實度；在截面變化處設(shè)置過渡段?？蔀楹罄m(xù)工程設(shè)計施工提供參考。

參考文獻：

[1] Basha M B M, Babu S B L S. Target reliability based design optimization of anchored cantilever sheet pile walls[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2008, 45(4):535?548.

[2] 羅渝, 許強, 何思明, 等. 樁板墻結(jié)構(gòu)加固邊坡的穩(wěn)定性分析[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報, 2014, 49(6): 967?971.LUO Yu, XU Qiang, HE Siming, et al. Stability analysis of slopes reinforced with sheet pile wall[J]. Journal of South West Jiaotong University, 2014, 49(6): 967?971.

[3] Babu G L S, Basha B M. Optimum design of cantilever sheet pile walls in sandy soils using inverse reliability approach[J]. Computers & Geotechnics, 2008, 35(2):134?143.

[4] Kim D, Salgado R. Load and resistance factors for internal stability checks of mechanically stabilized earth walls[J]. Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering, 2012, 138(8): 910?921.

[5] 曲宏略, 李瑞峰, 張建經(jīng), 等. 兩種典型樁板墻地震響應(yīng)特性的對比分析[J]. 巖土力學(xué), 2017, 38(5): 1335?1342.QU Honglue, LI Ruifeng, ZHANG Jianjing, et al.Comparative analysis of seismic response characteristics of two representative sheet pile walls[J]. Rock and Soil Mechanics, 2017, 38 (5): 1335?1342.

[6] 曲宏略, 張建經(jīng), 王富江. 預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻地震響應(yīng)的振動臺試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2013, 35(2):313?320.QU Honglue, ZHANG Jianjing, WANG Fujiang. Seismic response of prestressed anchor sheet pile wall from shaking table tests[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(2): 313?320.

[7] 黃治云, 張永興, 董捷. 樁板墻土拱效應(yīng)及土壓力傳遞特性試驗研究[J]. 巖土力學(xué), 2013, 34(7): 1887?1892.HUANG Zhiyun, ZHANG Yongxing, DONG Jie.Experimental study of soil arching and transfer behavior of earth pressure about sheet-pile walls[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(7): 1887?1892.

[8] Basha B M, Babu G L S. Computation of sliding displacements of bridge abutments by pseudo-dynamic method[J]. Soil Dynamics & Earthquake Engineering,2009, 29(1): 103?120.

[9] Basha B M, Babu G L S. Reliability-based load and resistance factor design approach for external seismic stability of reinforced soil walls[J]. Soil Dynamics &Earthquake Engineering, 2014, 60(4): 8?21.

[10] 歐孝奪, 唐迎春, 崔偉, 等. h型抗滑樁模型試驗及數(shù)值模擬[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2012, 31(9): 1936?1943.OU Xiaoduo, TANG Yingchun, CUI Wei, et al. Model test and numerical simulation of h-shaped anti-sliding pile[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(9): 1936?1943.

[11] 劉釗. 雙排支護樁結(jié)構(gòu)的分析及試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 1992, 14(5): 76?80.LIU Zhao. Analysis and experimental study on double pile retaining pile structure[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1992, 14(5): 76?80.

[12] 應(yīng)宏偉, 初振環(huán). 帶撐雙排樁支護結(jié)構(gòu)性狀分析[J].巖土工程學(xué)報, 2006, 28(增1): 1450?1454.YING Hongwei, CHU Zhenhuan. Analysis of braced retaining structures with double-row piles[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2006(Suppl 1):1450?1454.

[13] 肖世國. 邊(滑)坡治理中h型組合抗滑樁的分析方法及工程應(yīng)用[J]. 巖土力學(xué), 2010, 31(7): 2146?2152.XIAO Shiguo. Analytical method for h-type combined anti-sliding pile retaining landslideor excavated slope and its application to practical projects[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(7): 2146?2152.

[14] 錢同輝, 唐輝明, 夏文才, 等. 框架式抗滑樁的模型試驗研究[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2011,39(12): 119?122.QIAN Tonghui, TANG Huiming, XIA Wencai, et al.Model tests of framed anti-sliding pile[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2011, 39(12): 119?122.

[15] 杲斐. 黃土路塹邊坡樁板墻樁間距研究[D]. 蘭州: 蘭州大學(xué), 2014.GAO Fei. Pile-sheet retaining wall spacing research in loess cutting slope[D]. Lanzhou: Lanzhou University,2014.