陡坡地段樁板結(jié)構(gòu)路基動(dòng)荷載作用響應(yīng)分析

黃文軍

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

對(duì)于山區(qū)鐵路陡坡路基地段的加固處理，樁板結(jié)構(gòu)是一種比較常見的工程選擇[1-6]。關(guān)于陡坡路基，龍森、王忠文、付航、楊成忠等[7-10]結(jié)合工程實(shí)例，研究了其失穩(wěn)以及破壞機(jī)理，提出了處理原則和處理措施；鄭治等[11-12]結(jié)合工程實(shí)例，研究了高填方路堤沉降病害的主要原因；王峰、白皓、張波等[13-15]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例，對(duì)陡坡路基樁板墻的變形受力機(jī)理等進(jìn)行了研究。

上述文獻(xiàn)對(duì)陡坡路基的破壞機(jī)理和陡坡路基樁板結(jié)構(gòu)的變形受力機(jī)理進(jìn)行了充分研究和論證，但是針對(duì)陡坡地段樁板結(jié)構(gòu)路基的動(dòng)荷載作用響應(yīng)規(guī)律卻鮮有研究。高鐵路基動(dòng)力響應(yīng)的大小對(duì)于路基強(qiáng)度、剛度以及鐵路的安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要[16]。以下利用 ABAQUS軟件，對(duì)陡坡路基樁板結(jié)構(gòu)的動(dòng)荷載作用響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工程概況

試驗(yàn)工點(diǎn)位于杭黃客專某橋隧間短路基，屬剝蝕丘陵及丘間谷地地區(qū)，丘坡被植被發(fā)育，山體自然坡度約20～35°，谷地地勢(shì)平坦開闊，多辟為農(nóng)田和房舍，上覆5～6 m強(qiáng)風(fēng)化泥巖，下部為泥巖(弱風(fēng)化)，邊坡采用A、B組填料填筑。

設(shè)計(jì)概況：本段路基左側(cè)設(shè)路堤樁板墻，共計(jì)4根，樁長(zhǎng)18～20 m。樁板墻樁間距均為5.0 m。右側(cè)設(shè)路塹樁板墻，樁長(zhǎng)15～16 m，路塹樁板墻樁間距均為5.0 m?；撞捎谩般@孔灌注樁+筏板”進(jìn)行加固，鉆孔樁樁長(zhǎng)12.0 m，直徑1.0 m，橫向間距3.75 m、縱向間距7.5 m。樁頂設(shè)0.8 m厚C35鋼筋混凝土筏板，長(zhǎng)27.5 m、寬10 m；筏板底鋪0.1 m厚混凝土找平墊層，板頂填筑級(jí)配碎石摻3%水泥，厚1.0 m。

2 數(shù)值計(jì)算模型

可將模型簡(jiǎn)化為兩層，上層為5～6 m強(qiáng)風(fēng)化泥巖，底層為泥巖(弱風(fēng)化)，邊坡采用AB組填料填筑。左右兩側(cè)分別筑有樁板墻結(jié)構(gòu)，左側(cè)路堤設(shè)樁板墻，間距均為5 m，右側(cè)路塹樁板墻結(jié)構(gòu)樁間距也為5 m。板結(jié)構(gòu)尺寸為27.5 m×10 m×0.8 m(長(zhǎng)×寬×厚)，其下布設(shè)12根樁結(jié)構(gòu)，樁徑為1 m，樁長(zhǎng)為12 m。樁板結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示；為簡(jiǎn)化計(jì)算，沿模型縱向取對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型的建立與計(jì)算。試驗(yàn)工點(diǎn)數(shù)值仿真模型如圖2所示。

圖1 樁板結(jié)構(gòu)尺寸(單位：m)

圖2 試驗(yàn)工點(diǎn)數(shù)值仿真模型(單位：m)

材料參數(shù)的選擇如表1所示。

表1 陡坡地段樁板結(jié)構(gòu)路基材料參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

在列車荷載的分布計(jì)算中，先計(jì)算軌底下方橡膠墊板上的應(yīng)力時(shí)程曲線，然后施加于橡膠墊板上。墊板上動(dòng)應(yīng)力幅值計(jì)算公式為

σmax=P×(1+αv)/s

(1)

式中s——鋼軌與軌下橡膠墊板接觸的面積；

P——軸重的一半；

α——?jiǎng)恿ο禂?shù)；

v——車速。

由公式(1)，σmax=7×103kPa，此為作用在膠墊處的動(dòng)應(yīng)力幅值。

列車荷載示意如圖3所示(考慮兩節(jié)車廂荷載作用于結(jié)構(gòu)上)。

圖3 計(jì)算列車荷載示意(單位：m)

3.1 道砟與填料的動(dòng)應(yīng)力傳遞

動(dòng)應(yīng)力沿路基深度的分布也可以通過Boussinesq解析解獲得。把枕軌下路基面上的荷載看成是長(zhǎng)方形均布荷載，荷載中心深度z處的垂直應(yīng)力可以用下式計(jì)算

(2)

m=a/b,n=z/a

(3)

式中P0——路基面動(dòng)應(yīng)力幅值/kPa(根據(jù)規(guī)范取100 kPa)；

a——枕軌長(zhǎng)邊邊長(zhǎng)的一半/m；

b——枕軌短邊邊長(zhǎng)的一半/m；

z——深度/m。

根據(jù)式(3)，作用于路基面上的應(yīng)力在土中沿深度的傳遞規(guī)律如圖4所示。

圖4 應(yīng)力沿深度傳遞規(guī)律

由圖4可知，在均質(zhì)土中，地基面下2 m深度處，應(yīng)力衰減為路基面應(yīng)力的10%左右。提取模型中沿道砟、填料以及板結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力的傳遞規(guī)律，如圖5所示。

圖5 應(yīng)力沿結(jié)構(gòu)深度傳遞規(guī)律

由圖5可知，總應(yīng)力沿深度的分布規(guī)律為：由道砟表面向下，自64.79 kPa逐漸衰減(至道砟與填料的分界面處)，分界面處應(yīng)力存在突變，填料上表面處的應(yīng)力較道砟下表面突減約9 kPa；在填料部分，土的總應(yīng)力呈逐漸增加的趨勢(shì)，這是由于填料自重應(yīng)力的增加大于動(dòng)應(yīng)力的衰減所致。將土的自重應(yīng)力曲線減掉，即得到動(dòng)荷載的附加應(yīng)力影響曲線(填料部分附加應(yīng)力也是逐漸衰減)。繼續(xù)向下至填料與板結(jié)構(gòu)的分界面處，總應(yīng)力又存在突變，分界面處板上的應(yīng)力較填料下表面應(yīng)力突減約14.5 kPa；在板結(jié)構(gòu)中，應(yīng)力基本呈線性減小的趨勢(shì)。

應(yīng)力在均勻介質(zhì)中的傳遞是連續(xù)的(如圖5所示)，而自重應(yīng)力與附加應(yīng)力在不同材料分界面處均存在突變的情況。沿深度方向沉降變化量是連續(xù)的(分界面處上、下表面沉降量相同)，而分界面處材料的彈性模量不同，故導(dǎo)致應(yīng)力的不均勻變化。

3.2 加速度時(shí)程規(guī)律對(duì)比

列車經(jīng)過時(shí)，在輪軸作用下，輪對(duì)下的土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了向下的沉降位移，輪軸經(jīng)過后，該位置處土體發(fā)生回彈，產(chǎn)生了一定的加速度變化，其響應(yīng)動(dòng)荷載作用規(guī)律如圖6所示。由圖6可見，有兩處加速度變化較大的情況，分別為前、后轉(zhuǎn)向架經(jīng)過時(shí)引起。

圖6 加速度時(shí)程規(guī)律對(duì)比

對(duì)于列車荷載下不同深度處的響應(yīng)規(guī)律，圖6中也有顯示，對(duì)比道砟與填料表面處加速度時(shí)程響應(yīng)規(guī)律，道砟層表面的加速度響應(yīng)明顯大于填料，最大加速度幅值約為1.8 m/s2，較填料的最大幅值(約1.3 m/s2)高出約27.7%，可見道砟層對(duì)于動(dòng)加速度的衰減作用較為明顯。

3.3 動(dòng)應(yīng)力時(shí)程規(guī)律對(duì)比

經(jīng)軌枕傳遞至道砟，再傳遞至填料之上的動(dòng)應(yīng)力隨列車行駛的變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 動(dòng)應(yīng)力時(shí)程規(guī)律對(duì)比

由前述可知，動(dòng)應(yīng)力沿深度方向的傳遞逐漸衰減，且衰減速度較快。對(duì)應(yīng)于荷載作用規(guī)律，列車的前、后轉(zhuǎn)向架分別引起兩處豎向應(yīng)力的變化，且各處都有兩處峰值，兩處峰值之間的動(dòng)應(yīng)力有些許回降。

由圖7可見，填料處的最大動(dòng)應(yīng)力(37 kPa)遠(yuǎn)小于道砟上的最大動(dòng)應(yīng)力(74 kPa)，約為道砟層最大應(yīng)力的一半。由此可見，道砟層對(duì)動(dòng)應(yīng)力的消散作用也很明顯。

3.4 板結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律

動(dòng)荷載經(jīng)道砟層與填料層的傳遞后作用于板結(jié)構(gòu)上。分別提取板上不同位置處的動(dòng)應(yīng)力值，繪制出樁的位置及應(yīng)力分布情況(如圖8、圖9所示)。

圖8 板上樁位置及應(yīng)力分布

圖9 板上豎向應(yīng)力時(shí)程曲線

由圖9可知，板上的應(yīng)力為動(dòng)荷載應(yīng)力、填料重力、板下土體與樁體的反力等的綜合作用。因此，其應(yīng)力幅值大于傳遞至板結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力。

對(duì)于左樁與中樁，初始狀態(tài)時(shí)，列車尚未經(jīng)過，其應(yīng)力作用為向上，其應(yīng)力為正。而右樁接近于右側(cè)坡體的下滑位置，在坡體下滑擠壓力作用下，板下土體對(duì)板的支撐作用與填料等的重力作用接近，故右樁此時(shí)應(yīng)力接近于0。

圖10 板結(jié)構(gòu)上前排樁動(dòng)附加應(yīng)力分布規(guī)律

前排樁的附加應(yīng)力分布規(guī)律如圖10所示，左、中、右樁位置分別為1.25 m，5 m，8.75 m，三根樁的位置處均為豎向應(yīng)力最大點(diǎn)，附加應(yīng)力沿橫向的分布基本對(duì)稱，且在左右兩樁位置處較大，中樁位置處較小。

分別提取板上左、中、右樁處等3個(gè)位置的應(yīng)力情況，如圖11～圖13所示。

圖11 板上左排不同位置應(yīng)力時(shí)程曲線

圖12 板上中排不同位置應(yīng)力時(shí)程曲線

圖13 板上右排不同位置應(yīng)力時(shí)程曲線

由圖11～圖13可知，板上前排樁與后排樁均對(duì)動(dòng)荷載具有較明顯的響應(yīng)，兩處向下的應(yīng)力幅值處分別對(duì)應(yīng)列車的前后轉(zhuǎn)向架，而其他3處位置具有微小的波動(dòng)響應(yīng)，但幅值不大。

對(duì)于板上非樁位置處的應(yīng)力分布，表現(xiàn)為從左到右應(yīng)力值逐漸減小，左排位置處最大(為填料對(duì)板的下壓作用)，依次向右至中排位置，應(yīng)力值減小為左排位置處的一半，再向右至右排位置，非樁位置處的應(yīng)力基本為0，僅承受較小的應(yīng)力。

4 結(jié)束語

采用有限元分析軟件ABAQUS，對(duì)杭黃客專某陡坡路基樁板結(jié)構(gòu)的動(dòng)荷載作用響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)道砟層與填料層的動(dòng)加速度規(guī)律與荷載作用規(guī)律基本對(duì)應(yīng)，前后轉(zhuǎn)向架經(jīng)過時(shí)，動(dòng)加速度分別產(chǎn)生兩處動(dòng)響應(yīng)，且每處動(dòng)響應(yīng)均有兩處加速度幅值，分別對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向架前后輪對(duì)經(jīng)過時(shí)的響應(yīng)。道砟層表面的加速度響應(yīng)明顯大于填料，道砟層對(duì)于動(dòng)加速度的衰減作用較為明顯。

(2)總應(yīng)力沿深度的分布規(guī)律為由道砟表面向下逐漸衰減，道砟與填料的分界面處應(yīng)力存在突變，填料上表面處的應(yīng)力較道砟下表面突減約9 kPa；在填料部分，土的總應(yīng)力呈逐漸增加的趨勢(shì)。

(3)填料處的最大動(dòng)應(yīng)力(37 kPa)遠(yuǎn)小于道砟上的最大動(dòng)應(yīng)力(74 kPa)，約為道砟層最大應(yīng)力的一半。道砟層對(duì)動(dòng)應(yīng)力具有很明顯的消散作用。

(4)板上應(yīng)力最大處位于樁頂位置處。最大正應(yīng)力位于左排與中排樁頂，其值為70 kPa左右；最大負(fù)應(yīng)力位于右排樁樁頂，其值為181.5 kPa。