孫洪利，劉元雪，葉四橋，冉仕平

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安710075;2.后勤工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，重慶400041;3.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶400074;4.西藏自治區(qū)發(fā)展和改革委員會(huì)，西藏拉薩820000)

高切坡超前支護(hù)是指在高切坡形成之前先進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工，待支護(hù)結(jié)構(gòu)完成后，再開(kāi)挖邊坡的一種支護(hù)方法［1-4］。超前支護(hù)可以從根本上避免邊坡工程中“工程-災(zāi)害-更大工程”的弊端?？够瑯妒沁吰轮醯某Ｓ媒Y(jié)構(gòu)，當(dāng)將其作為超前支護(hù)技術(shù)措施時(shí)，要做到經(jīng)濟(jì)合理的布設(shè)是亟待解決的課題，總的原則是容許邊坡發(fā)生一定的卸荷、變形，充分調(diào)動(dòng)巖土體自身強(qiáng)度，并通過(guò)超前支護(hù)樁限制過(guò)量變形，避免邊坡破壞，從而既保證邊坡開(kāi)挖施工期及工后長(zhǎng)期安全，又使作用在樁身上的巖土壓力盡量小?；谝陨显?，筆者提出在超前支護(hù)樁靠山側(cè)設(shè)置一層EPS墊層材料，通過(guò)樁-EPS-土的共同作用，達(dá)到既允許高切坡有限變形，又減小樁身巖土壓力的目的。

EPS即聚苯乙烯泡沫，也稱(chēng)土工泡沫材料，具有較高的抗壓強(qiáng)度和良好的塑性變形能力［5］，在工程結(jié)構(gòu)抗震和路基處理方面得到了越來(lái)越多的應(yīng)用［6-10］。

1 計(jì)算模型及參數(shù)選擇

1.1 邊坡及超前支護(hù)樁概況

某高切坡坡高12 m，坡度為1∶1.5，上部為土層，下部為巖體，因公路建設(shè)需要進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖高度為6 m。經(jīng)評(píng)估若不對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)直接開(kāi)挖，將導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞，為此，采用超前支護(hù)樁進(jìn)行超前加固防護(hù)。超前支護(hù)樁為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，樁長(zhǎng)12 m，截面尺寸1.0 m ×1.5 m，間距為5 m，樁頂距坡腳6 m，坡腳處土層厚2 m，以下為基巖。為研究EPS墊層同超前支護(hù)樁及坡體間的相互作用機(jī)制，并探討最優(yōu)的EPS墊層設(shè)計(jì)，分別設(shè)置0，0.2，0.4，0.6，0.8 m 厚度的 EPS 墊層，以及不同密度的聚苯乙烯泡沫(分別為EPS19、EPS22、EPS29)進(jìn)行數(shù)值模擬敏感性分析。

1.2 計(jì)算原理及單元?jiǎng)澐?/h3>

采用ANSYS軟件進(jìn)行分析。滑體土和基巖采用ANSYS中提供的面單元PLANE 42模擬，抗滑樁采用梁?jiǎn)卧狟EAM 3模擬。有限元計(jì)算網(wǎng)格圖見(jiàn)圖1。

圖1 邊坡模型有限元網(wǎng)格Fig.1 Finite element mesh of slope model

1.3 材料及計(jì)算參數(shù)

考慮到巖土體材料的非線性特點(diǎn)，巖土體的本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用廣泛應(yīng)用于巖土類(lèi)材料的Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。超前支護(hù)樁截面尺寸1 m×1.5 m，間距5 m，而本次平面應(yīng)變計(jì)算縱向只有1 m，也就是說(shuō)每根樁要承擔(dān)5 m寬的滑體的剩余下滑力，因此在有限元模型中將土體的重量乘以5，同時(shí)為了確保原有的穩(wěn)定安全系數(shù)不發(fā)生變化，將巖土體的黏聚力也乘以5，即保證γ/c不發(fā)生變化?？紤]樁板面與EPS材料之間的接觸為剛體和柔體接觸，EPS材料與巖土層之間的接觸為柔體-柔體接觸，以Targe169接觸單元模擬樁板面和巖土界面，作為目標(biāo)面;以Conta171接觸單元模擬EPS表面，作為接觸面。接觸算法采用擴(kuò)展拉格朗日法。詳細(xì)材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of numerical simulation model

(續(xù)表1)

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 EPS墊層厚度對(duì)超前支護(hù)樁的影響

為研究不同厚度EPS墊層材料對(duì)超前支護(hù)樁樁土共同作用的影響，分別在超前支護(hù)樁靠山側(cè)布置0～0.8 m厚，密度為19 kg/m3的聚苯乙烯墊層(EPS19)，進(jìn)行數(shù)值模擬敏感性分析。不同厚度聚苯乙烯(EPS19)墊層下超前支護(hù)樁側(cè)壁土壓力、樁身位移、剪力、彎矩分布曲線見(jiàn)圖2～圖5。

圖2 EPS墊層厚度對(duì)超前支護(hù)樁側(cè)壁土壓力分布的影響Fig.2 Earth pressure on forepoling pile under the influence of EPS cushion thickness

從圖2可以看出，各種情形下土壓力分布曲線形狀比較類(lèi)似，但EPS墊層材料對(duì)土壓力大小有明顯影響，且EPS墊層越厚，土壓力越小，設(shè)置EPS可以有效減小作用在超前支護(hù)樁上的土壓力，減小幅度約在20%～45%之間。

圖3 EPS墊層厚度對(duì)超前支護(hù)樁樁身位移的影響Fig.3 Displacement of forepoling pile under the influence of EPS cushion thickness

從圖3可以看出，各種情形下樁身的位移分布形式一致，即最大位移出現(xiàn)在抗滑樁頂部，土體開(kāi)挖段超前支護(hù)樁位移值至上而下逐漸減小，在埋深3.0 m以下抗滑樁位移值基本為0;超前支護(hù)樁樁身位移隨著EPS墊層厚度的增加而減小;未設(shè)置EPS時(shí)，超前支護(hù)樁最大位移值為35.5 mm，當(dāng)設(shè)置墊層厚度為0.2，0.4，0.6，0.8 m 的 EPS 時(shí)，對(duì)應(yīng)的樁身位移減少到 35.2，31.1，28.0，25.8 mm。

圖4 EPS墊層厚度對(duì)超前支護(hù)樁樁身剪力的影響Fig.4 Shear force of forepoling pile under the influence of EPS cushion thickness

從圖4可見(jiàn)，樁身剪力分布形式基本一致，但超前支護(hù)樁樁身剪力隨著EPS墊層厚度的增加而減小;未設(shè)置EPS墊層時(shí)樁身最大正負(fù)剪力值分別為2 297.0，-3 646.5 kN，當(dāng)墊層厚度為 0.2，0.4，0.6，0.8 m時(shí)其樁身最正剪力值分別為 2 105.0，1 714.1，1 535.3，1 414.2 kN，最大負(fù)剪力值分別為 -2 912.5，-2 666.3，-2 470.5，-2 312.2 kN。設(shè)置墊層后樁身剪力明顯減小，且具有墊層越厚最大剪力越小的趨勢(shì)。

圖5 EPS墊層厚度對(duì)超前支護(hù)樁樁身彎矩的影響Fig.5 Moment of forepoling pile under the influence of EPS cushion thickness

從圖5可見(jiàn)，超前支護(hù)樁樁后不同EPS墊層厚度下，其樁身的彎矩分布形式一致，樁身最大彎矩值在埋深2 m處;超前支護(hù)樁樁身彎矩隨著EPS墊層厚度的增加而減小，最大彎矩值的減小尤為明顯;未設(shè)置EPS墊層時(shí)樁身最大彎矩值為8 974 kN·m，當(dāng)墊層厚度為 0.2，0.4，0.6，0.8 m 時(shí)對(duì)應(yīng)的樁身最大彎矩減少為8 274，7 311，6 600，6 084 kN·m。

綜上可見(jiàn)，設(shè)置一定的EPS墊層可以有效減小樁身所受土壓力、樁身位移、剪力和彎矩，從而體現(xiàn)超前支護(hù)樁的設(shè)計(jì)理念。

2.2 EPS墊層材料類(lèi)型對(duì)超前支護(hù)樁影響

為研究EPS墊層材料類(lèi)型對(duì)超前支護(hù)樁樁土共同作用的影響，在超前支護(hù)樁靠山側(cè)布置0.4 m厚EPS墊層，但選取3種不同密度的聚苯乙烯泡沫，分別為 EPS19、EPS22、EPS29，其材料特性參見(jiàn)表1，進(jìn)行數(shù)值模擬分析。圖6～圖9分別為設(shè)置不同類(lèi)型EPS墊層材料情形下的超前支護(hù)樁樁身位移、剪力、彎矩曲線。

圖6 EPS類(lèi)型對(duì)超前支護(hù)樁樁身土壓力分布的影響Fig.6 Earth pressure on forepoling pile under the influence of EPS cushion type

從圖6土壓力分布曲線可以看出，EPS墊層材料密度對(duì)土壓力大小有明顯影響，EPS材料密度越小，施加在超前支護(hù)樁上的土壓力越小。但均小于無(wú)墊層時(shí)的土壓力。

圖7 EPS類(lèi)型對(duì)超前支護(hù)樁樁身位移的影響Fig.7 Displacement of forepoling pile under the influence of EPS cushion type

從圖7可以看出，超前支護(hù)樁樁身位移隨著EPS墊層密度的增加而增加，但均小于無(wú)墊層情況時(shí)的樁身位移值。

圖8 EPS類(lèi)型對(duì)超前支護(hù)樁樁身剪力的影響Fig.8 Shear force of forepoling pile under the influence of EPS cushion type

從圖8可以看出，超前支護(hù)樁樁身剪力隨著EPS墊層材料密度的減小而減小，但均小于無(wú)墊層情況時(shí)的樁身剪力值。

圖9 EPS類(lèi)型對(duì)超前支護(hù)樁樁身彎矩的影響Fig.9 Moment of forepoling pile under the influence of EPS cushion type

從圖9可以看出，超前支護(hù)樁樁身彎矩隨著EPS墊層密度的增加而增加，但均小于無(wú)墊層情況時(shí)的樁身彎矩值。

綜上可見(jiàn)，采用較低密度的EPS墊層時(shí)，樁身有較小的荷載、位移、彎矩和剪力，也就是說(shuō)在超前支護(hù)樁的設(shè)計(jì)中選用低密度的EPS。

3 結(jié)論

1)在超前支護(hù)樁樁后設(shè)置EPS墊層后，作用在超前支護(hù)樁樁身上的土壓力、樁頂位移、樁身最大剪力、最大彎矩均明顯減少，以土壓力為例，減小幅度達(dá)20%～45%。說(shuō)明在超前支護(hù)樁靠山側(cè)設(shè)置EPS墊層可以有效減小樁身荷載，從而體現(xiàn)既允許邊坡體有限變形，又經(jīng)濟(jì)合理的保證邊坡施工期及長(zhǎng)期穩(wěn)定的超前支護(hù)設(shè)計(jì)理念。

2)EPS墊層厚度對(duì)超前支護(hù)樁樁-ESP-土共同作用有顯著影響，超前支護(hù)樁樁身土壓力、樁頂位移、最大剪力、最大彎矩等均隨EPS墊層厚度的增加而減小。實(shí)際工程中在合理投資范圍內(nèi)可選擇較厚的墊層方案。

3)EPS材料的密度對(duì)超前支護(hù)樁樁-EPS-土共同作用也有顯著影響，超前支護(hù)樁樁身土壓力、樁頂位移、最大剪力以及最大彎矩均隨EPS墊層密度的減小而減小。說(shuō)明實(shí)際工程中選用低密度EPS墊層是較優(yōu)的選擇。而對(duì)于超出本文研究范圍的情形需要在今后的研究中進(jìn)一步探討。

［1］何思明，李新坡.高切坡半隧道超前支護(hù)結(jié)構(gòu)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(增刊2):3827-3832.HE Si-ming，LI Xin-po.Study on pre-reinforced half-tunnel structure in high cut slope［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(supp2):3827-3832.

［2］何思明.高切坡超前支護(hù)樁與坡體共同作用分析［J］.山地學(xué)報(bào)，2006，24(5):574-579.HE Si-ming.Interaction of pre-reinforced pile-soil of high cutting slope［J］.Journal of Mountain Science，2006，24(5):574-579.

［3］何思明，李新坡，王成華.高切坡超前支護(hù)錨桿作用機(jī)制研究［J］.巖土力學(xué)，2007，28(5):1050-1054.HE Si-ming，LI Xin-po，WANG Cheng-hua.Mechanism of interaction between pre-reinforced anchor bolt and rock mass in high cutting slope［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28(5):1050-1054.

［4］畢孝全，喻良明，趙明倫.超前鋼管樁在深基坑支護(hù)中的應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(增刊):1756-1759.BI Xiao-quan，YU Liang-ming，ZHAO Ming-lun.Mechanism of interaction between pre-reinforced anchor bolt and rock mass in high cutting slope［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28(supp):1756-1759.

［5］高洪梅，劉漢龍，劉金元，等.EPS顆粒輕質(zhì)混合土的蠕變模型研究［J］.巖土力學(xué)，2010，31(增刊2):198-205.GAO Hong-mei，LIU Han-long，LIU Jin-yuan，et al.Study on creep properties of expanded polystyrene composite soil［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31(supp2):198-205.

［6］Beinbrech G，Hillmann R.EPS in road construction-current situation in Germany［J］.Geotextiles and Geomembranes，1997，15(1/3):39-57.

［7］Murphy G P.The influence of geofoam creep on the performance of a compressible inclusion［J］.Geotextiles and Geomembranes，1997，15(1/3):121-131.

［8］WANG F，MIAO L.A proposed lightweight fill for embankments using cement-treated Yangtze River sand and expanded polystyrene(EPS)beads［J］.Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2009，68:517-524.

［9］顧安全，呂鎮(zhèn)鋒，姜峰林，等.高填土蓋板涵 EPS板減荷試驗(yàn)及設(shè)計(jì)方法［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31(10):1481-1486.GU An-quan，LV Zhen-feng，JIANG Feng-lin，et al.Load reduction tests and design methods for culverts with high fill soil using EPS slabs［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，31(10):1481-1486.

［10］劉小渝，趙勇，林新.鋼筋砼空心截面抗滑樁的研究［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，25(3):59-64.LIU Xiao-yu，ZHAO Yong，LIN Xin.Study on the hollow anti-sliding piles of reinforced concrete［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2006，25(3):59-64.