白 皓，蘇 謙，胡國璽，徐海銘，王武斌

(1.四川高速公路建設開發(fā)總公司工程建設部，四川成都 610041;2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都 610031;3.西南交通大學道路工程四川省重點實驗室，四川成都 610031)

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，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)支擋結構已經(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構形式也在完善已有措施的基礎上向結構化、組合化、輕型化和經(jīng)濟性、環(huán)保性方向發(fā)展[2-4]，椅式樁板結構就是在這一背景下提出的一種新型組合式抗滑支擋結構[5]。

鐵路行業(yè)早在上世紀70年代開始應用組合式抗滑支擋結構[6-7]，但是由于其理論研究遠遠落后于工程應用，故在路基支擋的領域未能進一步發(fā)展。然而其極強的抗變形能力，又促使其廣泛應用于深基坑支護工程[8]和滑坡治理工程中。椅式樁板結構由椅式樁(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構[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。由于結構形式的變化，導致其結構受力同其他支擋結構具有較大的差異，對相應的結構—土體相互作用及其對設計參數(shù)的要求、結構形式等的認識還不充分，不能滿足工程設計需要;參考類似結構的研究成果進行設計往往是達不到預想效果或性價比嚴重低下。因此，本文對椅式樁板結構的受力特性進行數(shù)值計算分析，并與理論計算結果進行驗證對比，為山區(qū)路基支擋結構設計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右側陡坡地段，路堤邊坡采用椅式樁板結構進行支擋(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，橫梁下側與樁基連接處設置斜率為1∶3的倒角，以降低應力集中的現(xiàn)象。擋土板和承載板也采用C35混凝土預制。本文選取DK935+971.575斷面進行建模計算，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行均布，路基面豎向荷載取35.2 kPa。

圖1 椅式樁板結構外觀

坡體表層局部上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積粉質黏土(Qdl+el4)和坡洪積松軟土(Qdl+pl4)，下伏侏羅系中統(tǒng)新田溝組(J2x)強風化和弱風化泥巖夾砂巖、頁巖。粉質黏土為褐紅、褐黃色，硬塑，含少量的砂巖、泥巖質碎石及角礫，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，質純，呈透鏡狀分布于溝心附近，厚2～6 m。強風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，質軟，手可掰碎，浸水后迅速崩解，厚2～5 m，局部風化差異較大;頁巖為灰色、灰褐色，薄層～片狀構造，性脆，巖芯呈碎塊狀、角礫狀。弱風化巖層中泥巖夾砂巖為紫紅色、棕紅色，中厚層狀構造，節(jié)理較發(fā)育，質軟;頁巖為灰色、灰褐色，薄層～片狀構造，性脆，節(jié)理較發(fā)育。

2 數(shù)值計算模型及參數(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方向寬度為12 m的三維有限元模型。椅式樁板結構采用實體單元模擬，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，填料也采用實體單元模擬，并服從Mohr-Coulomb準則，下部巖體采用線彈性模型，主要按六面體單元進行離散。邊界條件設置時，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。計算模型共離散成24 363個單元(如圖2所示)。數(shù)值仿真計算各參數(shù)取值如表1所示。

圖2 椅式樁板結構數(shù)值仿真模型

表1 仿真模型參數(shù)取值

3 計算結果分析

3.1 結構內力分析

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力調節(jié)功能，結構內力均較小，內力極值在樁梁交接處、巖體表面處出現(xiàn)反彎點或規(guī)律變化點。椅式樁結構內力分布如圖3所示。

計算結果表明，椅式樁的彎矩和軸力數(shù)值計算結果與理論計算結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位置有所不同，數(shù)值計算極值點高程偏高，主要原因在于:①假定理論模型時錨固點選擇與荷載簡化上存在差異;②數(shù)值仿真中，結構巖土體相互作用并非垂直于結構表面，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，從而又影響樁基內力與變形，樁基長細比越大影響越明顯。另外，椅式樁在樁梁交接處荷載響應較大，構件較弱時會出現(xiàn)塑性鉸，使結構喪失使用能力。

3.2 結構變形分析

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。

椅式樁主副樁側向變形主要發(fā)生在基巖錨固點以上部分，數(shù)量級為毫米級。主副樁基側向變形模式基本一致，在固接段兩樁側向變形相差僅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)，橫梁應作為彎拉構件進行設計計算。

圖3 椅式樁結構內力分布

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效果的基礎上，此類組合式支擋結構能夠保證無砟軌道對路基面變形控制的要求。副樁后側懸臂空間若采用素混凝土進行填充，可進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構較強的橫向抗變形能力。

3.3 結構—土體相互作用分析

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

圖5 結構—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，兩側和后側較大、中間和前側較小;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。

3.4 巖體參數(shù)影響分析

本模型中計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)對結構變形和樁—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行變參數(shù)計算，巖體參數(shù)如表2所示，計算結果如圖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，結構總變形逐漸趨于穩(wěn)定。當彈性模量＞20 GPa時，椅式樁自身變形就占絕對變形的90%以上，此時可不考慮巖體參數(shù)對結構變形的影響。

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。對比計算結果可知巖體參數(shù)對樁基—巖體相互作用的影響以椅式樁外側最大、椅式樁內側次之、椅式樁樁間最小，最大巖石壓力出現(xiàn)于主樁外側坡面處，彈性模量為100 GPa時達到0.96 MPa，但仍遠小于巖石橫向容許承載力;主副樁樁間、副樁內側的巖石壓力大小相當，按線彈性材料進行考慮的假設是合理的。主樁外側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側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，主副樁內側巖石壓力逐漸增大，副樁外側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散與傳遞。

4 結論

1)椅式樁內力的數(shù)值計算結果與理論值吻合良好，并且計算結果顯示樁梁交接處荷載響應較大，構件較弱時會形成塑性鉸使結構喪失使用能力。

2)巖質邊坡椅式樁板結構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，結構設計時需按彎拉構件考慮。

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。

4)椅式樁橫向變形由巖體與椅式樁自身兩部分組成，當彈性模量＞20 GPa時可不考慮巖體參數(shù)對結構變形的影響;樁側巖石壓力值大小相當，遠小于巖石橫向容許承載力，計算時可按線彈性進行假設。

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