王軍軍 吉紀(jì)全

(1.南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇 南京 211156； 2.南京雙高建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 南京 210000)

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樁承式路堤平面土拱等沉面高度影響因素分析

王軍軍1吉紀(jì)全2

(1.南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇 南京 211156； 2.南京雙高建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 南京 210000)

通過(guò)二維數(shù)值模型，模擬了樁承式路堤中土拱效應(yīng)的極限情況，分析了影響等沉面高度的因素，結(jié)果表明樁徑和樁間距的變化是影響等沉面高度變化的最重要的兩個(gè)因素，隨著樁間距的增大或者樁徑的減小，路堤填土中等沉面高度逐漸升高。

樁承式路堤，土拱效應(yīng)，等沉面高度，二維模型

1 概述

在軟土地基處理中，經(jīng)常出現(xiàn)天然地基土承載力不足的情況。此時(shí)，最常用的地基處理方法是在軟土中設(shè)置剛性樁或半剛性樁，使得軟土和樁體成為一個(gè)復(fù)合的整體，也就形成了樁承式路堤。在樁承式路堤中，樁體可以作為支撐的拱腳存在，而樁體和軟土存在較大的彈性模量上的差異導(dǎo)致樁上部土體和樁間的土體會(huì)產(chǎn)生差異沉降，從而形成土拱效應(yīng)[1]。在樁承式路堤中，樁土無(wú)差異沉降所在的水平面即為等沉面。在實(shí)際工程應(yīng)用中，我們并不希望存在較大的差異沉降，因此研究等沉面高度具有重要的工程意義。本文基于有限元軟件ABAQUS來(lái)研究平面土拱效應(yīng)中等沉面高度的影響因素，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 模型建立

2.1 幾何模型

產(chǎn)生土拱效應(yīng)的本質(zhì)原因是樁和樁間土的差異變形所引起的填土中應(yīng)力的重分布[2]。因此，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，在建立二維模型時(shí)剔除剛性樁和樁間土體，直接建立剛性樁上部路堤土體，通過(guò)設(shè)置不同的約束條件來(lái)實(shí)現(xiàn)差異沉降。具體模型如圖1所示。其中，AB段表示樁體的頂部土體，BC段表示剛性樁之間土體的上半部分，AE和CD分別模擬路堤填土兩側(cè)的約束條件。AB為樁徑的一半，AC為模擬樁間距的一半，整個(gè)矩形ACDE為路堤填土。

在模擬過(guò)程中，首先定義二維模型的初始平衡狀態(tài)[3]：首先約束AB和BC這兩段的上部土體的水平和豎直兩個(gè)方向的位移，模擬過(guò)程不考慮邊界條件的變化，因此在模擬前后始終保證側(cè)向邊界AE和CD存在水平方向的約束。對(duì)初始狀態(tài)的整個(gè)土體按照自重應(yīng)力進(jìn)行設(shè)置。自重應(yīng)力的設(shè)置按照水平和豎直兩個(gè)方向上的應(yīng)力分別進(jìn)行設(shè)置。

在完成第一步路堤中填土的初始應(yīng)力狀態(tài)分析步之后，重點(diǎn)在第二步中解除對(duì)樁間土體BC上半段的約束條件，其余約束條件同第一步，用這種改變約束條件的方法來(lái)模擬樁土之間的不均勻沉降。這種模擬情況是將剛性樁體作為剛度無(wú)窮大的一個(gè)約束，并且完全忽略樁間土體對(duì)上部路堤的支撐作用，模擬了產(chǎn)生最大沉降差的情況。

2.2 計(jì)算方案

采用有限元軟件ABAQUS對(duì)樁承式路堤中的土拱效應(yīng)進(jìn)行模擬。路堤填土采用經(jīng)典的摩爾庫(kù)侖模型，填土的泊松比v=0.3，重度γ=20 kN/m3，填土的彈性模量E=20 MPa，內(nèi)粘聚力C取0 kPa,5 kPa,10 kPa,15 kPa,20 kPa，內(nèi)摩擦角φ分別取20°,25°,30°,35°,40°。方形樁體的邊長(zhǎng)取0.5 m，樁間距分別取1.0 m,1.5 m,2.0 m,2.5 m，填土高度取1.0 m～6.0 m。由于在模擬過(guò)程中網(wǎng)格劃分的粗細(xì)對(duì)于模擬結(jié)果影響較大，因此在模擬過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行多次試算后取其中較為合理的網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.3 結(jié)果分析

首先對(duì)計(jì)算模型出來(lái)的結(jié)果進(jìn)行分析，以s=1.5 m,h=6.0,c=0 kPa,φ=30°為例，對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析判定模擬過(guò)程中是否存在土拱效應(yīng)。

圖2給出了AB段(樁上土體)和BC段(樁間土體)豎直方向上的位移情況。從圖中可以看出，在最底端(樁頂面所在的水平面)沉降差最大，隨著填土高度的增加，沉降差逐漸減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一個(gè)高度時(shí)，其沉降差值為0(圖中的位移值相等處)，此時(shí)所在的填土高度平面即為等沉面。通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)填土深度為4.6 m時(shí)，樁間土體和樁上土體的沉降量相差0.78%，可認(rèn)定此處沉降差非常小，即約為0，則此時(shí)的等沉面高度為1.4 m。模擬過(guò)程中，存在沉降差即可表明模擬過(guò)程存在土拱效應(yīng)。

圖3給出了豎向樁頂中心點(diǎn)(A點(diǎn))和樁間土體中心點(diǎn)(C點(diǎn))的豎向應(yīng)力隨樁土相對(duì)位移的變化規(guī)律。從圖中可以看出，當(dāng)將樁間土體的豎向約束去掉后，A點(diǎn)的應(yīng)力逐漸的增大，對(duì)應(yīng)的C點(diǎn)的應(yīng)力逐漸減小，在此過(guò)程中，A點(diǎn)和C點(diǎn)應(yīng)力的平均值為一常數(shù)值，約為120 kPa。也就說(shuō)明A,C兩點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行了相互的轉(zhuǎn)移，即C點(diǎn)的應(yīng)力逐漸向A點(diǎn)發(fā)生了轉(zhuǎn)移，也就說(shuō)明了在此過(guò)程中存在土拱效應(yīng)。

1)填土的內(nèi)粘聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)等沉面高度的影響。選取s=2.5 m,h=6.0 m的路堤填土模型，內(nèi)粘聚力c分別取0 kPa,5 kPa,10 kPa,15 kPa,20 kPa,內(nèi)摩擦角φ分別取20°,25°,30°,35°,40°。

從圖4可以看出，隨著路堤填土中的內(nèi)粘聚力c的變化，填土中等沉面的高度變化浮動(dòng)較??；而隨著路堤填土的內(nèi)摩擦角的增大，填土中的等沉面高度呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)。當(dāng)s=2.5 m,h=6.0 m，其中樁徑a=0.5 m，等沉面高度的變化范圍為1.78 m～2.44 m，約為0.9(s-a)～1.2(s-a)。

2)路堤填土高度對(duì)等沉面高度的影響。等沉面高度指的是無(wú)差異沉降所在的對(duì)應(yīng)平面。當(dāng)路堤填土高度小于等沉面高度時(shí)，路堤中雖然存在土拱效應(yīng)，但是由于沒(méi)有達(dá)到無(wú)差異沉降所在的平面位置，導(dǎo)致形成的土拱是非完整型的，也就是路堤填土較低時(shí)，不存在等沉面。這里主要討論的都是路堤中已經(jīng)形成完整的土拱效應(yīng)之后，填土高度對(duì)于等沉面高度的影響情況。選取樁間距s=1.5 m,c=0 kPa,φ=30°，填土高度h分別取3.0 m,4.0 m,5.0 m,6.0 m。

圖5給出了不同填土高度時(shí)樁土相對(duì)位移的變化規(guī)律。從圖中可以看出，路堤填土底部的差異沉降最大，而隨著路堤填土高度的增加，差異沉降逐步減小，最終沒(méi)有差異沉降合并為一條直線。圖中所示的合并為一條直線所在的點(diǎn)的高度即為等沉面高

度。從圖中可以看出合并點(diǎn)近似在一條水平線上，說(shuō)明了填土高度對(duì)等沉面高度影響較小。這是因?yàn)楫?dāng)路堤中形成完整的土拱以后，后加的荷載只能對(duì)整個(gè)路堤有相應(yīng)的壓實(shí)作用，也就是對(duì)于樁上土體和樁間土體的作用相同，等沉面高度不受上部多余荷載的影響。

3)樁體直徑和樁間距之比對(duì)等沉面高度的影響。為了保證形成完整土拱，控制填土高度為6.0 m，樁體直徑和樁間距之比為1∶2，1∶3，1∶4，1∶5，分析不同樁體直徑和樁間距之比情況下等沉面高度的變化情況。

圖6給出了樁間距與樁徑之比對(duì)等沉面高度的影響趨勢(shì)。從圖中可以看出，隨著樁間距的增大或者是樁徑的減小，路堤填土中等沉面的高度逐漸上升，這是因?yàn)闃堕g距的增大或者樁徑的減小，對(duì)于樁體來(lái)說(shuō)，單位截面上所需要承受的壓力越大，也就是需要發(fā)生更多的應(yīng)力轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，那么達(dá)到無(wú)差異沉降所在的截面位置也就越高。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可知：

1)填土性質(zhì)中c對(duì)等沉面高度影響較小，而內(nèi)摩擦角對(duì)等沉面高度影響較大；內(nèi)摩擦角增大，等沉面高度上升。

2)對(duì)于已經(jīng)形成完整土拱的路堤，當(dāng)路堤填土高度繼續(xù)增加時(shí)，等沉面高度變化較小。

3)樁徑和樁間距的變化是影響等沉面高度變化的最重要的兩個(gè)因素。隨著樁間距的增大或者樁徑的減小，路堤填土中等沉面高度逐漸升高。因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)采用嚴(yán)格控制并縮小樁間距與樁徑之比的方法來(lái)降低等沉面的高度，從而更好的控制樁承式路堤的不均勻沉降。

[1] K Terzaghi.Theoretical soil mechanics[M].Dr Stephen G,1943.

[2] 賈海莉,王成華,李江洪.關(guān)于土拱效應(yīng)的幾個(gè)問(wèn)題[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2003(15):398-402.

[3] 王軍軍.樁承式路堤中土拱效應(yīng)分析[D].揚(yáng)州:揚(yáng)州大學(xué)，2012.

On influential factors of settlement section height of piled embankment plane soil arch

Wang Junjun1Ji Jiquan2

(1.JinchengCollege,NanjingUniversityofAeronausticsandAstronautics,Nanjing211156,China；2.NanjingShuanggaoArchitecturalDesignCo.,Ltd,Nanjing210000,China)

The paper simulates the maximum effect of the soil arch in the piled embankment by the two-dimension numeric value, analyzes the factors affecting the settlement section height, proves by the result the changes of the pile diameters and pile distance are the main factors for the changes of the settlement section height, and indicates the height of the refilled soil of the embankment is gradually rising along with the increasing pile distance or the decreasing pile diameter.

piled embankment, soil arch effect, equal settlement section height, two-dimension model

1009-6825(2016)22-0069-02

2016-05-31

王軍軍(1986- )，男，碩士，講師； 吉紀(jì)全(1985- )，男，碩士，工程師

TU473

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