土质边坡板椅式桩板挡墙工作机理数值计算分析.docx

DOI: 10 13379 / j issn 1003-8825 2014 05 06土质边坡板椅式桩板挡墙工作机理数值计算分析皓1 ，苏谦2 ，蔡汶呈1 ，刘源1 ，陈晓波3白( 1. 四川高速公路建设开发总公司工程建设部，成都610041;2. 西南交通大学土木工程学院，成都610031;3. 成都大西南铁路监理有限公司，成都610031)摘要: 板椅式桩板挡墙是深厚斜坡软土地段路基边坡的一种新型支挡结构，亟需对其工作机理进行深入分析。运用 ABAQUS 有限元软件，建立了板椅式桩板挡墙的三维数值模型，对结构的内 力变形、岩土体作用及主要影响因素进行了分析。结果表明: 内力极值出现于桩梁交接处与岩土交 界面附近，横梁需作为特殊构件设计; 现有土压力分布假定基本能满足结构计算要求; 覆土模量大 于 100 MPa 或基岩模量大于 10 GPa 时，可不计岩土体参数对结构内力变形的影响; 副桩布设于主桩 内侧可有效降低椅式桩内力、转换桩基拉压属性，桩梁刚度比需控制在 1 3 范围内。关键词: 土质边坡; 板椅式桩板挡墙; 工作机理; 数值计算中图分类号:U416. 1 + 4文献标志码:文章编号:1003 8825( 2014) 05 0025 05A引言西南山区 修 筑 公 路、铁 路，尤其是高速公路、 高速铁路，由于地 质、地貌条件的制约，陡 坡 路 基 支挡工程十分普遍，通常采用桩基托梁、桩板墙结 构进行支挡1 3。由于陡坡路基设置的下部支挡结 构中桩基悬臂较长、截面较大时，锚固桩才能有效 控制路基的水平变形，以满足路面或轨道 结 构 要臂结构的存在和工程特性的差异性，其工作机理有明显的不同。因此，如果参考类似结构的设计方法 进行设计，将达不到预想效 果或性价比严重低下。 为此，本文以某铁路车站高路堤板椅式桩板挡墙为 原型，建立数个三维数值仿真模型，深入研究板椅 式桩板挡墙的受力变形特性及关键参数的影响规律， 并与理论计算结果进行对比分析。0求4;当陡坡表层存在较厚土层时，其稳定性问题和变形问题尤为突出5 7，一方面桩基受荷段更长、荷载更大，另一方面土层地基不处理时，沉降量较 大，如进行复合地基处理或挖除换填，则施工较为 困难，且路基面会出现极不均匀的横向沉降。为此， 根据深厚土质斜坡的工程特点，提出了板椅式桩板 挡墙这种新型组合式抗滑支挡结构8，9，主要综合了 悬臂式桩板墙和双排抗滑桩的特性，兼有阻滑和支 挡双重功能的新型支挡结构，其由椅式桩、承载板 和挡土板三部分组成8，9。板椅式桩板挡墙，常布设于路堤边坡或路堑边 坡处，与深基坑双 排 桩、双排抗滑桩相比，由 于 悬工程概况某铁路货 场 高路堤路段左侧路基高填方工点， 填方高度为 15 17 m，为左低右高的陡坡路基。地 面横坡约为 1 2。由于左侧地面横坡较陡、覆土较 厚，直接填方 高 度 很 高，填筑后易形成工程滑坡。 因此，采用板椅式桩板挡墙进行支挡。段内属低山区构造剥蚀地貌，沟 谷 斜 坡 地 形，地形起伏较大，相对高差达 70 m，自然坡度一般为15 20，局部达 25。段内上覆 4 1 1 第四1系全新统坡残积( Qdl + el ) 层粉质黏土，为褐黄色、灰4黄色，硬塑状，局部溶槽中为软塑; 厚 5 19 m 不等，局部达 20 m 以上。下伏 13 1 W2 基岩为 二叠系下 统 茅 口 组 ( P1 m ) 灰 岩，为 灰 色、深 灰 色，矿物成分以方解石为主，中 厚层状构造，强风化带节理裂隙发育，层理较发育，岩体破碎，厚 1. 0 1. 5 m; 弱风化带节理裂隙较发育，岩芯完整，裂面收稿日期:基金项目:2014 01 07西南交通大学道路工程四川省重点实验室开放研究基金 课题 ( LHTE007201107)白 皓 ( 1984 ) ，男，四川广元人。工程师，博士，主 要研究方向为土工设计理论与动力学。E-mail: swjtu136 163. com。作者简介:路 基 工 程Subgrade Engineering2014 年第 5 期 ( 总第 176 期)26见少量钙质及泥质充填物，溶蚀作用发育。基岩面横坡与地面横坡大致相同。选取典型断面进行分析，主桩与副桩的截面尺 寸均为 2. 25 m 3. 25 m，主桩桩长为 46. 5 m，副桩 桩长为 34. 0 m，嵌入基岩 14. 0 m; 横梁截面尺寸为2. 25 m 3. 00 m，横梁长 6. 0 m，采用 C30 混凝土浇 筑。延线路纵向的中心桩间距为 6. 00 m，延线路横 向的中心桩间距为 9. 25 m、净间距 6. 00 m; 副桩桩 顶距主桩桩顶 13. 0 m。列车荷载作用按换算土柱法 进行均布考虑，土柱高度取 3. 4 m。形; 忽略坡体纵坡的影响，沿纵向取两跨结构进行计算; 忽略坡体局部地形的影响; 忽略岩体 节理和岩溶的影响。运用 ABAQUS 软件建立三维有 限元计算 模 型，延 线 路 里 程 取 Y 向 模 型 计 算 范 围， 建立原始边坡模型 X 方向长为 117. 1 m，Y 方向高度 为 66. 8 m，Z 方向宽度为 12. 0 m。板椅式桩板挡墙 采用实体单元模拟，桩基与横梁刚性连接，挡土板、 承载板与椅式桩搭接; 岩土体也采用实体单元模拟， 其中填料与土质坡体服 从 Mohr Coulomb 准 则，下 部岩体采用线弹性模型，均按六面体单元进行离散。 边界条件设置时，模型横向断面和纵断面上 X，Y 方 向约束法向位移，底部约束 X，Y，Z 方向位移。计 算模型共离散了 21 929 个单元，计算模型见图 1，参 数取值见表 1。2数值计算模型及参数选取以典型断面为基准，本文建立的静力有限元模 型假设条件为: 忽略距结构 50 m 处坡体的横向变图 1 板椅式桩板挡墙数值计算模型表 1 计算模型参数取值材料类别弹性模量 E / GPa泊松比 基本承载力 0 / kPa天然容重 / ( kNm 3 )黏聚力 c / kPa内摩擦角 / ( )人工填土0. 0150. 30150182525粉质黏土0. 0200. 30150191518灰岩21. 0000. 204002220040C30 混凝土30. 0000. 2025力以受压为正，弯矩作用在左侧面上使截开部分逆时针方向转动，或者作用在右侧面上使截开部分顺 时针方向转动者均为正。由图 2 可知，椅式桩弯矩和轴力的数值计算结 果与理论结果有相似的分布规律，理论值总体上略 大于数值值。然而，椅式桩的部分弯矩极值点位置 有所不同，主副桩的弯矩数值差异较小; 主副桩轴 力则相差 较 大，副 桩 轴 力 甚 至出现拉压属性转变， 这是由于设计计算时，不利荷载均乘了重要性系数、 附加安全系数和荷载分项系数; 结构简化时，主动 力和被动力均存在简化误差，造成两者模型在荷载 大小和分布上出现不同点，但这些差异对于桩基设 计来说，是偏 于 安 全 的; 横梁的内力则刚好相反，3计算结果分析3. 1结构内力分析在外部荷载作用下，由于边坡覆土的土性强度 较差，板椅式桩板挡墙与土质坡体均发生一定的横 向变形，并且坡体内部出现潜在危险滑面。相对单 排抗滑支挡结构来说，上部荷载一方面使结构发生 横向变形，另一方面又造成坡体内部增加了较大的 附加应力并挤压椅式桩，结构内力主要由填料自重、 列车荷载的侧推效应和坡体挤推、回弹效应两者联 合作用产生。由于椅式桩刚度较大，其结构变形往 往较小，弯矩、轴力在桩梁交接处、岩 土 交 界 面 处 出现反弯点或规律性变化点。内 力 分 布 见 图 2，轴白 皓，等: 土质边坡板椅式桩板挡墙工作机理数值计算分析27轴力吻合良好、弯矩相差较大，理论值较数值计算结果偏大，这些偏 差，对于横梁设计来说，也 是 偏 于安全的。从结构内力分布规律来看，主桩在桩梁交接处 和土层中部出现弯矩反弯点，副桩弯矩极值出现于 桩梁交接处和岩土体交界面，横梁的设置一方面大 大减小主 桩 悬 臂 长 度，另 一 方面使主桩弯矩减小、 轴力增大，改善了桩的内力大小与分布状态。横梁 弯矩极值出现横梁两端，其连接主副桩、协调椅式 桩内力分布，是整个结构中内力较大的构件。图 3 椅式桩结构水平位移分布2. 55 cm，由基岩锚固段、横梁以下的受荷段以及悬臂段三部分变形占主桩桩顶水平位移的比例分别为5 % 、70 % 和 25 % 。主副桩受荷段侧向变形模式基 本一致，仅存在毫米级的变形差，其极大值出现于 副桩桩顶以下 11 m 处。椅式桩通过横梁有效地调整 了结构内力、降低了主桩变形，体现了主副桩良好 的协同工作机制。横梁受力变形情况较为复杂，两 端发生 0. 24 mm 的位移差，而出现了拉伸、挠曲和 旋转 3 种变形模式，因此横梁应作为特殊构件进行 设计计算。3. 3结构 岩土体相互作用分析板椅式桩板挡墙与岩土体之间的相互作用，主要包括上部填料与列车荷载作用、边坡内侧椅式桩上边( 滑) 坡体压力、边坡外侧椅式桩上边( 滑) 坡体 抗力和椅式桩桩间岩土体压力 4 部分。板椅式桩板挡墙与岩土体相互作用的分布情况，见图 4。由图 4 可知: 数值计算的合力大小与理论值较 为接近，但其作用点偏下，距桩顶约 0. 75 h( h 为悬臂长度) ，说明理论计算方法中选用主动土压力计算填料的作用、选用弹性理论考虑列车荷载作用的方 法是安全合理的。椅式桩下部内侧承受的岩土体压 力沿副桩桩身呈现上下小、中间大的抛物线形，这 与公认的滑坡推力分布形式相同。为了简化计算方 法，可将其推力简化为矩形分布。椅式桩桩间土内 外侧土压力大小，除下部稍有差异外，其余部位基本图 2 椅式桩结构内力分布3. 2结构变形分析土质边坡上板椅式桩板挡墙主要起到支挡填料、 维持线型和控制变形的作用，以保证上部列车或车 辆正常运行。因此，其结构变形模式与大小是新结 构开发成功与否的关键指标。土质边坡上椅式桩变 形主要是由岩土体变形和椅式桩自身变形引起 的， 而且此两者之间又存在着相互影响。正常运营荷载 作用下椅式桩变形，见图 3。由图 3 可知: 椅式桩主副桩侧向变形主要发生 在基岩面以上的部分，数量级达到厘米级; 主桩桩顶水平位移为 3. 23 cm，副桩桩顶高程处水平位移为路 基 工 程Subgrade Engineering2014 年第 5 期 ( 总第 176 期)28由图 5 可知: 随着桩梁刚度比的增 大，主 副 桩最大弯矩与桩顶水平位移均逐渐增大，横梁最大弯 矩逐渐减小，但变化趋势均逐渐减缓。横梁相对刚 度越小其内力分担效果越差，达不到主副桩协同工 作的效果，说明桩梁刚度比降低可改变主副桩的内 力状态。由变化率可知当刚度比达到 3 以上时，横 梁对主副桩内力改善作用极为有限。横梁刚度的增 大，会导致其弯矩增加，由于横梁属于大偏心受拉 或受压构件，弯矩过大会使裂缝宽度验算难以通过， 不易保证其 耐 久 性。综 上 可 知，桩梁刚度比减小， 可在一定程度上改善椅式桩受力及变形性状，但同 时又会恶化横梁的内力状态，因此桩梁刚度比过大 或过小都不合适，建议设计时，桩梁刚度比应根据 工点实际情况，在 1 3 范围内进行选取。3. 5岩土体强度参数影响性分析由于板椅式桩板挡墙桩土相互作用中较为强烈图 4 椅式桩结构内力分布的是桩 土及桩 岩相互作用，一般来说土体泊松比变化对结构内力及变形特性影响较小，因此仅研 究土体及基岩弹性模量的变化的影响。覆土弹性模 量分别取 20，40，80，160 MPa，基岩弹性模量分别一致，且总体略小于静止土压力。这是因为椅式桩下部刚度较大，整体侧向变形较小，且主副桩基变 形值基本相等，使得桩间土压缩量极小。取 2， 5， 10， 21， 40 GPa。 计 算 结 果， 见 图图 7。3. 4桩梁刚度比影响性分析横梁与桩基的相对刚度对结构内力重分布和变6、形规律调节影响较大，对横梁自身的内力变形特征也起着决定性作用，应寻求一个适宜的横梁刚度来 兼顾板椅式桩板挡墙的受力状态和经济性。确定横梁基本 刚 度 EI 为 1. 83 108 kN m2 ，桩 基 刚 度 为2. 9 108 kNm2 ( 保持不变) ，分别变换横梁刚度为0. 25，0. 5，1，2，4 EI，对应的桩梁刚度比分别为 6. 4，3. 2，1. 6，0. 8，0. 4。 通 过 主 桩 桩 顶 位 移 极 值、椅式桩各构件弯矩极值及其极值变化率来分析 桩梁刚度比的影响性，计算结果，见图 5。图 6 不同土质参数下结构内力变形变化规律图 7 不同岩质参数下结构内力变形变化规律由图 6 可知: 当覆土弹性模量增大 时，桩 顶 位移最大值 大 大 减 小，但当覆土弹性模 量 增 大 到 100MPa 后，增减趋于平缓，说明覆土弹性模量大小是 变形变化的关键参数。原因主要是当覆土弹性模量 增大时，覆土承担的外部荷载比例同时增大，结构 上承担的相对减小，导致结构变形减小。随着基岩 弹性模量的增大，桩顶水平位移均随着基岩模量的 增大而减小。图 5 不同桩梁刚度比时椅式桩结构内力变形变化白 皓，等: 土质边坡板椅式桩板挡墙工作机理数值计算分析29由图 7 可知: 当基岩的弹性模量增大到 10 GPa后，位移变化趋势已较为平缓，主要是由于当基岩 弹性模量增大时，在发生相同变形的情况下，基岩 可以提供更大的锚固力。3. 6椅式桩布置形式影响性分析 由于两种结构型式均为超静定结构，结构变形对结构内力与路基面变形影响较大，因此结构变形显得 尤为重要。现针对两种结构型式在相同工况下的主副 桩水平位移进行对比分析，其计算结果，见图 8。4结论本文基于数值计算方法与计算结果，论述了土质边坡地段板椅式桩板挡墙的受力变形机理及其影响因素，得到以下主要结论:( 1) 椅式桩的内力数值计算结果与理论值分布 规律较为相似，桩梁交接处荷载响应较大，会形成 塑性铰使结构丧失使用能力; 横梁发生了拉伸、挠 曲和旋转变形。结构设计时，需进行重点考虑。( 2)副桩内侧直接承担了 40 % 的推力，其竖向分布形式近似呈矩形，沿线路纵向呈正弦分布形态;主桩外侧抗力呈 “上部矩形、下部抛物线形”，可用 弹性抗力系数折减为原值的 1 /3 或被动土压力系数折 减为原值的 1 /5 的方法模拟土体抗力，现有类似结构 的土压力分布假定，基本能满足结构计算要求。( 3) 边坡覆土层弹性模量大于 100 MPa 或基岩 弹性模量大于 10 GPa 时，土性或岩性参数对结构变 形的影响程度逐渐减弱。( 4)桩梁刚度比减小，可在一定程度上改善椅式桩受力 及 变 形 性 状，但 同 时又会增大横梁内力。因此，建议设计时，桩梁刚度比应根据工点实际情 况在 1 3 范围内进行选取。( 5) 副桩设置位置，一方面对椅式桩主桩轴力的 拉压属性影响较大，另一方面还需综合考虑主桩位于 下滑段或抗滑段时所受推力的影响，其主要是对主副 桩受荷段和锚固段的变形量占有比例较大的影响。图 8 椅式桩结构内力分布由图 8 可知: 当副桩布设于不同位 置 时，椅 式桩总体变形模式基本一致，主桩桩顶水平位移极值 也基本一致，相差值不到 5 % 。然而，其对椅式桩构件不同区段的变形影响较大; 对于主桩而言，副 桩位于内侧和外侧时悬臂段、受荷段和锚固段 3 个区段发生的水平位移，占桩顶总位移的比例分别为23 % ，54 % ，23 % 和 24 % ，72 % ，4 % ; 对于副 桩而言，受荷段和锚固段两个区段发生的水平位移，占桩顶总位移的比例分别为 77 % ，23 % 和 94 % ，6 % ，这说明副桩 布 设 位 置，对横梁以下主副桩区 段的变形比例，存在较大的调节作用; 也说明边坡土层中，副桩位于 外 侧 时，主 桩 变 形 偏 大，相 应 引 起路基面变形也会较大，结构型式差异引起的变形差异，主要聚集于边坡土层中的桩基区段。对于同 一椅式桩的主副桩变形差来 看，副桩位于外侧时，此变形差较小，证明副桩布设于内侧时，主副桩协调变形性能更好发挥。参考文献:1 罗照新 预应力锚索桩基托梁挡土墙在陡坡路堤中的应用 J 路基 工程，2002 ( 4) : 10 142 邹建 锚索桩 基 托 梁挡土墙在渝怀线的应用 J 路 基 工 程，2003( S) : 54 573 龚熙维 桩基托梁和桩板墙复合结构在坍岸路基中的应用 J 路基 工程，2012 ( 5) : 141 1444 罗裕明 浅析新型支挡结构在铁路运营线中的应用优势 J 路基工 程，2005 ( 5) : 90 915 罗卫华 山区高速公路陡坡上路基稳定性分析方法与治理对策 J中南公路工程，2005，30 ( 2) : 40 446 龙森，胡兴尧，刘宏力 陡坡高路堤的设计方法探讨 J 山西建筑，2010，36 ( 5) : 266 2687 郑治，曾忠 西部地区高填方路堤沉降病害调查与分析 J 公 路 交 通科技，2005，22 ( 9) : 107 1108 白皓，苏谦，郑键斌，等 岩质陡坡椅型桩板结构路基设 计 计 算 方 法 与分析 J 铁道建筑，2013 ( 1) : 56 589 胡会星 斜坡地段板椅式新型支挡结构受力机理与设计计算 D 成 都: 西南交通大学，2013( 下转第 39 页)吕擎峰，等: 兰渝铁路盖家阴山滑坡稳定系数水敏性分析39Water Sensitivity Analysis for Stability Coefficient of Gaijiayinshan Landslidealong Lanzhou-Chongqing ailwayLYU Qingfeng1 ，SHAO Jin1 ，ZHAO Yanxu2( 1. Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China;2. The 21st Bureau of China ailway Construction Corporation Limited，Lanzhou 730000，China)Abstract: Taking Gaijiayinshan Landslide along Lanzhou-Chongqing ailway as an example，large-scale directshear test on sliding soil was conducted，in relation to which the law ofthe c， values ofthe sliding soilchanging with the water content was discussed; then the analysis on the sensitivity of landslide stabilitycoefficient to the strength parameters，i. e. c， values，and the variation of groundwater level was carried outby transfer coefficient method The results show that，as the water content increases，the internal friction angle presents linear decrease substantially and the cohesion force c has a feature of increasing first and decreasinggradually then; the stability coefficient is lowered by 0. 01 0. 02 once when the sliding soils cohesion force cdecreases by 1 kPa，or lowered by 0. 07 0. 09 once when the internal friction angle decreases by 1;on thecondition of precipitation and earthquake，when the water level variation factor is more than 0. 53，thelandslide will present creeping deformation，even instable sliding，thus required to be controlledKey words: Gaijiayinshan Landslide; stability coefficient; cohesion force; internal friction angle; groundwater;sensitivity; control measures檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿( 上接第 29 页)Analysis on Working Mechanism of Board-chair Sheet Pile etaining Wall at Soil Slopeby Numerical CalculationBAI Hao1 ，SU Qian2 ，CAI Wencheng1 ，LIU Yuan1 ，CHEN Xiaobo3( 1. Engineering Construction Department，Sichuan Expressway Construction Development Corporation，Chengdu 610041，China; 2. School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China; 3. Chengdu Southwestailway Supervision Co. ，Ltd. ，Chengdu 610031，China)Abstract: Board-chair sheet pile retaining wall is a new retaining structure used in soft soil section of deepslope for subgrade，and in-depth analysis on its working mechanism is required increasingly With ABAQUSfinite element software，a three-dimensional numerical model for this retaining wall was est