樁承式路堤設計參數動力特性參數分析

王俊媛

（朔州高速公路建設管理處，山西 朔州 030700）

樁承式路堤通過土拱效應將路堤荷載轉移至樁上，并由樁身傳遞至地基下臥硬土層，具有工后沉降小、施工周期短、施工質量易控等優點[1-3]。目前，國內外學者對樁承式路堤靜力方面研究較多，主要集中在設計計算理論、力學和變形特性以及工程應用適應性等方面[4-6]。但是，關于樁承式路堤動力學方面的研究較少，代表性研究成果有：劉飛禹基于FLAC3D有限差分法軟件建立了樁承式路堤三維動力模型，對樁承式路堤力學、變形、孔隙水壓力等方面動力響應進行了研究[7]；趙建斌分析了水平地震荷載作用下路堤加速度、動剪應力和路堤變形的動力特性[8]。但是，以上研究均未對樁承式路堤重要設計參數動力特性進行全面深入的探討。基于此，建立了樁承式路堤動力數值模型，對地震荷載下樁承式路堤中樁身模量、樁徑、樁長和路堤填土高度等重要設計參數動力特性進行了敏感性分析。

1 數值建模與結果分析

1.1 數值建模

基于文獻[8]工程實例，根據平面應變假設，采用有限差分軟件FLAC3D建立樁承式路堤動力數值模型（圖1），路堤填料高度為3.5 m，坡比1.17∶1。模型側邊約束水平位移，底邊約束水平和豎向位移。地基分為粉質黏土，根據土性可分為兩層，粉質黏土下部為堅硬巖層。粉質黏土和路堤填土采用理想彈塑性模型，服從摩爾-庫侖破壞準則。樁體采用彈性模型。具體模型參數選取見表1。地震荷載采用El-Centro水平地震波。數值模型中設置兩條監測線，分別位于路堤中心線處和路堤坡腳處。

表1 模型參數選取

圖1 數值計算模型

1.2 數值結果分析

FLAC3D中塑性區的分為兩種破壞機制，即剪切破壞和拉伸破壞。從路堤塑性狀態圖（圖2）可以看到，在El-Centro地震波水平作用10 s后，路堤中沒有明顯正處于破壞狀態的區域，一方面是El-Centro地震波加速度峰值只有0.1g，另一方面也說明樁和格柵的加固效果有效地增強了樁承式加筋路堤的抗震性能。在地震作用過程中，坡腳和路堤填土與路基土體交界面剪切屈服，路堤坡面及路肩處拉伸屈服，坡腳區域剪切屈服和拉伸屈服，說明坡腳是水平地震作用下樁承式加筋路堤的薄弱區域。

圖2 路堤塑性狀態圖

從路堤右坡面水平位移云圖（圖3）來看，水平地震作用下，樁承式加筋路堤最大水平位移發生在坡腳上方0.7 m附近，最大水平位移1.410 6 cm，方向向右，位移較大的區域集中在路堤邊坡的淺層約0.6 m范圍內，表明樁承式加筋路堤在水平El-Centro地震波作用下的震害可能有右坡面的鼓脹破壞。

從路堤右坡面豎向位移云圖（圖4）來看，水平地震作用下，樁承式加筋路堤最大豎向位移發生在坡腳右側1.0 m附近的路基路面處，最大豎向位移值為6.532 0 mm，方向向上，表示此處路面隆起，表明樁承式加筋路堤在水平El-Centro地震波作用下的震害可能有坡腳處路基路面的隆起破壞。從最大水平位移和最大豎向位移上來看，樁承式加筋路堤在水平地震作用下在水平方向和豎直方向都有一定的動力響應，但是水平方向的動力響應要比豎直方向的動力響應明顯。

圖3 路堤右坡面水平位移云圖

圖4 路堤右坡面豎向位移云圖

2 參數分析

2.1 樁身模量

分別對樁身模量為 1 GPa、5 GPa、10 GPa 和20 GPa的樁承式加筋路堤進行了動力分析。從圖5中可以看到，當樁身模量從1 GPa增大到10 GPa時，A點的豎向動位移峰值降低了4%；而從圖6中可以看到，C點的水平位移峰值相比只降低了0.04%，增大樁身模量，豎向加筋效果比水平加筋效果更好。增大樁身模量，在一定范圍內能有效降低路堤路面動位移峰值，但是當樁身模量從10 GPa增大到20 GPa時，對改善樁承式加筋路堤在水平地震荷載作用下的動力特性并不明顯。

圖5 樁身模量對A點豎向動位移峰值的影響

圖6 樁身模量對C點水平動位移峰值的影響

圖7 樁身模量對樁身剪力峰值的影響

在圖7中可以看到，樁身模量從1 GPa增大到5 GPa，樁身剪力會明顯增加，樁身剪力峰值越大的樁，其增加也會越明顯，特別是在峰值最大處的第2根樁和第12根樁，分別增大了12.8%和13.9%；而當樁身模量從5 GPa增大到20 GPa過程中，樁身剪力基本不變。在一定范圍內，樁身模量越大，樁身抗彎剛度越大，樁土模量比也越大，則在水平地震荷載下，樁身承擔更大的水平剪力；但超過這個臨界值后，增大樁身模量，對增大地震作用下樁身承擔的剪力峰值效果不明顯。

2.2 樁徑

分別對樁身半徑為0.25 m、0.3 m、0.4 m和0.5 m的樁承式加筋路堤進行了動力分析。樁徑越大，樁截面積越大，復合地基置換率越大，樁抗彎剛度也越大。圖8為不同樁徑的樁承式加筋路堤右坡面的水平動位移峰值分布曲線，從圖中可知，樁徑越大，路堤右坡面水平動位移峰值越小，但是樁身半徑從0.25 m增加到0.4 m過程中，右坡面水平動位移峰值的降低不明顯；而當樁身半徑增大到0.5 m時，路堤右坡面水平動位移峰值比樁徑為0.25 m時明顯減少，最大值降低了2.7%。

圖8 樁徑對路堤右坡面水平動位移峰值的影響

圖9 樁身半徑對路堤路面豎向動位移峰值的影響

圖9 為不同樁身半徑的樁承式加筋路堤路面豎向動位移分布圖，從圖中可知，樁承式加筋路堤路面的豎向動位移峰值的分布規律是路面中間小，靠著路肩處的兩端大。樁徑越大，路堤路面豎直方向動位移峰值越小，樁身半徑從0.25 m增大到0.4 m時，豎直方向動位移峰值減小但不明顯，在路堤路面中心A點，降低了13.6%；而且樁身半徑增大為0.5 m時，能明顯地減少豎直方向動位移峰值，在路堤路面中心A點，比樁徑為0.25 m時減少了71.2%，有效地降低了路堤豎直方向動位移。對比可知，加大樁徑后，降低豎向的動位移的幅度比降低水平動位移的幅度效果更大。

2.3 樁長

分別對樁長為4 m、5 m、6 m和7 m的樁承式加筋路堤進行了動力分析，上層的粉質黏土層1厚度為4.5 m，4 m的樁未打入下臥粉質黏土層2，5 m、6 m和7 m的樁都打入了下臥硬土層，嵌入深度依次增大。計算結果顯示，樁是否深入下臥硬土層和樁長對水平動位移峰值的影響很微小。

圖10為不同樁長對應的路堤路面中點A點的豎向位移峰值，從圖中可知，樁長從4 m增大到5 m時，A點豎向動位移峰值只減小了3.6%；可以在圖中看到，樁長從6 m增加到7 m，A點豎向動位移峰值會有一個相對更大幅度的降低。樁長為7 m時比樁長為4 m時，豎向動位移峰值減小了22.4%。這說明粉質黏土層2相對粉質黏土層1來說，不能給樁提供明顯更大的樁端阻力，但能提供更大的樁側阻力，因此，只有隨著樁嵌入下臥相對硬土層深度的增加，樁的豎向加筋作用才更顯著，豎向位移峰值也較明顯降低。

圖10 樁長對A點豎向動位移峰值的影響

圖11 為不同樁長下樁承式加筋路堤的豎向最大差異動位移峰值，是路堤路肩兩點的豎向動位移峰值的最大差異值，反應了水平地震作用下路堤路面的運動劇烈程度。從圖中看到，增大樁長，能有效降低豎向最大差異動位移峰值，樁長為7 m時能比樁長為4 m時降低9.6%。

圖11 樁長對路堤豎向最大差異動位移峰值的影響

2.4 路堤填土高度

分別對路堤填土高度為3.5 m、4.5 m、5.5 m和6.5 m的樁承式加筋路堤進行了動力分析。圖12為不同路堤填土高度的樁承式加筋路堤最大剪切應變增量，路堤填土高度越大，坡腳也越大，路堤填土高度越大，路堤的剪切應變增量也越大。則在同樣的加固條件下，路堤填土越高，路堤在地震作用下也越容易破壞。實際中，路堤高度較高的情況下，會設多級平臺，坡腳設置護腳墻，坡面設置護坡骨架，從而保證高路堤邊坡一定的坡面穩定性。

圖13為不同路堤填土高度下監測的路堤中線AB線的水平加速度峰值放大系數曲線，從圖中看到，隨著路堤高度的增加，路堤填土的高度越大，路堤填土對地震波的衰減作用越明顯，水平峰值加速度有減小的趨勢。在保證高路堤的加固條件下，證明高路堤有助于路堤工程的抗震效果，但是這也大大增加了土石方填料的投資，故實際中只有在高烈度設防地區、存在大量棄土的情況下才會采用高路堤來增強路堤的抗震性能。

圖12 路堤填土高度對路堤剪切應變增量最大值的影響

圖13 路堤填土高度對AB監測線上水平加速度峰值放大系數的影響

3 結論

本文建立了樁承式路堤動力數值模型，并對樁承式路堤中樁身模量、樁徑、樁長和路堤填土高度等重要設計參數動力特性進行了敏感性分析。得出如下結論：

a）地震荷載作用下坡腳和路堤填土與路基土體交界面剪切屈服，路堤坡面及路肩處拉伸屈服，坡腳區域剪切屈服和拉伸屈服，說明坡腳是水平地震作用下樁承式加筋路堤的薄弱區域。

b）樁身模量越大，樁身抗彎剛度越大，樁土模量比也越大，則在水平地震荷載下，樁身承擔更大的水平剪力；但超過這個臨界值后，增大樁身模量，對增大地震作用下樁身承擔的剪力峰值效果不明顯。

c）樁徑越大，路堤路面豎直方向動位移峰值越小。增大樁徑后，降低豎向的動位移的幅度比降低水平動位移的幅度效果更大。

d）隨著路堤高度的增加，路堤填土的高度越大，路堤填土對地震波的衰減作用越明顯，水平峰值加速度有減小的趨勢。