樁網結構路基格柵側限作用以及格柵拉力研究

李國峰 （安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，安徽 合肥 230088）

1 引言

樁網結構路基在高速鐵路、高速公路的建設中得到了廣泛的運用。其主要結構形式包括路基本體、加筋墊層、帶有擴大樁帽的加固樁。其中加筋墊層中所布置的土工格柵對樁網結構路基的服役性能影響較大。土工格柵拉力是影響土工格柵加筋作用的關鍵因素，目前許多規范計算方法將格柵拉力的組成分成兩個部分[1]：樁間格柵上部荷載以及路堤橫向滑移引起的格柵拉力。然而格柵對樁身側向變形具有很好的側限作用，樁身的側向變形勢必會進一步增加格柵的拉力，對這一部分的研究還是缺乏。

許多學者通過模型試驗、數值分析等方式對格柵的受力特征以及格柵的加筋作用展開了研究。目前對于格柵拉力的分布還存在歧義，對格柵拉力的分布需要進一步研究[2-5]。同時目前研究并沒有考慮到樁網結構的相互作用。

考慮到樁網結構受力機理的復雜性，本文利用Plaxis 2D建立了樁網結構路基有限元模型，對樁網結構相互作用展開了研究。研究的對象主要是土工格柵拉力的分布以及樁網結構路基樁身側向變形的分布特征，并且分析了格柵拉力以及樁身側向變形的相互影響規律。

2 計算模型

圖1 樁網結構路基計算模型

如圖1，考慮到路基結構的對稱性，取路基結構的一般進行分析。為了消除邊界的影響，模型的計算寬度為80m，計算寬度為40m；路基上部寬度為6m，下部寬度為14.1m，路基的填筑高度為5.4m，墊層的厚度為0.6m，坡高比為1.5∶1；樁間距為1.8m，樁直徑為0.5m；模型底部設置了橫向以及豎向的約束，模型兩側設置了橫向約束，不做豎向約束。路基填筑拱分五層進行填筑，每層的填筑厚度為0.9m。

樁身采用線彈性模型，其彈性模量為20GPa，泊松比為1.2；地基土及路基填料均采用彈塑性模型，并且服從摩爾庫倫準則，填料的天然密度為20.4，飽和密度為20.8，滲透系數為1.89E-4cm/s，彈性模量為35 MPa，泊松比為0.3，有效粘聚力為30kPa，有效內摩擦角為27°，地基土的天然密度為18.4，飽和密度為19.2，滲透系數為4.2E-6 cm/s，彈性模量為3.8 MPa，泊松比為0.36，有效粘聚力為4 kPa，有效內摩擦角為19.3°；土工格柵采用線彈性模型，格柵的剛度取500 kN/m，1000 kN/m，1500 kN/m三種工況進行計算；通過數值樁土之間的界面單元來模擬樁土相互作用，該界面單元的虛擬厚度為零，采用彈塑性模型進行模擬，并且服從摩爾庫倫準則，界面的強度參數通過地基土的性質以及強度折減系數得到，本文取強度折減系數為0.7。

為研究樁土相互多用對格柵拉力以及樁身側向位移之間的相互影響規律，以及格柵剛度對樁身側向變形的影響規律，共計算了兩種工況：工況一，樁身側向變形不固定，分別計算了格柵剛度為0，500 kN/m，1000 kN/m，1500 kN/m，2000 kN/m共5種情況；工況二，樁身側向變形固定，格柵剛度為500 kN/m。

3 結果分析

3.1 土工格柵拉力分布特征

圖2為工況一格柵剛度為500 kN/m時，路基填筑過程中不同路基填筑高度時所對應的格柵拉力橫向分布圖。從圖中可以看到，隨著路基填筑高度的增大，不同位置處的格柵拉力均有所增大。格柵拉力最大處發生在路基中心處，并且沿路基斜坡方向逐漸減小。同時還可以發現，對于單樁范圍內的土工格柵，格柵拉力發生在樁帽中心上方。圖3為樁帽中心、樁帽邊緣以及樁間中心上方處的格柵拉力隨路基填筑高度變化圖，從圖中可以看到，樁帽中心處的格柵拉力增長最快，樁帽邊緣處的格柵拉力增長其次，而樁間中心處的格柵拉力增長最慢。許多學者對單樁范圍內的格柵拉力分布特征進行了研究，均發現樁間中心處的格柵拉力最小。本模型分析中，樁端直徑為0.5 m，樁頂上方沒有布置樁帽，樁端尺寸較小，格柵拉力最大處發生在樁頂中心上方，一定程度上證明了Van Eekelen等人所分析的原因是合理的。

圖2 路基填筑過程中格柵拉力橫向分布

3.2 樁身側向變形

圖4為路基填筑完成時，工況一格柵剛度為500 kN/m不同位置處樁身側向位移部分圖。從圖中可以看到路基填筑完成后，由于路基橫向滑移的作用，各位置處的樁均不同程度的發生了側向位移。樁身最大側向位移發生在樁頂處。圖5為不同路基填筑高度，樁頂位置處水平位移的橫向分布圖，從圖中可以看到，隨著路基填筑高度的增加，不同位置處樁頂水平位移均有所增大。當路基填筑高度較低時，樁端最大水平位移發生在坡腳處；隨著路基填筑高度的繼續增大，樁端最大水平位移發生在坡腳附近靠近路基中心一側，路基填筑完成時，最大水平位移約為2.5 mm。

圖3 不同位置處格柵拉力隨路基高度變化圖

圖4 路基填筑完成時樁身側向位移

3.3 土工格柵的側限作用

圖5 不同路基填筑高度樁端側向位移橫向分布

圖6為路基填筑完成時，不同土工格柵剛度所對應的兩樁端側向位移，其中格柵剛度為0代表未布置有土工格柵。從圖中可以看到，隨著土工格柵剛度的增大，樁端的側向位移逐步減小。土工格柵的能夠有效的限制樁端的側向位移，且土工格柵剛度越大，格柵限制樁端側向變形的效果越明顯。由于格柵的側限作用主要是通過格柵自身的拉力作用在樁身上產生的效果，反之，樁端的側向變形將導致格柵自身拉力的增大。

圖6 不同路基填筑高度樁端側向位移橫向分布

圖7為樁身固定以及不固定兩種情況格柵拉力橫向分布的對比圖，從圖中可以看到樁身不固定時的格柵拉力要較樁身固定時的格柵拉力大，直接證明了樁身的側向變形會導致格柵拉力的增大，對于樁網結構路基的設計，有必要考慮樁身側向變形對格柵拉力的影響。

圖8為樁帽中心處樁身不固定時的格柵拉力較樁身固定時的格柵拉力的增幅的橫向部分圖，從圖中可以看到，當樁身發生側向變形時，路基中心處的格柵拉力要比樁身不發生側向變形時大26%左右，而坡腳處由于樁端的側向變形較大，格柵拉力更是增大了90%。因此樁身側向變形對格柵拉力的影響非常明顯，對于樁網結構路基的設計，有必要考慮樁身側向變形對格柵拉力的影響。

圖7 樁身固定與不固定格柵拉力橫向分布對比圖

圖8 格柵拉力增幅橫向分布

4 結論

本文建立了樁網結構路基二維有限元分析模型以研究樁網結構相互作用。對計算了樁身固定與不固定兩種情形，分析了樁身側向變形與格柵拉力之間的相互影響，并總結了格柵剛度對樁身側向變形的影響規律，通過分析結果得到了一下結論：

（1）土工格柵拉力最大處發生在樁頂中心上方，樁間中心處最小，這可能是因為樁端尺寸較小，應力集中區域較小造成的；

（2）土工格柵能夠有效的限制樁身的側向變形，同時格柵剛度越大，效果越明顯；

（3）土工格柵拉力的分布不僅受到路基主動土壓力以及樁間格柵上部荷載的影響，樁身側向變形對格柵拉力的分布也有明顯的影響，且在坡腳處影響最為明顯。