H型樁在順層高陡路堤邊坡中的應用模擬分析

閆博華

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司 太原市 030032)

0 引言

在公路建設發展過程中,山區工程建設往往會面臨大量的陡坡路基。采用橋隧方案通過這些高陡地形區域是常見的建設方案,但此類方案也存在施工難度大、工程造價高的問題。因此,可探索采用路基支擋方案。

H型樁是一種特殊的雙排樁支擋結構,除具有雙排樁支護剛度大、適用范圍廣的特點,還具有獨特的懸臂結構,能夠在有效增大支護剛度的同時降低工程造價。作為一種組合樁板墻受力結構,其具有獨特的支擋優勢,受到越來越多的關注和研究。

呂俊磊以杭黃鐵路某路堤段為研究對象,在分析H型樁抗滑理論的基礎上,采用理論分析與數值模擬結合的方式,得到H型樁的內力及位移變化規律,為H型樁的應用提供參考[1]。廖超采用數值模擬方式建立了仿真計算模型,分析H型樁的橫梁設置位置等參數對結構內力的影響規律,得到了橫梁及嵌固段的最佳設計參數,為H型樁板墻的參數設計提供參考[2]。付明利用ANSYS軟件分析了不同工況下H型樁不同受力部位的應力應變情況,得到了應力等指標與荷載間的變化規律和不同車速下的動力響應特征[3]。寧宇等人則在大型滑坡治理工程中,提出采用聯合H型樁治理滑坡的設計方案,并通過數值模型分析了抗滑樁在滑坡中的最佳布設位置,得到了H型樁治理滑坡的穩定性系數變化規律[4]。侯豐分析了H型樁在滑坡治理中的應用效果,得出類似研究結論[5]。

從現有研究成果可以看出,H型樁的應用和相關研究較少。H型樁具有剛度大、工程適用性強的特點,因此對H型樁進行深入研究,具有廣闊的工程應用前景。

文章以某新建高陡路堤工程為研究對象,采用數值模擬軟件分析了H型樁在該路基支擋中的應用情況,以期為類似工程實踐提供參考。

1 工程概況

1.1 地質概況

某新建高速公路位于典型山區地貌地形。該區域地形陡峭,基巖出露較好。根據地勘報告,該地區具體地質情況如下:

(1)地表下0～3m為全風化巖,褐紅,呈松散狀,稍濕,主要為粉質粘土。該層主要分布于場地表層,層中未見明顯滑動面。

(2)地表下3～11m為強風化砂巖,巖石組織結構已基本破壞,裂隙發育,巖體破碎,呈碎塊狀。

(3)地表11m以下為中分化砂巖,巖體組織結構較完整,硬度大,呈塊狀,場地內廣泛分布。

表1 巖層參數表

各層具體巖層參數見表1。

1.2 工程概況

某擬建一級公路紅線寬度為25.5m,根據總體標高設計要求,其中K2+357～K2+480段現狀地勢較為陡峭,天然地形邊坡約為1∶1.2。由于地形陡峭,采用隧道或橋梁的方式通過該區域的造價高,工期長,因此綜合考慮采用路基支擋結構的高陡填方路堤方式通過該區域。結合現狀地形,采用外高內低的φ1000@2500內置式H型樁作為路基支擋結構,樁頂填筑路基填料至設計標高,其中K2+400處為最不利斷面,該處H型樁的長樁位于地面以上的懸臂高度為6m,嵌入中風化巖層深度為2m,樁頂以下6m通過系梁與短樁相連。樁頂以上按1∶1.5兩級填方邊坡填筑至設計標高。短樁嵌入中風化巖層深度也為2m。清除路堤范圍內的表層全風化巖并挖設寬度不小于2m的反坡臺階。典型橫斷面如圖1所示。

圖1 H型樁支擋典型橫斷面圖

2 有限元模型建立

為了更好地分析H型樁在高陡路堤邊坡中的支護效果,采用有限元軟件對該路堤邊坡進行模擬分析。

2.1 材料參數及邊界條件

根據工程實況,建立二維有限元模型。模型中的土體采用平面應變單元,選用摩爾—庫倫本構模型,土體參數選取見表1。H型樁采用C35混凝土材料,選用彈性本構模型,重度25 kN/m3,彈性模量30GPa,泊松比μ為0.2。

為了降低邊界約束對模型的影響,選取模型坡底寬度為100m,高度為145m,坡面與實際邊坡一致。在模型底部約束其水平和豎向位移,模型兩側約束豎向位移,允許其發生水平位移變形。

值得注意的是，殖民國家與被殖民國家借助翻譯爭奪話語權的博弈遠非單方面的侵入，而是夾雜著被侵入文化持續不斷的抵抗。下文將以十九世紀的《萬國公法》為例，從權力運作角度解讀清末國際法翻譯活動中的矛盾現象。

2.2 施工階段模擬

為了更好地還原整個施工過程,根據實際施工過程進行模擬,各施工步序如下:(1)開挖路塹邊坡;(2)從上至下開挖臺階1至臺階10;(3)施工H型樁;(4)從下至上壓實回填路基10至路基1;(5)通車。有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

3 有限元結果分析

根據上述有限元模型,提取模型計算結果并整理分析,得到H型樁對路堤邊坡的支擋效果。

3.1 路面沉降

提取路面沉降云圖,如圖3所示。

圖3 路面沉降位移云圖(單位:cm)

從圖3可知,路面的沉降并未表現出傳統路堤兩側沉降小、道路中央沉降大的U型沉降盆變化規律,而是表現出臨空側沉降值較大并向靠山側逐漸減小的線性變化規律。從沉降位移云圖可以看出,道路的最大沉降值位于道路臨空側路肩位置處,沉降值為10.36cm;在道路靠山側路面有輕微隆起,隆起值為0.73cm。結合其變形趨勢,可分析得到沉降產生的原因:即由于下覆巖土體巖性較好,在路基填土的自重應力作用下,其產生的沉降變形較小。路堤邊坡整體發生向臨空面變形的位移趨勢,使得臨空面路肩處的路基填土順著坡面方向斜向下方變形,從而產生較大的沉降位移。由于靠山側的路基填土受到外側土體約束,土體填筑高度較小,因此產生的位移較小,變形程度低,整體呈現出臨空面路面沉降大、靠山側路面沉降小的變形規律。

3.2 塑性區分布

提取路堤邊坡的等效塑性應變云圖,見圖4。

圖4 道路塑性應變分布云圖

從圖4可知,道路通車后,路堤邊坡內幾乎未產生塑性應變區,僅在H型樁長樁懸臂段支護的土體范圍內出現局部塑性變形,最大塑性應變值為0.147。究其原因,長樁的懸臂支護段由于土壓力的作用,樁體發生一定的位移,從而使得路堤土體也產生相應的側向位移,形成局部塑性應變區。整體上看,在H型樁的支護下,路堤邊坡范圍內的土體未發生較大塑性應變,也未產生大范圍的塑性應變區,因此H型樁有效確保了路堤邊坡的穩定性。

3.3 路堤邊坡穩定性

為了分析路堤邊坡的整體穩定性是否滿足規范要求,基于強度折減法,利用有限元軟件的穩定性分析模塊對路堤邊坡進行分析,得到極限平衡狀態下的路堤邊坡塑性應變云圖,如圖5所示。

圖5 極限平衡狀態下的道路塑性應變分布云圖

可以看出,當路堤邊坡達到極限平衡時,從坡頂到坡腳產生了沿著強風化巖和中風化巖層交界面的貫通塑性應變帶。在H型樁的嵌固端附近,塑性應變區出現了局部凸向中風化巖層的塑性應變區。這說明一是由于H型樁的支護作用阻礙了塑性應變區的貫通,使得塑性應變區繞過樁底向巖層深處發展;二是樁體對阻礙路堤邊坡產生貫通的塑性應變帶起到了較好的阻礙作用。同時,H型樁長樁懸臂段支護范圍內的土體也產生了較大的塑性應變,最大塑性應變值為1.978,出現在長樁樁頂附近。根據計算結果,基于強度折減法計算得到的邊坡穩定性系數為2.05,滿足規范設計要求。

3.4 樁體位移

提取H型樁的樁身水平位移結果,整理后如圖6所示。

圖6 樁身位移分布圖

從圖6可知,長樁和短樁的水平位移整體分布規律并不一致。從長樁的水平位移分布趨勢來看,樁頂位移為0.4cm,從樁頂向下逐漸增大,在樁身與系梁連接部位附近取得最大水平位移值1.17cm,隨后逐漸減小至樁底,樁底位移約等于0,總體呈現先增大后減小的變化趨勢,樁身位移值滿足公路路基支擋結構相關設計要求。短樁的水平位移分布規律與長樁具有明顯差異,短樁在樁頂取得最大水平位移值0.88cm,并沿著樁頂向下遞減,樁底水平位移約等于0。系梁左端最大水平位移為1.13cm,右端水平位移為0.68cm。結合樁體變形趨勢可知上述位移發生原因。長樁以上懸臂段僅受到樁后土體作用,從樁頂向下,土壓力越來越大,因此樁體產生的側向水平位移也越來越大。在與系梁相連及以下樁身部位,長樁受到系梁及樁前土體的被動土壓力抵抗作用,樁體的水平位移逐漸收斂,并減小至樁底,而系梁在長樁的變形牽引下出現了整體的水平位移變化,從而帶動埋入土體內部的短樁產生側向水平位移。由于短樁幾乎全部埋入土體,從樁頂向下,受到樁前被動土壓力的作用越來越大,因此其水平位移也逐漸減小,呈現逐漸減小的變化趨勢。

3.5 樁身內力

提取H型樁的樁身彎矩,如圖7所示。

圖7 樁身彎矩分布云圖

從圖7可知,H型樁的樁身彎矩主要集中在上半部分樁體范圍內。長樁的懸臂段迎土側受彎,彎矩從樁頂向下逐漸增加,在系梁連接處受到系梁的集中彎矩作用形成反向彎矩,并隨樁身向下逐漸減小,在系梁以下4.48m附近處彎矩減小約為0。從圖7可以看出,長樁的控制設計截面位于與系梁連接處,彎矩最大值為3135.6 kN·m,得到其最大應力為32 MPa。系梁兩端上側受彎,中間部分下側受彎,屬于典型的簡支梁受力模式,系梁最大彎矩為2253.6 kN·m,最大應力為23 MPa。短樁樁身范圍內的彎矩相比長樁和系梁較小,非H型樁設計的控制因素。對比長短樁彎矩減小的位置可以看出,短樁在系梁以下3.83m附近處彎矩減至最小。結合樁體在各個土層范圍內的分布深度可以看出,長短樁樁體進入到強風化巖內部后,巖層對樁體的約束作用逐漸增強,使得樁身彎矩迅速減小。圖7表明,設計時應加強長短樁與系梁連接處的設計,增設加腋等構造措施,降低應力集中,同時可根據樁身彎矩對長短樁進行差異配筋設計,提高H型樁的工程經濟性。

4 結論

文章以順層高陡路堤邊坡為研究對象,利用有限元軟件分析了H型樁對高陡路堤的支擋效果,得出以下結論:

(1)道路最大沉降為10.36cm,位于臨空側路肩附近,并向靠山側遞減,最小沉降為0.73cm。

(2)在H型樁支護下,路堤填土僅在長樁附近有局部塑性分布,最大塑性應變為0.147,穩定性系數為2.05,整體穩定性良好。

(3)H型樁最大水平位移為1.17cm,位于長樁與系梁連接處,樁頂位移較小,滿足規范要求。

(4)H型樁樁身最大彎矩為3135.6 kN·m,系梁最大彎矩為2253.6 kN·m,樁身進入強風化巖后彎矩迅速減小,設計時可根據彎矩進一步優化配筋,提高H型樁的工程經濟性。