H型樁在順層高陡路堤邊坡中的應(yīng)用模擬分析

閆博華

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司 太原市 030032)

0 引言

在公路建設(shè)發(fā)展過程中,山區(qū)工程建設(shè)往往會(huì)面臨大量的陡坡路基。采用橋隧方案通過這些高陡地形區(qū)域是常見的建設(shè)方案,但此類方案也存在施工難度大、工程造價(jià)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(jié)構(gòu),除具有雙排樁支護(hù)剛度大、適用范圍廣的特點(diǎn),還具有獨(dú)特的懸臂結(jié)構(gòu),能夠在有效增大支護(hù)剛度的同時(shí)降低工程造價(jià)。作為一種組合樁板墻受力結(jié)構(gòu),其具有獨(dú)特的支擋優(yōu)勢(shì),受到越來越多的關(guān)注和研究。

呂俊磊以杭黃鐵路某路堤段為研究對(duì)象,在分析H型樁抗滑理論的基礎(chǔ)上,采用理論分析與數(shù)值模擬結(jié)合的方式,得到H型樁的內(nèi)力及位移變化規(guī)律,為H型樁的應(yīng)用提供參考[1]。廖超采用數(shù)值模擬方式建立了仿真計(jì)算模型,分析H型樁的橫梁設(shè)置位置等參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響規(guī)律,得到了橫梁及嵌固段的最佳設(shè)計(jì)參數(shù),為H型樁板墻的參數(shù)設(shè)計(jì)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(yīng)力應(yīng)變情況,得到了應(yīng)力等指標(biāo)與荷載間的變化規(guī)律和不同車速下的動(dòng)力響應(yīng)特征[3]。寧宇等人則在大型滑坡治理工程中,提出采用聯(lián)合H型樁治理滑坡的設(shè)計(jì)方案,并通過數(shù)值模型分析了抗滑樁在滑坡中的最佳布設(shè)位置,得到了H型樁治理滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律[4]。侯豐分析了H型樁在滑坡治理中的應(yīng)用效果,得出類似研究結(jié)論[5]。

從現(xiàn)有研究成果可以看出,H型樁的應(yīng)用和相關(guān)研究較少。H型樁具有剛度大、工程適用性強(qiáng)的特點(diǎn),因此對(duì)H型樁進(jìn)行深入研究,具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

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

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

某新建高速公路位于典型山區(qū)地貌地形。該區(qū)域地形陡峭,基巖出露較好。根據(jù)地勘報(bào)告,該地區(qū)具體地質(zhì)情況如下:

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

(2)地表下3～11m為強(qiáng)風(fēng)化砂巖,巖石組織結(jié)構(gòu)已基本破壞,裂隙發(fā)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(jié)構(gòu)較完整,硬度大,呈塊狀,場(chǎng)地內(nèi)廣泛分布。

表1 巖層參數(shù)表

各層具體巖層參數(shù)見表1。

1.2 工程概況

某擬建一級(jí)公路紅線寬度為25.5m,根據(jù)總體標(biāo)高設(shè)計(jì)要求,其中K2+357～K2+480段現(xiàn)狀地勢(shì)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(qū)域的造價(jià)高,工期長(zhǎng),因此綜合考慮采用路基支擋結(jié)構(gòu)的高陡填方路堤方式通過該區(qū)域。結(jié)合現(xiàn)狀地形,采用外高內(nèi)低的φ1000@2500內(nèi)置式H型樁作為路基支擋結(jié)構(gòu),樁頂填筑路基填料至設(shè)計(jì)標(biāo)高,其中K2+400處為最不利斷面,該處H型樁的長(zhǎng)樁位于地面以上的懸臂高度為6m,嵌入中風(fēng)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(jí)填方邊坡填筑至設(shè)計(jì)標(biāo)高。短樁嵌入中風(fēng)化巖層深度也為2m。清除路堤范圍內(nèi)的表層全風(fēng)化巖并挖設(shè)寬度不小于2m的反坡臺(tái)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(hù)效果,采用有限元軟件對(duì)該路堤邊坡進(jìn)行模擬分析。

2.1 材料參數(shù)及邊界條件

根據(jù)工程實(shí)況,建立二維有限元模型。模型中的土體采用平面應(yīng)變單元,選用摩爾—庫倫本構(gòu)模型,土體參數(shù)選取見表1。H型樁采用C35混凝土材料,選用彈性本構(gòu)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(duì)模型的影響,選取模型坡底寬度為100m,高度為145m,坡面與實(shí)際邊坡一致。在模型底部約束其水平和豎向位移,模型兩側(cè)約束豎向位移,允許其發(fā)生水平位移變形。

值得注意的是，殖民國(guó)家與被殖民國(guó)家借助翻譯爭(zhēng)奪話語權(quán)的博弈遠(yuǎn)非單方面的侵入，而是夾雜著被侵入文化持續(xù)不斷的抵抗。下文將以十九世紀(jì)的《萬國(guó)公法》為例，從權(quán)力運(yùn)作角度解讀清末國(guó)際法翻譯活動(dòng)中的矛盾現(xiàn)象。

2.2 施工階段模擬

為了更好地還原整個(gè)施工過程,根據(jù)實(shí)際施工過程進(jìn)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(tái)階1至臺(tái)階10;(3)施工H型樁;(4)從下至上壓實(shí)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(jié)果分析

根據(jù)上述有限元模型,提取模型計(jì)算結(jié)果并整理分析,得到H型樁對(duì)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(xiàn)出傳統(tǒng)路堤兩側(cè)沉降小、道路中央沉降大的U型沉降盆變化規(guī)律,而是表現(xiàn)出臨空側(cè)沉降值較大并向靠山側(cè)逐漸減小的線性變化規(guī)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(cè)路肩位置處,沉降值為10.36cm;在道路靠山側(cè)路面有輕微隆起,隆起值為0.73cm。結(jié)合其變形趨勢(shì),可分析得到沉降產(chǎn)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(yīng)力作用下,其產(chǎn)生的沉降變形較小。路堤邊坡整體發(fā)生向臨空面變形的位移趨勢(shì),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(chǎn)生較大的沉降位移。由于靠山側(cè)的路基填土受到外側(cè)土體約束,土體填筑高度較小,因此產(chǎn)生的位移較小,變形程度低,整體呈現(xiàn)出臨空面路面沉降大、靠山側(cè)路面沉降小的變形規(guī)律。

3.2 塑性區(qū)分布

提取路堤邊坡的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D,見圖4。

圖4 道路塑性應(yīng)變分布云圖

從圖4可知,道路通車后,路堤邊坡內(nèi)幾乎未產(chǎn)生塑性應(yīng)變區(qū),僅在H型樁長(zhǎng)樁懸臂段支護(hù)的土體范圍內(nèi)出現(xiàn)局部塑性變形,最大塑性應(yīng)變值為0.147。究其原因,長(zhǎng)樁的懸臂支護(hù)段由于土壓力的作用,樁體發(fā)生一定的位移,從而使得路堤土體也產(chǎn)生相應(yīng)的側(cè)向位移,形成局部塑性應(yīng)變區(qū)。整體上看,在H型樁的支護(hù)下,路堤邊坡范圍內(nèi)的土體未發(fā)生較大塑性應(yīng)變,也未產(chǎn)生大范圍的塑性應(yīng)變區(qū),因此H型樁有效確保了路堤邊坡的穩(wěn)定性。

3.3 路堤邊坡穩(wěn)定性

為了分析路堤邊坡的整體穩(wěn)定性是否滿足規(guī)范要求,基于強(qiáng)度折減法,利用有限元軟件的穩(wěn)定性分析模塊對(duì)路堤邊坡進(jìn)行分析,得到極限平衡狀態(tài)下的路堤邊坡塑性應(yīng)變?cè)茍D,如圖5所示。

圖5 極限平衡狀態(tài)下的道路塑性應(yīng)變分布云圖

可以看出,當(dāng)路堤邊坡達(dá)到極限平衡時(shí),從坡頂?shù)狡履_產(chǎn)生了沿著強(qiáng)風(fēng)化巖和中風(fēng)化巖層交界面的貫通塑性應(yīng)變帶。在H型樁的嵌固端附近,塑性應(yīng)變區(qū)出現(xiàn)了局部凸向中風(fēng)化巖層的塑性應(yīng)變區(qū)。這說明一是由于H型樁的支護(hù)作用阻礙了塑性應(yīng)變區(qū)的貫通,使得塑性應(yīng)變區(qū)繞過樁底向巖層深處發(fā)展;二是樁體對(duì)阻礙路堤邊坡產(chǎn)生貫通的塑性應(yīng)變帶起到了較好的阻礙作用。同時(shí),H型樁長(zhǎng)樁懸臂段支護(hù)范圍內(nèi)的土體也產(chǎn)生了較大的塑性應(yīng)變,最大塑性應(yīng)變值為1.978,出現(xiàn)在長(zhǎng)樁樁頂附近。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,基于強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為2.05,滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

3.4 樁體位移

提取H型樁的樁身水平位移結(jié)果,整理后如圖6所示。

圖6 樁身位移分布圖

從圖6可知,長(zhǎng)樁和短樁的水平位移整體分布規(guī)律并不一致。從長(zhǎng)樁的水平位移分布趨勢(shì)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(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì),樁身位移值滿足公路路基支擋結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)要求。短樁的水平位移分布規(guī)律與長(zhǎng)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(jié)合樁體變形趨勢(shì)可知上述位移發(fā)生原因。長(zhǎng)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(chǎn)生的側(cè)向水平位移也越來越大。在與系梁相連及以下樁身部位,長(zhǎng)樁受到系梁及樁前土體的被動(dòng)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(zhǎng)樁的變形牽引下出現(xiàn)了整體的水平位移變化,從而帶動(dòng)埋入土體內(nèi)部的短樁產(chǎn)生側(cè)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(dòng)土壓力的作用越來越大,因此其水平位移也逐漸減小,呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)。

3.5 樁身內(nèi)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(nèi)。長(zhǎng)樁的懸臂段迎土側(cè)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(zhǎng)樁的控制設(shè)計(jì)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(yīng)力為32 MPa。系梁兩端上側(cè)受彎,中間部分下側(cè)受彎,屬于典型的簡(jiǎn)支梁受力模式,系梁最大彎矩為2253.6 kN·m,最大應(yīng)力為23 MPa。短樁樁身范圍內(nèi)的彎矩相比長(zhǎng)樁和系梁較小,非H型樁設(shè)計(jì)的控制因素。對(duì)比長(zhǎng)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(jié)合樁體在各個(gè)土層范圍內(nèi)的分布深度可以看出,長(zhǎng)短樁樁體進(jìn)入到強(qiáng)風(fēng)化巖內(nèi)部后,巖層對(duì)樁體的約束作用逐漸增強(qiáng),使得樁身彎矩迅速減小。圖7表明,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)長(zhǎng)短樁與系梁連接處的設(shè)計(jì),增設(shè)加腋等構(gòu)造措施,降低應(yīng)力集中,同時(shí)可根據(jù)樁身彎矩對(duì)長(zhǎng)短樁進(jìn)行差異配筋設(shè)計(jì),提高H型樁的工程經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

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

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

(2)在H型樁支護(hù)下,路堤填土僅在長(zhǎng)樁附近有局部塑性分布,最大塑性應(yīng)變?yōu)?.147,穩(wěn)定性系數(shù)為2.05,整體穩(wěn)定性良好。

(3)H型樁最大水平位移為1.17cm,位于長(zhǎng)樁與系梁連接處,樁頂位移較小,滿足規(guī)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(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖后彎矩迅速減小,設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)彎矩進(jìn)一步優(yōu)化配筋,提高H型樁的工程經(jīng)濟(jì)性。