填方边坡变截面桩板墙桩身内力及变形数值分析

孙晋超，金亮星，欧阳成泓

(1. 苏北铁路有限公司，江苏 徐州 221003；2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

桩板墙是填方边坡加固中的新型支挡结构，由抗滑桩和挡土板两部分组成，利用桩体与桩周岩土体的相互嵌制作用，将上部岩土体作用力传递至稳定地层,利用稳定地层的锚固作用和被动抗力来保证边坡整体稳定性[1−2]。具有抗滑能力强、圬工量小、桩位布置灵活、施工方便和施工影响范围小等诸多优点，在铁路、公路和港口等工程中得到了广泛的应用。但目前对其受力机理的研究尚不完善，国内外学者对此进行了大量的研究工作[3−9]。欧孝夺等[10]通过模型试验研究了抗滑桩的受力变形特征，对抗滑桩的设计参数进行了优化设计。刘钊[11]通过原位试验对双排支护结构的受力进行了分析。应宏伟等[12]提出带撑双排桩支护结构的实用计算方法，并与现场实测结果对比，验证了计算方法的合理性。肖世国等[13]进行了比例为1:30的h型组合抗滑桩室内模拟试验，分析了 h型桩支挡边(滑)坡的作用机理及桩侧的坡体压力分布规律。钱同辉等[14]通过框架式抗滑桩室内模型试验，观察框架式抗滑桩从受荷到破坏的全过程，根据监测数据的动态变化分析框架式抗滑桩内力分布规律、土压力分布规律以及桩顶位移特征。杲斐[15]结合现场实际工程，建立有限元模型，对黄土路堑边坡的桩板墙进行了数值模拟分析，研究了桩间距的合理取值范围。工程实际中，由于边坡地理位置及地形条件限制，需要改变桩的截面形式来对桩板墙进行优化设计。随着经济技术的发展，桩板墙结构从最初单一的全截面形式发展成适应复杂环境的变截面形式，然而目前对变截面桩板墙结构形式的研究仍然较少，研究变截面桩板墙的相关特性具有十分重要的现实意义。基于实际工程案例，本文利用有限元计算软件ABAQUS建立单排变截面桩板墙的三维模型，将数值模拟位移结果与现场实测位移进行对比分析，验证模型的正确性，并研究变截面桩板墙桩身的内力和变形特性，提出变截面桩板墙的变形控制措施，为今后的工程设计提供参考。

1　现场测试

1.1　工程概况

某山区边坡因修建省道堆填而成，堆积物主要为隧道开挖的碎石、石块，坡度 30°~40°。场地钻进深度内无地下水，水文地质条件简单。周边山体环绕，无特殊人防地下设施。后期因建设需要，在原边坡上进行填方，坡顶修建建筑物。边坡场地内各岩土层特性分述如下：

1) 新填土

杂色，颗粒间粘聚力小，结构松散，主要为透水性较强的砂性土组成，压实后水稳性好，强度较高。

2) 老碎石填料

杂色，结构松散，局部稍密，均匀性差，主要由碎石组成，局部含有少量泥沙，回填时间约 15年，钻探时需下套管，孔壁不稳定，固结程度不均匀。

3) 中风化砂岩

灰绿色，局部紫红色，中风化，薄～中厚层状，隐晶结构，岩石较完整。岩芯多呈短柱状、碎块状，少量长柱状，岩芯采取率达70%~85%，RQD值约为65%。岩体较完整，为较软岩～较硬岩，岩体基本质量等级为Ⅳ~Ⅲ类。

对边坡进行支护，支护工程分为AB，BC，CD及DE 4段，其中AB段为单排变截面桩板墙支护，BC段为双排变截面桩板墙支护，CD段为双排桩托重力式挡土墙支护，DE段为双排变截面桩板墙支护。本文选取AB段进行研究，AB段长约30 m，桩间距2 m，桩长18 m，原地面以下采用直径1.2 m旋挖桩，地面以上支模浇筑，尺寸为0.8 m×0.9 m，桩间设300 mm厚挡土板，桩及挡土板均采用C30混凝土。

1.2　现场监测

根据场地岩土工程地质、水文地质条件，边坡工程安全等级、周边环境条件及各种相关规范，按照边坡支护工程设计文件及相关规范等要求，对边坡进行监测，现场监测的主要内容为：桩顶竖向位移及水平位移、截面变化处桩身水平位移、建筑物变形，边坡工程监测点布置如图1所示。本文选取变截面桩板墙水平位移和竖直位移测点 ZD3为研究对象，监测数据如表1所示。

图1　监测点布置图Fig. 1　Monitoring point layout

表1　测点ZD3监测数据Table 1　Monitoring data of measuring point ZD3

2　数值模拟

2.1　模型的建立

根据具体施工工况，结合监测数据，选取 AB段典型剖面1-1进行分析，剖面形式如图2所示，剖面 1-1为 ZD3监测点布置处。使用有限元软件ABAQUS进行数值模拟。建模过程均对工程实际情况进行简化考虑，AB段的桩板墙由多根桩和挡土板组成，但单桩的受力变形规律类似，考虑到数值模拟模型的简单有效性及支护结构的对称性，故模型均取1个桩间距的1/2进行数值分析；土体考虑弹塑性变形，使用Mohr-Coulomb本构模型建模；桩板墙采用线弹性模型，模型单元均采用三维实体单元。

图2　AB段支护剖面1-1Fig. 2　AB section support profile 1-1

根据工程设计图及剖面1-1的形式建立模型，模型长为32.55 m，高23 m，厚度取桩间距一半(取对称结构)，为1 m；桩前平台长度为4 m，桩长18 m，原地面以下采用直径1.2 m旋挖桩，地面以上尺寸为0.8 m×0.9 m，桩间设300 mm厚挡土板，其模型整体如图3。模型前后侧约束Y方向位移，底部施加固定约束，即限制X，Y和Z 3个方向位移，上部为自由边界，模型左右两侧约束X方向位移；模型共有9个接触对，其中桩与墙、桩底与土层③表面采用绑定约束，其他接触为面与面接触。

通过不断切割微调，划分模型网格，在尖角等应力集中处布置较多种子，划分较密网格，本模型网格单元23 174个，其中土体单元21 286个，桩板墙单元1 898个，单元类型采用C3D8R，模型网格划分如图4所示。

图3　剖面1-1模型整体图Fig. 3　Model integral diagram of section 1-1

2.2　模型参数的选取

根据本工程岩土地质勘察报告，剖面1-1土层分为3层，土层分布及物理力学参数见表2。土体参数按照表 2取值；变截面桩弹性模量 E0取 30 GPa，泊松比μ为0.2，密度为2 500 kg/m³，桩间挡土板与桩参数取值相同。

2.3　模拟工况

模拟计算主要模拟建筑物不同施工过程对变截面桩板墙的影响，根据设计图纸及相关规范，建筑物荷载取值为38.1 kPa。采用ABAQUS时间增量步法，分析步总时间取值 1，荷载随着步时的增加而增加，不同分析步时间对应相应的工况，计算完成就是荷载施加完成，即施工完成，从而达到模拟目的。模拟工况见表3。

图4　网格划分图Fig. 4　Mesh graph

表2　土体参数Table 2　Soil parameters

表 3　模拟工况Table 3　Main simulation conditions

3　数值模拟结果分析

3.1　数值模拟位移结果与现场实测值对比

将建立的模型进行计算分析，得到桩板墙位移云图，如图5所示。

同时将模拟位移值与实测位移值进行对比，如图6所示。

图6为位移模拟结果与实测数据对比图，从图中可以看出，模拟值和实测值趋势基本一致，位移值相差不大，验证模型所选参数的合理性及模型的正确性。

图5　桩体位移变形云图Fig. 5　Displacement and deformation nephogram of pile

图6　变截面桩板墙桩顶位移对比图Fig. 6　Comparison of pile top displacement of variable cross-section pile-plank wall

同时得到桩身水平位移图，如图7所示。

图7为桩身水平位移图，从图中可以看出，水平位移随距桩底距离增加而增加，桩底处位移为0，变截面处水平位移较小，桩顶处水平位移最大。在距桩底0~9 m处位移很小，是由于桩身处于土体中，有桩前土体抗力作用；变截面处桩身位移大小为1.99 mm；在距桩底9~18 m处，位移急剧增大，桩前土体抗力消失，位移最大值出现在桩顶处，大小为17.21 mm。

3.2　数值模拟内力结果分析

桩板墙应力云图及结构整体应力云图，如图 8所示；桩板墙桩身内力时程图，如图9所示。

图7　变截面桩板墙桩身水平位移图Fig. 7　Displacement diagram of piles with variable cross-section

图8　桩板墙桩土整体应力云图Fig. 8　Integral stress nephogram of variable cross-section pile-plank wall

图9反映了模型中不同工况下桩身内力变化情况。图9(a)反映了桩身弯矩的变化情况，可以看出各个工况的弯矩变化趋势基本相同，工况4的弯矩值最大。从图中可知，桩身弯矩从桩顶处先递增后递减，变截面处发生突变，距桩顶13 m处弯矩最大，桩底处弯矩趋于0。9 m处由于桩身截面发生变化，受到桩后土体竖向集中力的作用，所以此处弯矩突变。

图9　桩板墙桩身内力时程图Fig. 9　Time history diagram of pile internal force of variable cross-section pile-plank wall

图9(b)反映了桩身剪力的变化趋势，不同工况下桩身剪力不同，但是变化趋势基本相同。从图中可知，桩身剪力从桩顶处先递增后递减，在 13 m处剪力为0，13 m以下剪力沿反方向呈现先递增后递减的变化趋势，在10 m处剪力最大，桩底处剪力趋于0。

3.3　变形控制措施

变截面桩板墙由于截面变化，桩身面积减小，桩体刚度减小，位移变大，同时在截面变化处往往有应力集中及土体堆积作用，根据以上特性，从截面变化、桩后填土形式等方面入手，提出以下变形控制措施：

1) 截面变化处设置连系梁，桩顶处设置桩间连系梁

由于墙后填土在截面变化处产生了土体竖向集中力，对桩身受力造成了不利的影响，在截面变化处、桩顶处设置连系梁，可以增加整体刚度，使结构变形协调，减小变形。

2) 严格控制土体压实系数

对填土的压实度进行严格控制可以很好的减小边坡土压力和下滑力，减小桩板墙受力，减小变形。

3) 在截面变化处设置过渡段

变截面桩板墙在截面变化处因为土体堆积作用产生内力突变，在土体堆积作用处设置过渡段，保证土体作用平稳过渡，同时设置过渡段可以增加整体刚度，从而达到减少变形的作用。

4　结论

1) 通过有限元软件ABAQUS建立模型数值计算，得到变截面桩板墙位移模拟值；将桩顶位移模拟值与实测值对比，通过对比可知，模拟值和实测值趋势基本一致，位移值相差不大，从而验证了模型的正确性和有效性。

2) 分析单排变截面桩板墙桩身内力和变形，发现截面变化处弯矩的突变，这是因为墙后填土竖向集中力的作用。桩身弯矩从桩顶处先递增后递减，变截面处发生一个突变，距桩顶13 m处弯矩最大，桩底处弯矩趋于 0；桩身剪力从桩顶处先递增后递减，在13 m处剪力为0，13 m以下剪力沿反方向呈现先递增后递减的变化趋势，在10 m处剪力最大，桩底处剪力趋于 0；桩身水平位移随距桩底距离增加而增加，桩底处位移为 0，变截面处水平位移较小，桩顶处水平位移最大。

3) 提出变截面桩板墙的变形控制措施：截面变化处设置连系梁、桩顶处设置桩间连系梁；严格控制填方土体压实度；在截面变化处设置过渡段。可为后续工程设计施工提供参考。

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