超前支护桩桩后EPS 垫层优化设置的数值模拟

孙洪利，刘元雪，叶四桥，冉仕平

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安710075;2.后勤工程学院 建筑工程学院，重庆400041;3.重庆交通大学 河海学院，重庆400074;4.西藏自治区发展和改革委员会，西藏拉萨820000)

高切坡超前支护是指在高切坡形成之前先进行支护结构设计和施工，待支护结构完成后，再开挖边坡的一种支护方法［1-4］。超前支护可以从根本上避免边坡工程中“工程-灾害-更大工程”的弊端。抗滑桩是边坡支挡的常用结构，当将其作为超前支护技术措施时，要做到经济合理的布设是亟待解决的课题，总的原则是容许边坡发生一定的卸荷、变形，充分调动岩土体自身强度，并通过超前支护桩限制过量变形，避免边坡破坏，从而既保证边坡开挖施工期及工后长期安全，又使作用在桩身上的岩土压力尽量小。基于以上原理，笔者提出在超前支护桩靠山侧设置一层EPS垫层材料，通过桩-EPS-土的共同作用，达到既允许高切坡有限变形，又减小桩身岩土压力的目的。

EPS即聚苯乙烯泡沫，也称土工泡沫材料，具有较高的抗压强度和良好的塑性变形能力［5］，在工程结构抗震和路基处理方面得到了越来越多的应用［6-10］。

1 计算模型及参数选择

1.1 边坡及超前支护桩概况

某高切坡坡高12 m，坡度为1∶1.5，上部为土层，下部为岩体，因公路建设需要进行开挖，开挖高度为6 m。经评估若不对边坡进行支护直接开挖，将导致边坡失稳破坏，为此，采用超前支护桩进行超前加固防护。超前支护桩为C25钢筋混凝土结构，桩长12 m，截面尺寸1.0 m ×1.5 m，间距为5 m，桩顶距坡脚6 m，坡脚处土层厚2 m，以下为基岩。为研究EPS垫层同超前支护桩及坡体间的相互作用机制，并探讨最优的EPS垫层设计，分别设置0，0.2，0.4，0.6，0.8 m 厚度的 EPS 垫层，以及不同密度的聚苯乙烯泡沫(分别为EPS19、EPS22、EPS29)进行数值模拟敏感性分析。

1.2 计算原理及单元划分

采用ANSYS软件进行分析。滑体土和基岩采用ANSYS中提供的面单元PLANE 42模拟，抗滑桩采用梁单元BEAM 3模拟。有限元计算网格图见图1。

图1 边坡模型有限元网格Fig.1 Finite element mesh of slope model

1.3 材料及计算参数

考虑到岩土体材料的非线性特点，岩土体的本构关系采用理想弹塑性模型，屈服准则采用广泛应用于岩土类材料的Drucker-Prager屈服准则。超前支护桩截面尺寸1 m×1.5 m，间距5 m，而本次平面应变计算纵向只有1 m，也就是说每根桩要承担5 m宽的滑体的剩余下滑力，因此在有限元模型中将土体的重量乘以5，同时为了确保原有的稳定安全系数不发生变化，将岩土体的黏聚力也乘以5，即保证γ/c不发生变化。考虑桩板面与EPS材料之间的接触为刚体和柔体接触，EPS材料与岩土层之间的接触为柔体-柔体接触，以Targe169接触单元模拟桩板面和岩土界面，作为目标面;以Conta171接触单元模拟EPS表面，作为接触面。接触算法采用扩展拉格朗日法。详细材料参数见表1。

表1 模型材料参数Tab.1 Material parameters of numerical simulation model

(续表1)

2 计算结果及分析

2.1 EPS垫层厚度对超前支护桩的影响

为研究不同厚度EPS垫层材料对超前支护桩桩土共同作用的影响，分别在超前支护桩靠山侧布置0～0.8 m厚，密度为19 kg/m3的聚苯乙烯垫层(EPS19)，进行数值模拟敏感性分析。不同厚度聚苯乙烯(EPS19)垫层下超前支护桩侧壁土压力、桩身位移、剪力、弯矩分布曲线见图2～图5。

图2 EPS垫层厚度对超前支护桩侧壁土压力分布的影响Fig.2 Earth pressure on forepoling pile under the influence of EPS cushion thickness

从图2可以看出，各种情形下土压力分布曲线形状比较类似，但EPS垫层材料对土压力大小有明显影响，且EPS垫层越厚，土压力越小，设置EPS可以有效减小作用在超前支护桩上的土压力，减小幅度约在20%～45%之间。

图3 EPS垫层厚度对超前支护桩桩身位移的影响Fig.3 Displacement of forepoling pile under the influence of EPS cushion thickness

从图3可以看出，各种情形下桩身的位移分布形式一致，即最大位移出现在抗滑桩顶部，土体开挖段超前支护桩位移值至上而下逐渐减小，在埋深3.0 m以下抗滑桩位移值基本为0;超前支护桩桩身位移随着EPS垫层厚度的增加而减小;未设置EPS时，超前支护桩最大位移值为35.5 mm，当设置垫层厚度为0.2，0.4，0.6，0.8 m 的 EPS 时，对应的桩身位移减少到 35.2，31.1，28.0，25.8 mm。

图4 EPS垫层厚度对超前支护桩桩身剪力的影响Fig.4 Shear force of forepoling pile under the influence of EPS cushion thickness

从图4可见，桩身剪力分布形式基本一致，但超前支护桩桩身剪力随着EPS垫层厚度的增加而减小;未设置EPS垫层时桩身最大正负剪力值分别为2 297.0，-3 646.5 kN，当垫层厚度为 0.2，0.4，0.6，0.8 m时其桩身最正剪力值分别为 2 105.0，1 714.1，1 535.3，1 414.2 kN，最大负剪力值分别为 -2 912.5，-2 666.3，-2 470.5，-2 312.2 kN。设置垫层后桩身剪力明显减小，且具有垫层越厚最大剪力越小的趋势。

图5 EPS垫层厚度对超前支护桩桩身弯矩的影响Fig.5 Moment of forepoling pile under the influence of EPS cushion thickness

从图5可见，超前支护桩桩后不同EPS垫层厚度下，其桩身的弯矩分布形式一致，桩身最大弯矩值在埋深2 m处;超前支护桩桩身弯矩随着EPS垫层厚度的增加而减小，最大弯矩值的减小尤为明显;未设置EPS垫层时桩身最大弯矩值为8 974 kN·m，当垫层厚度为 0.2，0.4，0.6，0.8 m 时对应的桩身最大弯矩减少为8 274，7 311，6 600，6 084 kN·m。

综上可见，设置一定的EPS垫层可以有效减小桩身所受土压力、桩身位移、剪力和弯矩，从而体现超前支护桩的设计理念。

2.2 EPS垫层材料类型对超前支护桩影响

为研究EPS垫层材料类型对超前支护桩桩土共同作用的影响，在超前支护桩靠山侧布置0.4 m厚EPS垫层，但选取3种不同密度的聚苯乙烯泡沫，分别为 EPS19、EPS22、EPS29，其材料特性参见表1，进行数值模拟分析。图6～图9分别为设置不同类型EPS垫层材料情形下的超前支护桩桩身位移、剪力、弯矩曲线。

图6 EPS类型对超前支护桩桩身土压力分布的影响Fig.6 Earth pressure on forepoling pile under the influence of EPS cushion type

从图6土压力分布曲线可以看出，EPS垫层材料密度对土压力大小有明显影响，EPS材料密度越小，施加在超前支护桩上的土压力越小。但均小于无垫层时的土压力。

图7 EPS类型对超前支护桩桩身位移的影响Fig.7 Displacement of forepoling pile under the influence of EPS cushion type

从图7可以看出，超前支护桩桩身位移随着EPS垫层密度的增加而增加，但均小于无垫层情况时的桩身位移值。

图8 EPS类型对超前支护桩桩身剪力的影响Fig.8 Shear force of forepoling pile under the influence of EPS cushion type

从图8可以看出，超前支护桩桩身剪力随着EPS垫层材料密度的减小而减小，但均小于无垫层情况时的桩身剪力值。

图9 EPS类型对超前支护桩桩身弯矩的影响Fig.9 Moment of forepoling pile under the influence of EPS cushion type

从图9可以看出，超前支护桩桩身弯矩随着EPS垫层密度的增加而增加，但均小于无垫层情况时的桩身弯矩值。

综上可见，采用较低密度的EPS垫层时，桩身有较小的荷载、位移、弯矩和剪力，也就是说在超前支护桩的设计中选用低密度的EPS。

3 结论

1)在超前支护桩桩后设置EPS垫层后，作用在超前支护桩桩身上的土压力、桩顶位移、桩身最大剪力、最大弯矩均明显减少，以土压力为例，减小幅度达20%～45%。说明在超前支护桩靠山侧设置EPS垫层可以有效减小桩身荷载，从而体现既允许边坡体有限变形，又经济合理的保证边坡施工期及长期稳定的超前支护设计理念。

2)EPS垫层厚度对超前支护桩桩-ESP-土共同作用有显著影响，超前支护桩桩身土压力、桩顶位移、最大剪力、最大弯矩等均随EPS垫层厚度的增加而减小。实际工程中在合理投资范围内可选择较厚的垫层方案。

3)EPS材料的密度对超前支护桩桩-EPS-土共同作用也有显著影响，超前支护桩桩身土压力、桩顶位移、最大剪力以及最大弯矩均随EPS垫层密度的减小而减小。说明实际工程中选用低密度EPS垫层是较优的选择。而对于超出本文研究范围的情形需要在今后的研究中进一步探讨。

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