软土地基双排桩基础悬臂式挡土墙受力变形的现场测试及数值模拟分析

周 珩，苏 谦,2，杨智翔，郭春梅

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2.西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

随着我国高速铁路的建设，大量的线路工程不可避免地修建于软土地基等不良地质区。该类工程面临的主要问题包括地基不均匀沉降、高填筑体导致的沉降变形过大、支挡结构变形过大应力集中现象严重等。国内外学者对组合式支挡结构开展了大量的研究。Richard等[1]利用模型试验对承受横向荷载的微型桩的承载机理进行了研究。白皓等[2]通过模型试验研究了软岩陡坡段椅式桩支挡结构的内力变化规律，提出了相应的设计计算方法。向波等[3]通过开展微型钢管排桩的原型试验，总结了该支挡结构的受力与变形规律，并分析了桩排数、间距等对结构的影响。陈建峰等[4]结合数值模拟与现场实测结果，研究了软土地基加筋土挡墙在分级堆载情况下的变形及稳定性。上述研究均对各不同结构形式的支挡结构在工程中的应用具有指导意义[5-11]。

双排桩基础悬臂式挡土墙由悬臂式挡土墙与双排灌注桩刚接而成[5]。该结构既可解决地基承载力不足的问题，又可有效控制路基变形，起到承载与支挡的双重作用[6]。

双排桩基础悬臂式挡土墙结构已成功应用于高速铁路路基工程中，但其受力与变形特征以及结构尺寸参数敏感性尚缺少相应研究。本文通过有限元软件ABAQUS建立软土地基双排桩基础悬臂式挡土墙三维数值模型，并结合现场实测结果，分析该结构的变形与应力分布，讨论了软土地基双排桩基础悬臂式挡土墙的参数敏感性。

1 工程概况

成渝高速铁路内江北车站双排桩基础悬臂式挡土墙位于填方路堤段，墙高9.5 m，挡土墙底板宽度为7.53 m，双排桩为直径1.5 m的圆桩，桩长20 m。根据地质报告，地层情况自上而下分布为：①软粉质黏土，软塑～流塑状，厚5～12 m；②强风化泥岩夹砂岩，厚2～10 m；③弱风化泥岩夹砂岩。

在结构修建于路基填筑过程中，埋设了土压力计、测斜仪导管、钢筋计等元器件。典型断面测点布置如图1所示。

图1 典型横断面及元器件布设示意

2 数值模型

通过选取典型横断面运用有限元软件ABAQUS建立三维数值模型，如图2所示。

图2 双排桩基础悬臂式挡土墙数值模型

表1 模型土层及结构材料参数

3 计算结果对比

3.1 结构应力分布

图3 双排桩基础悬臂式挡土墙结构应力分布

图3为双排桩基础悬臂式挡土墙结构桩基与底板的应力分布情况。由图3(a)可知，内外排桩在锚固点与桩顶处存在明显应力集中，这说明双排桩承担了上部结构传递的竖向荷载与水平荷载，发挥了承载与阻滑的双重作用。由图3(b)可知，挡土墙底板在桩顶连接处存在应力集中，因此在设计过程中应对此处进行结构抗剪简算，必要时应设置桩帽。

3.2 结构水平位移

图4为有限元软件计算的结构变形情况(变形放大100倍)。从结构水平位移情况可以看出，结构整体发生了向临空面平移+转动的变形。结构的最大水平位移为29.4 mm，位于挡墙悬臂顶端，桩顶最大位移为26.5 mm，水平变形以桩基为主，其水平变形占总变形量的90%以上。

图4 有限元计算的结构变形云图

图5为数值模拟和实测的挡土墙外桩与挡土墙悬臂段水平位移。可知，数值模拟计算结果与实测值变化趋势较为吻合，数值模拟计算结果略大于实测值。

图5 结构水平位移曲线

图6 挡土墙墙背填土水平土压力

3.3 墙背侧向土压力

图6为数值模拟和实测的挡土墙墙背填土水平压力。实测土压力随墙后填土完成后开始监测。由图6可知，墙背水平土压力数值模拟结果和实测值吻合良好，基本随墙高呈线性变化。

4 结构设计参数敏感性分析

双排桩基础悬臂式挡土墙结构的受力、变形及稳定性易受结构尺寸、地质参数等影响。因此通过改变结构高宽比(挡土墙高度与踵板宽度的比值)与软土层厚度讨论结构设计参数。

4.1 高宽比

在双排桩基悬臂式挡土墙结构的设计中，首先假定的是上部挡土墙结构尺寸，挡土墙高度与踵板宽度之比(以下简称高宽比)将影响整个结构的受力与变形。为研究高宽比的合理取值范围，在假定踵板宽度以及下部桩基尺寸不变的前提下，通过改变挡土墙高度，取高宽比分别为1.4,1.6,1.8,2.0,2.2,2.4，2.6建立7组计算模型，分析结构高宽比对结构变形的影响,结果见图7。

图7 结构高宽比对结构水平位移的影响

由图7可知，结构水平位移随高宽比的增加而增大。当高宽比小于1.6时，结构水平位移以桩基水平位移为主，悬臂段水平位移仅占总位移的10%，结构未到达悬臂式挡土墙的变形效果；当高宽比大于2.0时，悬臂段水平位移占总水平位移的比重高达43%～56%，过大的悬臂段水平位移严重威胁结构的安全性。因此，建议设计时取高宽比为1.6～2.0。

4.2 软土厚度

图9 结构弯矩分布

软土地基双排桩基础悬臂式挡土墙结构内力分布与变形受软土厚度影响,见图8、图9。当软土厚度分别为2，4，6，8 m时，结构水平位移随软土厚度的增加而增大，内外排桩与底板弯矩均随软土厚度的增加呈增大的趋势。因此，设计时应注意桩顶处、桩基锚固段处以及底板与各构件连接处等位置的截面检算。在软土层较厚或对路基变形控制严格的地段，需先根据工程需求进行地基加固再修筑双排桩基悬臂式挡土墙结构，以保证结构的安全稳定。

5 结论

1)结构变形以水平变形为主，其中桩基变形占比较大，最大水平位移发生在悬臂式挡墙顶端。

2)结构的桩顶、桩基锚固点处、底板连接处等位置出现应力集中，设计时应对此处进行强度检算。

3)软土地基双排桩基础悬臂式挡土墙结构稳定性、变形量与结构尺寸参数、地基情况密切相关。结合经济性与安全性考虑，建议结构设计高宽比取1.6～2.0，并根据线路的变形控制指标与地基情况采取合适的软土加固措施。