新型组合式支挡结构有限元分析★

罗 鑫 梁凌川

(湖南工业大学土木工程学院，湖南 株洲 412007)

0 引言

随着高速公路以及高速铁路的快速发展，出现了大量陡坡路基工程，然而传统的重力式挡土墙已经不能完全满足对路基的变形控制和耐久性要求，需要提出新型的支挡结构以适用于多变的实际工程[1,2]。在许多实际工程中，天然地基的承载力往往达不到设计要求，无法使用传统的重力式挡土结构，而目前挡土墙下使用桩是一种常见的提高地基承载力的处理方法[3,4]。这种桩与挡土墙组合的新型支挡结构由于极强的横向抗变形能力而广泛应用于深基坑支护工程和滑坡治理工程中[5,6]。本文根据土质陡边坡特点，综合了扶壁式挡土墙和双排抗滑桩的特性，提出扶壁椅式抗滑桩挡土墙支挡结构，扶壁椅式挡土墙由上部结构和下部结构两部分组成，其中上部结构为扶壁式挡土墙，下部结构为由主桩和副桩组成的椅式桩。

1 扶壁椅式挡土墙及其特点

扶壁椅式挡土墙是由钢筋混凝土桩、竖向挡土板和承台板组成，如图1所示。扶壁椅式挡土墙改变了桩的结构形式，将原来的“h”型桩改为椅式桩，将原来的横梁由承台板代替，提高了桩的抗侧移能力和整体稳定性。

与原来重力式挡土墙相比，扶臂椅式挡土墙具有较强的抗变形能力和整体协同性，能有效维持陡坡的稳定。扶壁椅式挡土墙具有以下特点：1)新型组合结构布置形式灵活，可根据不同的工况来改变布置形式；2)扶壁椅式挡土墙为超静定结构，承台与主桩和副桩相连增大了整体结构的刚度，使桩身的内力和水平位移都有大幅度的降低；3)扶壁椅式挡土墙的整体重心偏向于主桩一侧，可增强结构抵抗土压力的能力，并有效提高了扶壁椅式挡土墙的整体稳定性。由于桩的上方设置了承台，提高了桩的抗剪承载力，减小了桩的沉降；4)扶臂椅式挡土墙为超静定空间结构，能自动调整桩身内力分布，使之适应复杂多变的荷载条件。

2 扶壁椅式挡土墙有限元模型的建立

使用有限元软件ABAQUS进行结构分析，结构尺寸如图1所示，扶壁椅式挡土墙为混凝土材料，混凝土重度为25 kN/m3,地基土和挡土墙上方填土均采用粘性土，采用摩尔—库仑模型进行模拟。具体材料参数如表1所示。

表1 力学参数表

模拟时采用实体单元，仅考虑重力荷载对结构的影响，设置约束时，在地基底面设置完全约束，在土体的侧面设置单向约束使土体外表面只产生竖向位移。扶壁椅式挡土结构与地基土和填土之间存在着复杂的接触关系，在接触分析中选择扶壁椅式挡土结构为主表面，土体为从表面，在接触属性中定义法向分量和切向分量，其中切向行为中定义罚函数摩擦系数为0.6；由于桩的底部与土体始终相连接，所以在桩底与土体进行绑定设置，如图2所示。

3 计算结果分析

3.1 位移结果分析

扶壁椅式挡土墙的水平位移云图如图3所示。

主桩底部和主桩顶部的水平位移分别为5.04 mm和14.1 mm，在填土重力和自身重力的作用下扶壁椅式挡土墙的倾斜量为9.06 mm。扶壁椅式挡土墙的水平位移从桩底向上至承台位置逐渐变大，如图3所示，副桩底部的水平位移略小于主桩底部的水平位移，在地基中桩的水平位移近似线性增加，在与承台连接的位置，主桩与副桩具有相同的水平位移，表明在外荷载作用下承台连接主桩与副桩共同承担荷载作用，使扶壁椅式结构具有良好的整体性。主桩的水平位移变化在承台位置发生转折，在地基上部的主桩随着高度的增加，水平位移不再增加。

3.2 扶壁式挡土墙抗滑桩轴力分析

图4显示了桩的轴力变化，可以看出桩底处轴力最小，而轴力最大值出现在桩的中间位置，轴力在桩上随深度增加呈现出先增大后减小的趋势。图4中显示出主桩的轴力明显高于副桩的轴力，这是由于扶壁椅式挡土墙重心偏向于主桩一侧，在同一水平位置，主桩轴力平均高于副桩轴力0.57 MN。

4 结语

新型组合结构——扶壁椅式挡土墙结构在变形控制的有效性、结构形式布置的灵活性等方面得以很好的体现，本文利用ABAQUS软件对扶壁椅式挡土墙进行了有限元分析，得出以下结论：1)承台以上部分桩的水平位移不再明显变化；2)轴力在桩上呈现出先增大后减小的趋势，在同一水平位置，主桩轴力平均高于副桩轴力0.57 MN。