H型桩在顺层高陡路堤边坡中的应用模拟分析

闫博华

(山西省交通规划勘察设计院有限公司 太原市 030032)

0 引言

在公路建设发展过程中,山区工程建设往往会面临大量的陡坡路基。采用桥隧方案通过这些高陡地形区域是常见的建设方案,但此类方案也存在施工难度大、工程造价高的问题。因此,可探索采用路基支挡方案。

H型桩是一种特殊的双排桩支挡结构,除具有双排桩支护刚度大、适用范围广的特点,还具有独特的悬臂结构,能够在有效增大支护刚度的同时降低工程造价。作为一种组合桩板墙受力结构,其具有独特的支挡优势,受到越来越多的关注和研究。

吕俊磊以杭黄铁路某路堤段为研究对象,在分析H型桩抗滑理论的基础上,采用理论分析与数值模拟结合的方式,得到H型桩的内力及位移变化规律,为H型桩的应用提供参考[1]。廖超采用数值模拟方式建立了仿真计算模型,分析H型桩的横梁设置位置等参数对结构内力的影响规律,得到了横梁及嵌固段的最佳设计参数,为H型桩板墙的参数设计提供参考[2]。付明利用ANSYS软件分析了不同工况下H型桩不同受力部位的应力应变情况,得到了应力等指标与荷载间的变化规律和不同车速下的动力响应特征[3]。宁宇等人则在大型滑坡治理工程中,提出采用联合H型桩治理滑坡的设计方案,并通过数值模型分析了抗滑桩在滑坡中的最佳布设位置,得到了H型桩治理滑坡的稳定性系数变化规律[4]。侯丰分析了H型桩在滑坡治理中的应用效果,得出类似研究结论[5]。

从现有研究成果可以看出,H型桩的应用和相关研究较少。H型桩具有刚度大、工程适用性强的特点,因此对H型桩进行深入研究,具有广阔的工程应用前景。

文章以某新建高陡路堤工程为研究对象,采用数值模拟软件分析了H型桩在该路基支挡中的应用情况,以期为类似工程实践提供参考。

1 工程概况

1.1 地质概况

某新建高速公路位于典型山区地貌地形。该区域地形陡峭,基岩出露较好。根据地勘报告,该地区具体地质情况如下:

(1)地表下0～3m为全风化岩,褐红,呈松散状,稍湿,主要为粉质粘土。该层主要分布于场地表层,层中未见明显滑动面。

(2)地表下3～11m为强风化砂岩,岩石组织结构已基本破坏,裂隙发育,岩体破碎,呈碎块状。

(3)地表11m以下为中分化砂岩,岩体组织结构较完整,硬度大,呈块状,场地内广泛分布。

表1 岩层参数表

各层具体岩层参数见表1。

1.2 工程概况

某拟建一级公路红线宽度为25.5m,根据总体标高设计要求,其中K2+357～K2+480段现状地势较为陡峭,天然地形边坡约为1∶1.2。由于地形陡峭,采用隧道或桥梁的方式通过该区域的造价高,工期长,因此综合考虑采用路基支挡结构的高陡填方路堤方式通过该区域。结合现状地形,采用外高内低的φ1000@2500内置式H型桩作为路基支挡结构,桩顶填筑路基填料至设计标高,其中K2+400处为最不利断面,该处H型桩的长桩位于地面以上的悬臂高度为6m,嵌入中风化岩层深度为2m,桩顶以下6m通过系梁与短桩相连。桩顶以上按1∶1.5两级填方边坡填筑至设计标高。短桩嵌入中风化岩层深度也为2m。清除路堤范围内的表层全风化岩并挖设宽度不小于2m的反坡台阶。典型横断面如图1所示。

图1 H型桩支挡典型横断面图

2 有限元模型建立

为了更好地分析H型桩在高陡路堤边坡中的支护效果,采用有限元软件对该路堤边坡进行模拟分析。

2.1 材料参数及边界条件

根据工程实况,建立二维有限元模型。模型中的土体采用平面应变单元,选用摩尔—库伦本构模型,土体参数选取见表1。H型桩采用C35混凝土材料,选用弹性本构模型,重度25 kN/m3,弹性模量30GPa,泊松比μ为0.2。

为了降低边界约束对模型的影响,选取模型坡底宽度为100m,高度为145m,坡面与实际边坡一致。在模型底部约束其水平和竖向位移,模型两侧约束竖向位移,允许其发生水平位移变形。

值得注意的是，殖民国家与被殖民国家借助翻译争夺话语权的博弈远非单方面的侵入，而是夹杂着被侵入文化持续不断的抵抗。下文将以十九世纪的《万国公法》为例，从权力运作角度解读清末国际法翻译活动中的矛盾现象。

2.2 施工阶段模拟

为了更好地还原整个施工过程,根据实际施工过程进行模拟,各施工步序如下:(1)开挖路堑边坡;(2)从上至下开挖台阶1至台阶10;(3)施工H型桩;(4)从下至上压实回填路基10至路基1;(5)通车。有限元模型见图2。

图2 有限元模型

3 有限元结果分析

根据上述有限元模型,提取模型计算结果并整理分析,得到H型桩对路堤边坡的支挡效果。

3.1 路面沉降

提取路面沉降云图,如图3所示。

图3 路面沉降位移云图(单位:cm)

从图3可知,路面的沉降并未表现出传统路堤两侧沉降小、道路中央沉降大的U型沉降盆变化规律,而是表现出临空侧沉降值较大并向靠山侧逐渐减小的线性变化规律。从沉降位移云图可以看出,道路的最大沉降值位于道路临空侧路肩位置处,沉降值为10.36cm;在道路靠山侧路面有轻微隆起,隆起值为0.73cm。结合其变形趋势,可分析得到沉降产生的原因:即由于下覆岩土体岩性较好,在路基填土的自重应力作用下,其产生的沉降变形较小。路堤边坡整体发生向临空面变形的位移趋势,使得临空面路肩处的路基填土顺着坡面方向斜向下方变形,从而产生较大的沉降位移。由于靠山侧的路基填土受到外侧土体约束,土体填筑高度较小,因此产生的位移较小,变形程度低,整体呈现出临空面路面沉降大、靠山侧路面沉降小的变形规律。

3.2 塑性区分布

提取路堤边坡的等效塑性应变云图,见图4。

图4 道路塑性应变分布云图

从图4可知,道路通车后,路堤边坡内几乎未产生塑性应变区,仅在H型桩长桩悬臂段支护的土体范围内出现局部塑性变形,最大塑性应变值为0.147。究其原因,长桩的悬臂支护段由于土压力的作用,桩体发生一定的位移,从而使得路堤土体也产生相应的侧向位移,形成局部塑性应变区。整体上看,在H型桩的支护下,路堤边坡范围内的土体未发生较大塑性应变,也未产生大范围的塑性应变区,因此H型桩有效确保了路堤边坡的稳定性。

3.3 路堤边坡稳定性

为了分析路堤边坡的整体稳定性是否满足规范要求,基于强度折减法,利用有限元软件的稳定性分析模块对路堤边坡进行分析,得到极限平衡状态下的路堤边坡塑性应变云图,如图5所示。

图5 极限平衡状态下的道路塑性应变分布云图

可以看出,当路堤边坡达到极限平衡时,从坡顶到坡脚产生了沿着强风化岩和中风化岩层交界面的贯通塑性应变带。在H型桩的嵌固端附近,塑性应变区出现了局部凸向中风化岩层的塑性应变区。这说明一是由于H型桩的支护作用阻碍了塑性应变区的贯通,使得塑性应变区绕过桩底向岩层深处发展;二是桩体对阻碍路堤边坡产生贯通的塑性应变带起到了较好的阻碍作用。同时,H型桩长桩悬臂段支护范围内的土体也产生了较大的塑性应变,最大塑性应变值为1.978,出现在长桩桩顶附近。根据计算结果,基于强度折减法计算得到的边坡稳定性系数为2.05,满足规范设计要求。

3.4 桩体位移

提取H型桩的桩身水平位移结果,整理后如图6所示。

图6 桩身位移分布图

从图6可知,长桩和短桩的水平位移整体分布规律并不一致。从长桩的水平位移分布趋势来看,桩顶位移为0.4cm,从桩顶向下逐渐增大,在桩身与系梁连接部位附近取得最大水平位移值1.17cm,随后逐渐减小至桩底,桩底位移约等于0,总体呈现先增大后减小的变化趋势,桩身位移值满足公路路基支挡结构相关设计要求。短桩的水平位移分布规律与长桩具有明显差异,短桩在桩顶取得最大水平位移值0.88cm,并沿着桩顶向下递减,桩底水平位移约等于0。系梁左端最大水平位移为1.13cm,右端水平位移为0.68cm。结合桩体变形趋势可知上述位移发生原因。长桩以上悬臂段仅受到桩后土体作用,从桩顶向下,土压力越来越大,因此桩体产生的侧向水平位移也越来越大。在与系梁相连及以下桩身部位,长桩受到系梁及桩前土体的被动土压力抵抗作用,桩体的水平位移逐渐收敛,并减小至桩底,而系梁在长桩的变形牵引下出现了整体的水平位移变化,从而带动埋入土体内部的短桩产生侧向水平位移。由于短桩几乎全部埋入土体,从桩顶向下,受到桩前被动土压力的作用越来越大,因此其水平位移也逐渐减小,呈现逐渐减小的变化趋势。

3.5 桩身内力

提取H型桩的桩身弯矩,如图7所示。

图7 桩身弯矩分布云图

从图7可知,H型桩的桩身弯矩主要集中在上半部分桩体范围内。长桩的悬臂段迎土侧受弯,弯矩从桩顶向下逐渐增加,在系梁连接处受到系梁的集中弯矩作用形成反向弯矩,并随桩身向下逐渐减小,在系梁以下4.48m附近处弯矩减小约为0。从图7可以看出,长桩的控制设计截面位于与系梁连接处,弯矩最大值为3135.6 kN·m,得到其最大应力为32 MPa。系梁两端上侧受弯,中间部分下侧受弯,属于典型的简支梁受力模式,系梁最大弯矩为2253.6 kN·m,最大应力为23 MPa。短桩桩身范围内的弯矩相比长桩和系梁较小,非H型桩设计的控制因素。对比长短桩弯矩减小的位置可以看出,短桩在系梁以下3.83m附近处弯矩减至最小。结合桩体在各个土层范围内的分布深度可以看出,长短桩桩体进入到强风化岩内部后,岩层对桩体的约束作用逐渐增强,使得桩身弯矩迅速减小。图7表明,设计时应加强长短桩与系梁连接处的设计,增设加腋等构造措施,降低应力集中,同时可根据桩身弯矩对长短桩进行差异配筋设计,提高H型桩的工程经济性。

4 结论

文章以顺层高陡路堤边坡为研究对象,利用有限元软件分析了H型桩对高陡路堤的支挡效果,得出以下结论:

(1)道路最大沉降为10.36cm,位于临空侧路肩附近,并向靠山侧递减,最小沉降为0.73cm。

(2)在H型桩支护下,路堤填土仅在长桩附近有局部塑性分布,最大塑性应变为0.147,稳定性系数为2.05,整体稳定性良好。

(3)H型桩最大水平位移为1.17cm,位于长桩与系梁连接处,桩顶位移较小,满足规范要求。

(4)H型桩桩身最大弯矩为3135.6 kN·m,系梁最大弯矩为2253.6 kN·m,桩身进入强风化岩后弯矩迅速减小,设计时可根据弯矩进一步优化配筋,提高H型桩的工程经济性。