H型桩在顺层高陡路堤边坡中的应用模拟分析.pdf

文章编号:():./.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)摘 要:以某顺层高陡路堤边坡为研究对象通过有限元软件模拟分析了 型桩在路基支挡中的应用效果得出以下主要结论:道路最大沉降为.路堤边坡的稳定性系数为.整体稳定性较好 型桩最大水平位移为.桩身最大弯矩为.系梁最大弯矩为.设计时可根据桩身受力情况进一步优化结构配筋提高 型桩的工程经济性 关键词:型桩高陡路堤沉降位移塑性应变桩身内力中图分类号:.文献标识码: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 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 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 型桩的内力及位移变化规律为 型桩的应用提供参考 廖超采用数值模拟方式建立了仿真计算模型分析 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 型桩板墙的参数设计提供参考 付明利用 软件分析了不同工况下 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 宁宇等人则在大型滑坡治理工程中提出采用联合 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 型桩治理滑坡的稳定性系数变化规律 侯丰分析了 型桩在滑坡治理中的应用效果得出类似研究结论从现有研究成果可以看出 型桩的应用和相关研究较少 型桩具有刚度大、工程适用性强的特点因此对 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 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 工程概况.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:()地表下 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()地表下 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()地表 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各层具体岩层参数见表.工程概况某拟建一级公路红线宽度为.根据总体标高设计要求其中 段现状地 年 第 期 北方交通表 岩层参数表土层参数容重/(/)弹性模量/泊松比粘聚力/内摩擦角/()全风化岩.强风化岩.中风化岩.势较为陡峭天然地形边坡约为 .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 内置式 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 处为最不利断面该处 型桩的长桩位于地面以上的悬臂高度为 嵌入中风化岩层深度为 桩顶以下 通过系梁与短桩相连 桩顶以上按 .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 清除路堤范围内的表层全风化岩并挖设宽度不小于 的反坡台阶 典型横断面如图 所示图 型桩支挡典型横断面图 有限元模型建立为了更好地分析 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.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 型桩采用 混凝土材料选用弹性本构模型重度 /弹性模量泊松比 为.为了降低边界约束对模型的影响选取模型坡底宽度为 高度为 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.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:()开挖路堑边坡()从上至下开挖台阶 至台阶()施工 型桩()从下至上压实回填路基 至路基()通车 有限元模型见图 图 有限元模型 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 型桩对路堤边坡的支挡效果.路面沉降提取路面沉降云图如图 所示图 路面沉降位移云图(单位:)从图 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 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.在道路靠山侧路面有轻微隆起隆起值为.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北方交通 年 第 期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.塑性区分布提取路堤边坡的等效塑性应变云图见图 图 道路塑性应变分布云图从图 可知道路通车后路堤边坡内几乎未产生塑性应变区仅在 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 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 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 型桩有效确保了路堤边坡的稳定性.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 所示图 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 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 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 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.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.满足规范设计要求.桩体位移提取 型桩的桩身水平位移结果整理后如图 所示图 桩身位移分布图从图 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.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.随后逐渐减小至桩底桩底位移约等于 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.并沿着桩顶向下递减桩底水平位移约等于 系梁左端最大水平位移为.右端水平位移为.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 年 第 期 闫博华:型桩在顺层高陡路堤边坡中的应用模拟分析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.桩身内力提取 型桩的桩身弯矩如图 所示图 桩身弯矩分布云图从图 可知 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.附近处弯矩减小约为 从图 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.得到其最大应力为 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.最大应力为 短桩桩身范围内的弯矩相比长桩和系梁较小非 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.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 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 型桩的工程经济性 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 型桩对高陡路堤的支挡效果得出以下结论:()道路最大沉降为.位于临空侧路肩附近并向靠山侧递减最小沉降为.()在 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.稳定性系数为.整体稳定性良好()型桩最大水平位移为.位于长桩与系梁连接处桩顶位移较小满足规范要求()型桩桩身最大弯矩为.系梁最大弯矩为.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 型桩的工程经济性参考文献 吕俊磊.陡坡填方路基 型桩板墙受力机理研究.路基工程():.廖超.高速铁路陡坡路基 型桩板墙关键设计参数分析.铁道标准设计():.付明.路堤支挡设计中 型桩结构受力分析.路基工程():.宁宇黄青富郝李坤等.联合 型桩在滑坡体阻滑中应用数值模拟研究.科学技术与工程():.侯丰.基于 软件的 型桩支挡结构分析/第十一届边坡工程技术大会论文集.宜昌:.(.)(下转第 页)北方交通 年 第 期程中应保证系统锚杆及超前支护加固围岩的同时对隧道周边溶洞发育情况起到预探作用参考文献 肖喜 赵晓彦 张巨峰等.岩溶隧道涌突水破坏模式分类及防突厚度研究.工程地质学报():.余龙.某公路隧道不同位置溶洞的处治.中国水运(下半月)():.赵少忠 黄鑫 许振浩等.齐岳山隧道岩溶发育特征与溶洞处治技术研究.隧道建设(中英文)():.聂信辉.高速铁路岩溶隧道大型溶洞综合勘察及处理技术研究.铁道标准设计():.刘旭斌 申翔宇 闵新皓.基于超前地质预报的大型岩溶隧道处理技术.现代隧道技术():.何省 余大龙 康芮.隧道施工大型岩溶整治探讨.高速铁路技术():.林本涛 巩江峰.朱砂堡二号隧道特大型岩溶空腔处理技术.高速铁路技术():.袁永才 李术才 李利平等.岩溶隧道施工过程中大型溶洞的综合预报及治理方案研究.现代隧道技术():.王建王丽君马建新等.岩溶地区公路隧道穿越大型溶洞处治措施分析.地下空间与工程学报():.郭正言 刘长平.地质雷达在岩溶地区公路工程勘察中的应用.公路():.(.).(上接第 页).:.北方交通 年 第 期