樁板式深路塹擋土墻結(jié)構(gòu)的安全性數(shù)值分析

1、樁板式深路塹擋土墻結(jié)構(gòu)的安全性數(shù)值分析    論文導(dǎo)讀：樁板墻是一種新型支擋結(jié)構(gòu)?；虿捎妙A(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁板墻等手段使邊坡得到治理。維有限元，樁板式深路塹擋土墻結(jié)構(gòu)的安全性數(shù)值分析。 關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力，樁板墻，二維有限元    1、前言 支擋結(jié)構(gòu)在土木工程中有著悠久的歷史。樁板墻是一種新型支擋結(jié)構(gòu)，其通過將樁插入地面（帶）以下的穩(wěn)定地層中作為主要承力構(gòu)件,樁間安裝擋土板,利用擋土板擋護(hù)墻后填土并通過擋土板將荷載傳遞至樁身的支擋結(jié)構(gòu)。樁板墻是通過抗滑樁強(qiáng)大的抗滑能力來抵抗墻后土體的推力，從而起到很好的支擋效果1。一根樁通

2、?？梢猿袚?dān)上千千牛甚至上萬千牛的滑坡推力。在支擋大型、特大型邊坡時(shí)還可以使用多排樁聯(lián)合使用，或采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁板墻等手段使邊坡得到治理。由于其具有抗滑能力強(qiáng)、圬工量小、樁位布置靈活、施工方便、施工影響范圍小等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已在鐵路公路港口等工程中得到廣泛應(yīng)用。本文對(duì)哈爾濱西站進(jìn)站端H型樁板式深路塹擋土墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維整體穩(wěn)定性的數(shù)值模擬計(jì)算，反映了框架型樁板式深路塹擋土墻結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，對(duì)樁板墻的特點(diǎn)做出了近一步的論證。 2、工程概況 工點(diǎn)位于哈爾濱西站進(jìn)站端，為哈大客運(yùn)專線和動(dòng)車走行線四線鐵路，中間為速度目標(biāo)值350km/h的有渣客運(yùn)專線，兩側(cè)為動(dòng)車走行線。路基工程以深路塹形式通過，挖方深

3、度616m，塹頂左側(cè)為既有哈大鐵路，距最外側(cè)線路中心距離約2040m。計(jì)算及原位觀測(cè)斷面選擇樁長度32米及樁間板，樁懸臂長度16米，地面以下錨固段16米。 3、有限元模型的建立 3.1結(jié)構(gòu)模型及參數(shù) midas有限元模型采用線彈性模型，墻面樁和錨定樁為C40鋼筋混凝土樁，彈性模量E=25Gpa，采用鄧肯-張非線彈性E-µ模型。有3種接觸面：樁錨固段混凝土與基巖、鋼筋混凝土（擋土板與墻面樁簡支）與填土和填土與基巖。除混凝土與基巖接觸面類比工程取值外"均由室內(nèi)試驗(yàn)鄧肯-張 模型求E-µ模型求得【2】。錨固樁截面在錨固段長2.5米，寬2米，灌注樁直徑1.25米。各種材料

4、模型參數(shù)見表1 表1材料參數(shù)表      材料（ID）    黏質(zhì)黃土    粉質(zhì)黏土    C40混凝土     模型類型    摩爾庫侖    摩爾庫侖    線彈性     彈性模量（E）kN/m²  &

5、#160; 5,000    10,000    32.5e6     泊松比（）    0.25    0.25    0.3     容重（）kN/m³    18.4    19.3  

6、0; 25     容重（飽和）kN/m³    18.5    19.4     粘聚力（c）kN/m²    20.78    20.79    -     摩擦角（）    23.97 

7、0;  25.31    -     側(cè)向系數(shù)K0    0.33    0.33    -     采用了3種單元類型 ，即實(shí)體單元，桿單元和接觸單元。墻面樁，錨定樁和填土采用實(shí)體單元，墻面樁與填土、填土與地基、錨定樁與基巖接觸面采用接觸單元【2】。 3.2邊界條件及單元的劃分 在本模型中下邊界采用固端約束，兩側(cè)邊界采用水平方向的滑動(dòng)約

8、束，對(duì)于錨固樁在樁底采用鉸支約束。 按抗彎剛度相等的原則將樁板轉(zhuǎn)換成等厚板【3】。對(duì)于巖土采用四邊形單元模擬，對(duì)于錨固樁及橫撐采用梁單元模擬，具體及單元參數(shù)分別見表2。 表2 單元參數(shù)表      網(wǎng)格組名稱    單元類型    材料名稱（ID）    截面特性     黏質(zhì)黃土層    四變形單元或六面體單元    

9、;黏質(zhì)黃土    -     粉質(zhì)黏土    四變形單元或六面體單元    粉質(zhì)黏土    -     錨固樁    直線梁單元    C40混凝土    長2.5米，寬2米     灌注樁 

10、;   直線梁單元    C40混凝土    直徑1.25米     3.3荷載的確定 樁板墻后的土壓力是該結(jié)構(gòu)的主要荷載。對(duì)于二維模型，2樁之間6m范圍內(nèi)擋土板承受的土壓力可按照土力學(xué)計(jì)算公式【4】求得： 作用點(diǎn)位于板底向上1/3板高處，再按簡支梁理論，將平均分配到板兩側(cè)的錨固樁上。在midas中把擋土板換算的荷載以三角形分布荷載的形式加到樁上。 在midas二維模型當(dāng)中我們也可以通過加大密度的方法來施加土壓力。博士論文，二維有限元。也就是說可

11、以在本模型中把樁后土體的密度擴(kuò)大a倍來模擬實(shí)際情況的，a為2樁之間的距離這就相當(dāng)于把擋土板間的土壓力都作用在了樁上。博士論文，二維有限元。 4 計(jì)算結(jié)果及分析 4.1土體應(yīng)力、應(yīng)變情況分析 填土壓力作為主要荷載作用于樁及板上，樁剛度作用的結(jié)果產(chǎn)生墻面樁水平位移，位移變化又使填土壓力相應(yīng)增減。圖1為土體豎直方向應(yīng)力云圖。 圖 1豎直方向應(yīng)力云圖圖圖2 水平方向位移云圖 由計(jì)算結(jié)果可得土體最大水平應(yīng)力為7.51KN/m2，土體最大豎向應(yīng)力-8.21KN/m2 ，且均出現(xiàn)在塹頂。而最大水平位移為1.9cm出現(xiàn)在塹頂，土體最大豎向位移為0.7cm出現(xiàn)在距塹腳10米處。 由應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D分析可得： （1）

12、土壓力隨填土深度里非線性增加【5】。由于地面摩阻力作用。土壓力從地面以上2 m開始往下迅速減小【6】。這點(diǎn)與理論土壓力分布情況不同。 （2）受開挖引起的二次應(yīng)力場(chǎng)的影響，在開挖基底部位出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在這種應(yīng)力高度集中環(huán)境下將很容易導(dǎo)致開挖基底處的破壞。而實(shí)際情況是，在樁體的作用下原來的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了根本改善。 （3）樁體不但抑制了坡體的向外變形，而且協(xié)調(diào)了上部巖土體和錨固段巖土體的變形，使兩部份巖土體形成共同作用體，充分發(fā)揮錨固段巖土體的阻抗能力。 4.2樁板墻受力情況分析 樁是該支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，樁彎矩、位移是樁材、截面尺寸、鋼筋設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。下圖3-4為樁板墻應(yīng)力、應(yīng)

13、變?cè)茍D。博士論文，二維有限元。博士論文，二維有限元。 圖3樁彎矩圖圖4樁水平位移圖 圖圖5樁豎向位移圖 從二維分析結(jié)果可以看出： （1）墻面樁彎矩填士側(cè)受彎為正，因?yàn)樵摌栋鍓]有加錨索，所以樁為懸臂梁，因此全為正彎矩。博士論文，二維有限元。 （2）結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較好，沒有出現(xiàn)明顯的破壞區(qū)域。博士論文，二維有限元。從結(jié)構(gòu)受力情況來看樁與橫撐連接處以及樁懸臂最頂端為支護(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)來說的薄弱部位，因?yàn)榇颂幩軓澗丶凹袅χ底畲?，懸臂最頂端的水平位移也最大，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)這些薄弱部位的結(jié)構(gòu)受力設(shè)計(jì)。如果需要的話應(yīng)該在懸臂端設(shè)置錨索，以改善受力情況，從而提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。因?yàn)樗轿灰谱畲笾党霈F(xiàn)

14、在樁頂位置，因此還應(yīng)改注意此位置出現(xiàn)的水平位移對(duì)周邊建筑物的影響，并注意在設(shè)計(jì)及施工時(shí)采取相應(yīng)的防范預(yù)警措施。 5 結(jié)論及建議 計(jì)算中，填土及接觸單元應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用了非線彈性鄧肯-張模型，混凝土、地基、錨索采用了線彈性模型。結(jié)構(gòu)單元采用了實(shí)體單元、桿單元和接觸元。數(shù)值計(jì)算中考慮了材料、結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、荷載的施加以及模型邊界條件處理等問題，較好的模擬了實(shí)際工程。得出如下幾點(diǎn)結(jié)論： （1）錨固段巖基較堅(jiān)硬完整，應(yīng)力、應(yīng)變相對(duì)較小，即錨固段是較可靠的； （2）樁板墻結(jié)構(gòu)能夠較好地將上部變形體和下部錨固段巖土體連接成一個(gè)共同作用體。將上部變形體剩余下滑推力傳遞給下部穩(wěn)定巖土體利用其自身強(qiáng)大抗彎能力，在阻止上部變形體出現(xiàn)過大的側(cè)向變形的同時(shí)，能夠較好地協(xié)調(diào)兩部分巖土體側(cè)向變形差異； （3）從分析來看，開挖到橫撐位置時(shí)，路塹頂部會(huì)產(chǎn)生一定的位移，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)作相應(yīng)的技術(shù)防范處理，防止產(chǎn)生過大位移，施工時(shí)應(yīng)隨時(shí)注意對(duì)最危險(xiǎn)部位進(jìn)行監(jiān)控，需要的話可采取一些臨時(shí)加固措施； （4） 排樁最外部的邊樁、樁間擋土板和橫撐交接處等部位出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，數(shù)值計(jì)算表面未出現(xiàn)塑性變形，應(yīng)力值也在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)。但在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意對(duì)這些部位進(jìn)行加強(qiáng)以及仔細(xì)的驗(yàn)算，施工時(shí)也對(duì)這些部位也應(yīng)該特別注意。    參考文獻(xiàn)： 1凌天清曾德