軟土地基雙排樁基礎(chǔ)懸臂式擋土墻受力變形的現(xiàn)場測試及數(shù)值模擬分析

周 珩，蘇 謙,2，楊智翔，郭春梅

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

隨著我國高速鐵路的建設(shè)，大量的線路工程不可避免地修建于軟土地基等不良地質(zhì)區(qū)。該類工程面臨的主要問題包括地基不均勻沉降、高填筑體導(dǎo)致的沉降變形過大、支擋結(jié)構(gòu)變形過大應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重等。國內(nèi)外學(xué)者對組合式支擋結(jié)構(gòu)開展了大量的研究。Richard等[1]利用模型試驗(yàn)對承受橫向荷載的微型樁的承載機(jī)理進(jìn)行了研究。白皓等[2]通過模型試驗(yàn)研究了軟巖陡坡段椅式樁支擋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化規(guī)律，提出了相應(yīng)的設(shè)計計算方法。向波等[3]通過開展微型鋼管排樁的原型試驗(yàn)，總結(jié)了該支擋結(jié)構(gòu)的受力與變形規(guī)律，并分析了樁排數(shù)、間距等對結(jié)構(gòu)的影響。陳建峰等[4]結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，研究了軟土地基加筋土擋墻在分級堆載情況下的變形及穩(wěn)定性。上述研究均對各不同結(jié)構(gòu)形式的支擋結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義[5-11]。

雙排樁基礎(chǔ)懸臂式擋土墻由懸臂式擋土墻與雙排灌注樁剛接而成[5]。該結(jié)構(gòu)既可解決地基承載力不足的問題，又可有效控制路基變形，起到承載與支擋的雙重作用[6]。

雙排樁基礎(chǔ)懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用于高速鐵路路基工程中，但其受力與變形特征以及結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)敏感性尚缺少相應(yīng)研究。本文通過有限元軟件ABAQUS建立軟土地基雙排樁基礎(chǔ)懸臂式擋土墻三維數(shù)值模型，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，分析該結(jié)構(gòu)的變形與應(yīng)力分布，討論了軟土地基雙排樁基礎(chǔ)懸臂式擋土墻的參數(shù)敏感性。

1 工程概況

成渝高速鐵路內(nèi)江北車站雙排樁基礎(chǔ)懸臂式擋土墻位于填方路堤段，墻高9.5 m，擋土墻底板寬度為7.53 m，雙排樁為直徑1.5 m的圓樁，樁長20 m。根據(jù)地質(zhì)報告，地層情況自上而下分布為：①軟粉質(zhì)黏土，軟塑～流塑狀，厚5～12 m；②強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖，厚2～10 m；③弱風(fēng)化泥巖夾砂巖。

在結(jié)構(gòu)修建于路基填筑過程中，埋設(shè)了土壓力計、測斜儀導(dǎo)管、鋼筋計等元器件。典型斷面測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 典型橫斷面及元器件布設(shè)示意

2 數(shù)值模型

通過選取典型橫斷面運(yùn)用有限元軟件ABAQUS建立三維數(shù)值模型，如圖2所示。

圖2 雙排樁基礎(chǔ)懸臂式擋土墻數(shù)值模型

表1 模型土層及結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3 計算結(jié)果對比

3.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

圖3 雙排樁基礎(chǔ)懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

圖3為雙排樁基礎(chǔ)懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)樁基與底板的應(yīng)力分布情況。由圖3(a)可知，內(nèi)外排樁在錨固點(diǎn)與樁頂處存在明顯應(yīng)力集中，這說明雙排樁承擔(dān)了上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向荷載與水平荷載，發(fā)揮了承載與阻滑的雙重作用。由圖3(b)可知，擋土墻底板在樁頂連接處存在應(yīng)力集中，因此在設(shè)計過程中應(yīng)對此處進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗剪簡算，必要時應(yīng)設(shè)置樁帽。

3.2 結(jié)構(gòu)水平位移

圖4為有限元軟件計算的結(jié)構(gòu)變形情況(變形放大100倍)。從結(jié)構(gòu)水平位移情況可以看出，結(jié)構(gòu)整體發(fā)生了向臨空面平移+轉(zhuǎn)動的變形。結(jié)構(gòu)的最大水平位移為29.4 mm，位于擋墻懸臂頂端，樁頂最大位移為26.5 mm，水平變形以樁基為主，其水平變形占總變形量的90%以上。

圖4 有限元計算的結(jié)構(gòu)變形云圖

圖5為數(shù)值模擬和實(shí)測的擋土墻外樁與擋土墻懸臂段水平位移?？芍?，數(shù)值模擬計算結(jié)果與實(shí)測值變化趨勢較為吻合，數(shù)值模擬計算結(jié)果略大于實(shí)測值。

圖5 結(jié)構(gòu)水平位移曲線

圖6 擋土墻墻背填土水平土壓力

3.3 墻背側(cè)向土壓力

圖6為數(shù)值模擬和實(shí)測的擋土墻墻背填土水平壓力。實(shí)測土壓力隨墻后填土完成后開始監(jiān)測。由圖6可知，墻背水平土壓力數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測值吻合良好，基本隨墻高呈線性變化。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)敏感性分析

雙排樁基礎(chǔ)懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)的受力、變形及穩(wěn)定性易受結(jié)構(gòu)尺寸、地質(zhì)參數(shù)等影響。因此通過改變結(jié)構(gòu)高寬比(擋土墻高度與踵板寬度的比值)與軟土層厚度討論結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。

4.1 高寬比

在雙排樁基懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，首先假定的是上部擋土墻結(jié)構(gòu)尺寸，擋土墻高度與踵板寬度之比(以下簡稱高寬比)將影響整個結(jié)構(gòu)的受力與變形。為研究高寬比的合理取值范圍，在假定踵板寬度以及下部樁基尺寸不變的前提下，通過改變擋土墻高度，取高寬比分別為1.4,1.6,1.8,2.0,2.2,2.4，2.6建立7組計算模型，分析結(jié)構(gòu)高寬比對結(jié)構(gòu)變形的影響,結(jié)果見圖7。

圖7 結(jié)構(gòu)高寬比對結(jié)構(gòu)水平位移的影響

由圖7可知，結(jié)構(gòu)水平位移隨高寬比的增加而增大。當(dāng)高寬比小于1.6時，結(jié)構(gòu)水平位移以樁基水平位移為主，懸臂段水平位移僅占總位移的10%，結(jié)構(gòu)未到達(dá)懸臂式擋土墻的變形效果；當(dāng)高寬比大于2.0時，懸臂段水平位移占總水平位移的比重高達(dá)43%～56%，過大的懸臂段水平位移嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)的安全性。因此，建議設(shè)計時取高寬比為1.6～2.0。

4.2 軟土厚度

圖9 結(jié)構(gòu)彎矩分布

軟土地基雙排樁基礎(chǔ)懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布與變形受軟土厚度影響,見圖8、圖9。當(dāng)軟土厚度分別為2，4，6，8 m時，結(jié)構(gòu)水平位移隨軟土厚度的增加而增大，內(nèi)外排樁與底板彎矩均隨軟土厚度的增加呈增大的趨勢。因此，設(shè)計時應(yīng)注意樁頂處、樁基錨固段處以及底板與各構(gòu)件連接處等位置的截面檢算。在軟土層較厚或?qū)β坊冃慰刂茋?yán)格的地段，需先根據(jù)工程需求進(jìn)行地基加固再修筑雙排樁基懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)，以保證結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

5 結(jié)論

1)結(jié)構(gòu)變形以水平變形為主，其中樁基變形占比較大，最大水平位移發(fā)生在懸臂式擋墻頂端。

2)結(jié)構(gòu)的樁頂、樁基錨固點(diǎn)處、底板連接處等位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，設(shè)計時應(yīng)對此處進(jìn)行強(qiáng)度檢算。

3)軟土地基雙排樁基礎(chǔ)懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、變形量與結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、地基情況密切相關(guān)。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性與安全性考慮，建議結(jié)構(gòu)設(shè)計高寬比取1.6～2.0，并根據(jù)線路的變形控制指標(biāo)與地基情況采取合適的軟土加固措施。