新型組合式支擋結(jié)構(gòu)有限元分析★

羅 鑫 梁凌川

(湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007)

0 引言

隨著高速公路以及高速鐵路的快速發(fā)展，出現(xiàn)了大量陡坡路基工程，然而傳統(tǒng)的重力式擋土墻已經(jīng)不能完全滿足對(duì)路基的變形控制和耐久性要求，需要提出新型的支擋結(jié)構(gòu)以適用于多變的實(shí)際工程[1,2]。在許多實(shí)際工程中，天然地基的承載力往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，無(wú)法使用傳統(tǒng)的重力式擋土結(jié)構(gòu)，而目前擋土墻下使用樁是一種常見的提高地基承載力的處理方法[3,4]。這種樁與擋土墻組合的新型支擋結(jié)構(gòu)由于極強(qiáng)的橫向抗變形能力而廣泛應(yīng)用于深基坑支護(hù)工程和滑坡治理工程中[5,6]。本文根據(jù)土質(zhì)陡邊坡特點(diǎn)，綜合了扶壁式擋土墻和雙排抗滑樁的特性，提出扶壁椅式抗滑樁擋土墻支擋結(jié)構(gòu)，扶壁椅式擋土墻由上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)兩部分組成，其中上部結(jié)構(gòu)為扶壁式擋土墻，下部結(jié)構(gòu)為由主樁和副樁組成的椅式樁。

1 扶壁椅式擋土墻及其特點(diǎn)

扶壁椅式擋土墻是由鋼筋混凝土樁、豎向擋土板和承臺(tái)板組成，如圖1所示。扶壁椅式擋土墻改變了樁的結(jié)構(gòu)形式，將原來(lái)的“h”型樁改為椅式樁，將原來(lái)的橫梁由承臺(tái)板代替，提高了樁的抗側(cè)移能力和整體穩(wěn)定性。

與原來(lái)重力式擋土墻相比，扶臂椅式擋土墻具有較強(qiáng)的抗變形能力和整體協(xié)同性，能有效維持陡坡的穩(wěn)定。扶壁椅式擋土墻具有以下特點(diǎn)：1)新型組合結(jié)構(gòu)布置形式靈活，可根據(jù)不同的工況來(lái)改變布置形式；2)扶壁椅式擋土墻為超靜定結(jié)構(gòu)，承臺(tái)與主樁和副樁相連增大了整體結(jié)構(gòu)的剛度，使樁身的內(nèi)力和水平位移都有大幅度的降低；3)扶壁椅式擋土墻的整體重心偏向于主樁一側(cè)，可增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵抗土壓力的能力，并有效提高了扶壁椅式擋土墻的整體穩(wěn)定性。由于樁的上方設(shè)置了承臺(tái)，提高了樁的抗剪承載力，減小了樁的沉降；4)扶臂椅式擋土墻為超靜定空間結(jié)構(gòu)，能自動(dòng)調(diào)整樁身內(nèi)力分布，使之適應(yīng)復(fù)雜多變的荷載條件。

2 扶壁椅式擋土墻有限元模型的建立

使用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，扶壁椅式擋土墻為混凝土材料，混凝土重度為25 kN/m3,地基土和擋土墻上方填土均采用粘性土，采用摩爾—庫(kù)侖模型進(jìn)行模擬。具體材料參數(shù)如表1所示。

表1 力學(xué)參數(shù)表

模擬時(shí)采用實(shí)體單元，僅考慮重力荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，設(shè)置約束時(shí)，在地基底面設(shè)置完全約束，在土體的側(cè)面設(shè)置單向約束使土體外表面只產(chǎn)生豎向位移。扶壁椅式擋土結(jié)構(gòu)與地基土和填土之間存在著復(fù)雜的接觸關(guān)系，在接觸分析中選擇扶壁椅式擋土結(jié)構(gòu)為主表面，土體為從表面，在接觸屬性中定義法向分量和切向分量，其中切向行為中定義罰函數(shù)摩擦系數(shù)為0.6；由于樁的底部與土體始終相連接，所以在樁底與土體進(jìn)行綁定設(shè)置，如圖2所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 位移結(jié)果分析

扶壁椅式擋土墻的水平位移云圖如圖3所示。

主樁底部和主樁頂部的水平位移分別為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擋土墻的傾斜量為9.06 mm。扶壁椅式擋土墻的水平位移從樁底向上至承臺(tái)位置逐漸變大，如圖3所示，副樁底部的水平位移略小于主樁底部的水平位移，在地基中樁的水平位移近似線性增加，在與承臺(tái)連接的位置，主樁與副樁具有相同的水平位移，表明在外荷載作用下承臺(tái)連接主樁與副樁共同承擔(dān)荷載作用，使扶壁椅式結(jié)構(gòu)具有良好的整體性。主樁的水平位移變化在承臺(tái)位置發(fā)生轉(zhuǎn)折，在地基上部的主樁隨著高度的增加，水平位移不再增加。

3.2 扶壁式擋土墻抗滑樁軸力分析

圖4顯示了樁的軸力變化，可以看出樁底處軸力最小，而軸力最大值出現(xiàn)在樁的中間位置，軸力在樁上隨深度增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。圖4中顯示出主樁的軸力明顯高于副樁的軸力，這是由于扶壁椅式擋土墻重心偏向于主樁一側(cè)，在同一水平位置，主樁軸力平均高于副樁軸力0.57 MN。

4 結(jié)語(yǔ)

新型組合結(jié)構(gòu)——扶壁椅式擋土墻結(jié)構(gòu)在變形控制的有效性、結(jié)構(gòu)形式布置的靈活性等方面得以很好的體現(xiàn)，本文利用ABAQUS軟件對(duì)扶壁椅式擋土墻進(jìn)行了有限元分析，得出以下結(jié)論：1)承臺(tái)以上部分樁的水平位移不再明顯變化；2)軸力在樁上呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在同一水平位置，主樁軸力平均高于副樁軸力0.57 MN。