桩板式深路堑挡土墙结构的安全性数值分析

论文导读：桩板墙是一种新型支挡结构。或采用预应力锚索抗滑桩板墙等手段使边坡得到治理。维有限元，桩板式深路堑挡土墙结构的安全性数值分析。
关键词：预应力，桩板墙，二维有限元
 

1、前言

支挡结构在土木工程中有着悠久的历史。桩板墙是一种新型支挡结构，其通过将桩插入地面（带）以下的稳定地层中作为主要承力构件,桩间安装挡土板,利用挡土板挡护墙后填土并通过挡土板将荷载传递至桩身的支挡结构。桩板墙是通过抗滑桩强大的抗滑能力来抵抗墙后土体的推力，从而起到很好的支挡效果[1]。一根桩通常可以承担上千千牛甚至上万千牛的滑坡推力。在支挡大型、特大型边坡时还可以使用多排桩联合使用，或采用预应力锚索抗滑桩板墙等手段使边坡得到治理。由于其具有抗滑能力强、圬工量小、桩位布置灵活、施工方便、施工影响范围小等诸多优点，目前已在铁路公路港口等工程中得到广泛应用。本文对哈尔滨西站进站端H型桩板式深路堑挡土墙结构进行二维整体稳定性的数值模拟计算，反映了框架型桩板式深路堑挡土墙结构的受力状态，对桩板墙的特点做出了近一步的论证。

2、工程概况

工点位于哈尔滨西站进站端，为哈大客运专线和动车走行线四线铁路，中间为速度目标值350km/h的有渣客运专线，两侧为动车走行线。路基工程以深路堑形式通过，挖方深度6～16m，堑顶左侧为既有哈大铁路，距最外侧线路中心距离约20～40m。计算及原位观测断面选择桩长度32米及桩间板，桩悬臂长度16米，地面以下锚固段16米。

3、有限元模型的建立

3.1结构模型及参数

midas有限元模型采用线弹性模型，墙面桩和锚定桩为C40钢筋混凝土桩，弹性模量E=25Gpa，采用邓肯-张非线弹性E-µ模型。有3种接触面：桩锚固段混凝土与基岩、钢筋混凝土（挡土板与墙面桩简支）与填土和填土与基岩。除混凝土与基岩接触面类比工程取值外'均由室内试验邓肯-张 模型求E-µ模型求得【2】。锚固桩截面在锚固段长2.5米，宽2米，灌注桩直径1.25米。各种材料模型参数见表1

表1材料参数表

采用了3种单元类型 ，即实体单元，杆单元和接触单元。墙面桩，锚定桩和填土采用实体单元，墙面桩与填土、填土与地基、锚定桩与基岩接触面采用接触单元【2】。

3.2边界条件及单元的划分

在本模型中下边界采用固端约束，两侧边界采用水平方向的滑动约束，对于锚固桩在桩底采用铰支约束。

按抗弯刚度相等的原则将桩板转换成等厚板【3】。对于岩土采用四边形单元模拟，对于锚固桩及横撑采用梁单元模拟，具体及单元参数分别见表2。

表2 单元参数表

3.3荷载的确定

桩板墙后的土压力是该结构的主要荷载。对于二维模型，2桩之间6m范围内挡土板承受的土压力可按照土力学计算公式【4】求得：

作用点位于板底向上1/3板高处，再按简支梁理论，将平均分配到板两侧的锚固桩上。在midas中把挡土板换算的荷载以三角形分布荷载的形式加到桩上。

在midas二维模型当中我们也可以通过加大密度的方法来施加土压力。博士论文，二维有限元。也就是说可以在本模型中把桩后土体的密度扩大a倍来模拟实际情况的，a为2桩之间的距离这就相当于把挡土板间的土压力都作用在了桩上。博士论文，二维有限元。

4 计算结果及分析

4.1土体应力、应变情况分析

填土压力作为主要荷载作用于桩及板上，桩刚度作用的结果产生墙面桩水平位移，位移变化又使填土压力相应增减。图1为土体竖直方向应力云图。

图 1竖直方向应力云图图图2 水平方向位移云图

由计算结果可得土体最大水平应力为7.51KN/m2，土体最大竖向应力-8.21KN/m2 ，且均出现在堑顶。而最大水平位移为1.9cm出现在堑顶，土体最大竖向位移为0.7cm出现在距堑脚10米处。

由应力应变云图分析可得：

（1）土压力随填土深度里非线性增加【5】。由于地面摩阻力作用。土压力从地面以上2 m开始往下迅速减小【6】。这点与理论土压力分布情况不同。

（2）受开挖引起的二次应力场的影响，在开挖基底部位出现较大的应力集中现象。在这种应力高度集中环境下将很容易导致开挖基底处的破坏。而实际情况是，在桩体的作用下原来的应力集中现象得到了根本改善。

（3）桩体不但抑制了坡体的向外变形，而且协调了上部岩土体和锚固段岩土体的变形，使两部份岩土体形成共同作用体，充分发挥锚固段岩土体的阻抗能力。

4.2桩板墙受力情况分析

桩是该支护结构的主要受力构件，桩弯矩、位移是桩材、截面尺寸、钢筋设计的主要依据。下图3-4为桩板墙应力、应变云图。博士论文，二维有限元。博士论文，二维有限元。

图3桩弯矩图图4桩水平位移图

图图5桩竖向位移图

从二维分析结果可以看出：

（1）墙面桩弯矩填士侧受弯为正，因为该桩板墙没有加锚索，所以桩为悬臂梁，因此全为正弯矩。博士论文，二维有限元。

（2）结构整体稳定性较好，没有出现明显的破坏区域。博士论文，二维有限元。从结构受力情况来看桩与横撑连接处以及桩悬臂最顶端为支护结构相对来说的薄弱部位，因为此处所受弯矩及剪力值最大，悬臂最顶端的水平位移也最大，因此设计时应注意加强这些薄弱部位的结构受力设计。如果需要的话应该在悬臂端设置锚索，以改善受力情况，从而提高结构的稳定性和安全性。因为水平位移最大值出现在桩顶位置，因此还应改注意此位置出现的水平位移对周边建筑物的影响，并注意在设计及施工时采取相应的防范预警措施。

5 结论及建议

计算中，填土及接触单元应力．应变关系采用了非线弹性邓肯-张模型，混凝土、地基、锚索采用了线弹性模型。结构单元采用了实体单元、杆单元和接触元。数值计算中考虑了材料、结构的特点、荷载的施加以及模型边界条件处理等问题，较好的模拟了实际工程。得出如下几点结论：

（1）锚固段岩基较坚硬完整，应力、应变相对较小，即锚固段是较可靠的；

（2）桩板墙结构能够较好地将上部变形体和下部锚固段岩土体连接成一个共同作用体。将上部变形体剩余下滑推力传递给下部稳定岩土体利用其自身强大抗弯能力，在阻止上部变形体出现过大的侧向变形的同时，能够较好地协调两部分岩土体侧向变形差异；

（3）从分析来看，开挖到横撑位置时，路堑顶部会产生一定的位移，因此设计时应作相应的技术防范处理，防止产生过大位移，施工时应随时注意对最危险部位进行监控，需要的话可采取一些临时加固措施；

（4） 排桩最外部的边桩、桩间挡土板和横撑交接处等部位出现了明显的应力集中，数值计算表面未出现塑性变形，应力值也在结构强度允许的范围内。但在设计时应注意对这些部位进行加强以及仔细的验算，施工时也对这些部位也应该特别注意。

参考文献：
[1]凌天清曾德荣公路支挡结构[M]人民交通出版社2006,1
[2]富海鹰何昌荣陈群预应力锚拉式桩板墙的二维有限元计算[J].西南交通大学学报.2003,8:38-4
[3]富海鹰预应力锚拉式桩板墙结构的原型、模型试验及数值模拟分析[学位论文]1997
[4]高大钊袁聚云土质学与土力学[M]人民交通出版社2006,3
[5]张续董·魏段兴描定板挡土结构的实测土压力及其分析研究[J]岩土工程学报．1994，l6(2)：73～79
[6]顾慰慈牯性土主动土压力的计算[J]．水利学报，1991.(1)=55～64