路堤荷載下帶帽樁—網復合地基力學性狀有限元分析

高勝利，魏 宏，劉天福

(天津城建設計院有限公司，天津 300073)

帶帽樁—網復合地基是指在地基處理過程中，下部土體得到豎直向增強體“樁”的加強從而形成樁土復合地基加固區，上部鋪設水平向增強體“網”從而形成加筋土復合地基加固區，并在樁體設置樁帽以使荷載合理分布，使網—樁—土協同作用、共同承擔荷載的人工地基。帶帽樁-網復合地基自20世紀80年代在國外開始應用于高速公路地基處理以來，在高速公路和鐵路中得到越來越多的應用。帶帽樁-網復合地基具有路堤總沉降和工后沉降量小，經濟性好和能縮短施工工期的優點。

有限元法是一種可以求解復雜工程問題的數值方法。它是建立在現代計算機技術和工程問題基本理論的基礎上，對理論推導無法解決、室內試驗難以實施的工程問題進行“數值模擬”的一種研究手段。本章運用有限元分析軟件Abaqus研究路堤荷載下帶帽樁-網復合地基的力學性狀，為帶帽樁-網復合地基的工程實踐提供一定的參考和指導作用。

1 三維有限元模型的建立

1.1 基本假定

1)在路堤荷載作用下，樁、樁帽和土工格柵被視為各向同性線性均質彈性體，不考慮格柵的非線性;

2)只考慮分析模型的初始應力場，初始位移為零，且不考慮打樁的施工過程;

3)上層土、下層土、填土和墊層材料服從 M-C非線性彈性變形規律;

4)填土分期填筑，每層填土為瞬時加載，分析過程中樁土之間的摩擦系數保持不變。不考慮復合地基在荷載作用下的時間效應，并假定在整個加載過程中產生的超孔隙水壓有足夠的時間消散。

1.2 工程簡述及幾何模型

工程模型:某路基工程，采用帶帽樁一網復合地基技術方案，各組成部分參數如下所述。

良好填土經碾壓夯實后重度為γ=23.3 kN/m3，路堤填土高度H=4 m，路堤填土內摩擦角φ=20°。

樁體為鋼筋混凝土樁，樁長L=25 m，樁徑d=0.6 m，樁間距 S=2.8 m，樁帽邊長 b=1.5 m，樁帽厚度 a=0.5 m，正方形布樁，穿透軟土層。

計算模型以路堤中心線為中線取四分之一對稱模型(如圖1、圖2)。為保證計算模型的收斂性和計算結果的準確性，計算范圍為:中線處與路堤延伸方向取樁間距中點作為中間邊界，路堤中線向里延伸方向取10倍樁徑即為6 m、中線法線方向即沿路堤橫鋪方向取距中線40 m、垂直方向即地表向下方向取二倍樁長即50 m。半幅路面寬12.5 m，路堤底寬19.4 m，路堤填土高度4 m，路堤邊坡為1∶1.5。自下而上三層碎石墊層厚度分別為15 cm、30 cm、15 cm，其間鋪設兩層土工格柵。地基采用雙層土，上下兩層土厚度均為25 m。

圖1 復合地基模型

圖2 樁體模型

1.3 材料本構關系及參數選擇

樁和土工格柵采用線彈性模型，填土、墊層、地基土均采用M-C非線性模型。具體參數如表1。

表1 三維有限元模型主要參數

1.4 接觸面處理

對于非線性模型，接觸的設置對計算結果影響較大。本次模型，樁土接觸面和樁帽四周側壁與土體的接觸面采用主從接觸中的切向摩擦，樁底與土體、墊層與地基土體和樁帽設置節點變形協調的“TIE”法向接觸，只傳遞法向應力。樁帽與樁帽下土體設置主從接觸中的法向接觸，只傳遞法向應力。本模型共設置接觸對148個。

1.5 邊界條件及分析步設置

計算模型左側邊界和右側邊界為垂直于該面的鏈桿約束，模型前、后面為垂直于該面的鏈桿約束，底面為固定約束。

本次計算設置5個分析步。第一分析步為初始地應力平衡分析步，其后將路堤填土分為4次加載，每次加載1 m。

1.6 計算方案簡述

首先，根據實際工程提供的相關資料，對算例進行計算，對路堤荷載下帶帽樁—網復合地基的沉降變形、樁身軸力、樁側摩阻力和樁土應力比進行分析。在討論某一參數對復合地基工作性狀的影響時，其它參數與模型條件和基本算例相同。在分析計算過程中，將模型中第二排樁作為研究對象，其中中線處樁體設為1#樁，向側面依次為2#～7#樁體，除隨樁位的規律圖，其余均以1#樁作為研究對象。

2 計算結果與分析

2.1 帶帽樁—網復合地基沉降特性分析

路堤總沉降隨荷載和樁位變化見圖3和圖4。由圖3、圖4得出以下變形規律:

1)隨著填土荷載的增大，復合地基地表面的沉降量逐漸增大。

2)同一級填土荷載作用下，在路基中心線處，復合地基表面沉降達到了最大值。隨著距路堤中心距離增大，地基表面沉降逐漸減小。

2.2 帶帽樁—網復合地基樁身軸力分布特征

圖3 路堤總沉降隨荷載變化

圖4 路堤總沉降隨樁位變化

樁身軸力隨填土高度變化見圖5。由圖5可見，相同填土高度條件下，樁身軸力最大值出現在樁體中下部，樁身軸力隨著深度的增加呈現先增大后減小的趨勢;不同填土高度條件下，樁身軸力隨著填土高度的增加而增大。

樁身軸力隨樁位變化見圖6。由圖6可知，自路堤中線往兩端延伸，樁身軸力不斷減小，尤其靠近邊坡側樁身軸力減少很快。其中1#～4#樁身軸力非常接近，1#樁位樁身軸力達到最大值。這與路堤荷載的作用形式相符合。

圖5 樁身軸力隨填土高度變化

圖6 樁身軸力隨樁位變化

2.3 帶帽樁—網復合地基樁側摩阻力分布特征

樁側摩阻力隨填土高度變化見圖7。由圖7可見:路堤荷載下帶帽樁—網復合地基樁側摩阻力存在中性點(即正負摩阻力交界點)，但樁帽的存在使其距離樁頂的深度較小。樁側摩阻力隨著填土高度的增加而增大，但其最大值不是發生在樁端，而是發生在樁端附近。這是由于樁端與樁端土體變形近似協調一致，未產生相對位移。隨著填土高度的增加，樁側摩阻力最大值有向下移動的趨勢，并且隨著路堤填土高度的增加，中性點位置基本保持不變。

樁側摩阻力隨樁位變化見圖8，由圖8可見:隨著樁體距路堤中線距離的增大，樁側摩阻力呈現逐漸減小的趨勢。越靠近外側，樁側負摩阻力絕對值越小，中性點越靠下。其中1#～4#樁的樁側摩阻力分布較為接近。

圖7 樁側摩阻力隨填土高度變化

圖8 樁側摩阻力隨樁位變化

2.4 帶帽樁—網復合地基樁土應力比分布特征

樁土應力比隨填土高度和樁位的變化見圖9。由圖9可見:樁土應力比隨著填土高度的增加而增大。這是因為填土的土拱效應、土工格柵的拉膜效應、路堤剛度均隨著填土高度增加而增大，隨著填土高度的增加越來越多的荷載傳遞給了土體;樁土應力比隨著樁體遠離路堤中線而逐漸增大，其中，1#～5#樁的樁土應力比較為接近，但是6#和7#樁的樁土應力比有明顯的下降趨勢。這是因為放坡段處于低荷載水平，低荷載水平下樁土荷載分擔較為接近所致。

圖9 樁土應力比隨填土高度和樁位的變化

3 結語

1)帶帽樁—網復合地基力學性狀隨著樁位的改變而改變。不同荷載水平作用下地基沉降隨著填土荷載的增大而增大。同一級填土荷載作用下，路堤總沉降隨著距中心距離的增大而逐漸減小。

2)相同填土高度條件下，樁身軸力隨著深度的增加呈現先增大后減小的趨勢，自路堤中線往兩端延伸，樁身軸力不斷減小，尤其靠近邊坡側樁身軸力減少很快。不同填土高度條件下，樁身軸力隨著填土高度的增加而增大。

3)樁側摩阻力隨著填土高度的增加而增大，并且樁側摩阻力最大值有向下移動的趨勢，但中性點位置基本保持不變。隨著樁體距路堤中線距離的增加，樁側摩阻力呈現逐漸減小的趨勢。

4)樁土應力比隨著填土高度的增加而增大，隨著樁體遠離路堤中線而逐漸增大。

5)鑒于Abaqus有限元分析軟件自身的局限性和本人使用的熟練程度，本文未深刻考慮土工格柵加筋墊層中土工格柵的變形和受力特性，其中的一些假設也未能充分再現復合地基的真實受力和變形情況。有待以后進一步研究.

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