超前支護樁樁后EPS 墊層優化設置的數值模擬

孫洪利，劉元雪，葉四橋，冉仕平

(1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西西安710075;2.后勤工程學院 建筑工程學院，重慶400041;3.重慶交通大學 河海學院，重慶400074;4.西藏自治區發展和改革委員會，西藏拉薩820000)

高切坡超前支護是指在高切坡形成之前先進行支護結構設計和施工，待支護結構完成后，再開挖邊坡的一種支護方法［1-4］。超前支護可以從根本上避免邊坡工程中“工程-災害-更大工程”的弊端。抗滑樁是邊坡支擋的常用結構，當將其作為超前支護技術措施時，要做到經濟合理的布設是亟待解決的課題，總的原則是容許邊坡發生一定的卸荷、變形，充分調動巖土體自身強度，并通過超前支護樁限制過量變形，避免邊坡破壞，從而既保證邊坡開挖施工期及工后長期安全，又使作用在樁身上的巖土壓力盡量小。基于以上原理，筆者提出在超前支護樁靠山側設置一層EPS墊層材料，通過樁-EPS-土的共同作用，達到既允許高切坡有限變形，又減小樁身巖土壓力的目的。

EPS即聚苯乙烯泡沫，也稱土工泡沫材料，具有較高的抗壓強度和良好的塑性變形能力［5］，在工程結構抗震和路基處理方面得到了越來越多的應用［6-10］。

1 計算模型及參數選擇

1.1 邊坡及超前支護樁概況

某高切坡坡高12 m，坡度為1∶1.5，上部為土層，下部為巖體，因公路建設需要進行開挖，開挖高度為6 m。經評估若不對邊坡進行支護直接開挖，將導致邊坡失穩破壞，為此，采用超前支護樁進行超前加固防護。超前支護樁為C25鋼筋混凝土結構，樁長12 m，截面尺寸1.0 m ×1.5 m，間距為5 m，樁頂距坡腳6 m，坡腳處土層厚2 m，以下為基巖。為研究EPS墊層同超前支護樁及坡體間的相互作用機制，并探討最優的EPS墊層設計，分別設置0，0.2，0.4，0.6，0.8 m 厚度的 EPS 墊層，以及不同密度的聚苯乙烯泡沫(分別為EPS19、EPS22、EPS29)進行數值模擬敏感性分析。

1.2 計算原理及單元劃分

采用ANSYS軟件進行分析。滑體土和基巖采用ANSYS中提供的面單元PLANE 42模擬，抗滑樁采用梁單元BEAM 3模擬。有限元計算網格圖見圖1。

圖1 邊坡模型有限元網格Fig.1 Finite element mesh of slope model

1.3 材料及計算參數

考慮到巖土體材料的非線性特點，巖土體的本構關系采用理想彈塑性模型，屈服準則采用廣泛應用于巖土類材料的Drucker-Prager屈服準則。超前支護樁截面尺寸1 m×1.5 m，間距5 m，而本次平面應變計算縱向只有1 m，也就是說每根樁要承擔5 m寬的滑體的剩余下滑力，因此在有限元模型中將土體的重量乘以5，同時為了確保原有的穩定安全系數不發生變化，將巖土體的黏聚力也乘以5，即保證γ/c不發生變化。考慮樁板面與EPS材料之間的接觸為剛體和柔體接觸，EPS材料與巖土層之間的接觸為柔體-柔體接觸，以Targe169接觸單元模擬樁板面和巖土界面，作為目標面;以Conta171接觸單元模擬EPS表面，作為接觸面。接觸算法采用擴展拉格朗日法。詳細材料參數見表1。

表1 模型材料參數Tab.1 Material parameters of numerical simulation model

(續表1)

2 計算結果及分析

2.1 EPS墊層厚度對超前支護樁的影響

為研究不同厚度EPS墊層材料對超前支護樁樁土共同作用的影響，分別在超前支護樁靠山側布置0～0.8 m厚，密度為19 kg/m3的聚苯乙烯墊層(EPS19)，進行數值模擬敏感性分析。不同厚度聚苯乙烯(EPS19)墊層下超前支護樁側壁土壓力、樁身位移、剪力、彎矩分布曲線見圖2～圖5。

圖2 EPS墊層厚度對超前支護樁側壁土壓力分布的影響Fig.2 Earth pressure on forepoling pile under the influence of EPS cushion thickness

從圖2可以看出，各種情形下土壓力分布曲線形狀比較類似，但EPS墊層材料對土壓力大小有明顯影響，且EPS墊層越厚，土壓力越小，設置EPS可以有效減小作用在超前支護樁上的土壓力，減小幅度約在20%～45%之間。

圖3 EPS墊層厚度對超前支護樁樁身位移的影響Fig.3 Displacement of forepoling pile under the influence of EPS cushion thickness

從圖3可以看出，各種情形下樁身的位移分布形式一致，即最大位移出現在抗滑樁頂部，土體開挖段超前支護樁位移值至上而下逐漸減小，在埋深3.0 m以下抗滑樁位移值基本為0;超前支護樁樁身位移隨著EPS墊層厚度的增加而減小;未設置EPS時，超前支護樁最大位移值為35.5 mm，當設置墊層厚度為0.2，0.4，0.6，0.8 m 的 EPS 時，對應的樁身位移減少到 35.2，31.1，28.0，25.8 mm。

圖4 EPS墊層厚度對超前支護樁樁身剪力的影響Fig.4 Shear force of forepoling pile under the influence of EPS cushion thickness

從圖4可見，樁身剪力分布形式基本一致，但超前支護樁樁身剪力隨著EPS墊層厚度的增加而減小;未設置EPS墊層時樁身最大正負剪力值分別為2 297.0，-3 646.5 kN，當墊層厚度為 0.2，0.4，0.6，0.8 m時其樁身最正剪力值分別為 2 105.0，1 714.1，1 535.3，1 414.2 kN，最大負剪力值分別為 -2 912.5，-2 666.3，-2 470.5，-2 312.2 kN。設置墊層后樁身剪力明顯減小，且具有墊層越厚最大剪力越小的趨勢。

圖5 EPS墊層厚度對超前支護樁樁身彎矩的影響Fig.5 Moment of forepoling pile under the influence of EPS cushion thickness

從圖5可見，超前支護樁樁后不同EPS墊層厚度下，其樁身的彎矩分布形式一致，樁身最大彎矩值在埋深2 m處;超前支護樁樁身彎矩隨著EPS墊層厚度的增加而減小，最大彎矩值的減小尤為明顯;未設置EPS墊層時樁身最大彎矩值為8 974 kN·m，當墊層厚度為 0.2，0.4，0.6，0.8 m 時對應的樁身最大彎矩減少為8 274，7 311，6 600，6 084 kN·m。

綜上可見，設置一定的EPS墊層可以有效減小樁身所受土壓力、樁身位移、剪力和彎矩，從而體現超前支護樁的設計理念。

2.2 EPS墊層材料類型對超前支護樁影響

為研究EPS墊層材料類型對超前支護樁樁土共同作用的影響，在超前支護樁靠山側布置0.4 m厚EPS墊層，但選取3種不同密度的聚苯乙烯泡沫，分別為 EPS19、EPS22、EPS29，其材料特性參見表1，進行數值模擬分析。圖6～圖9分別為設置不同類型EPS墊層材料情形下的超前支護樁樁身位移、剪力、彎矩曲線。

圖6 EPS類型對超前支護樁樁身土壓力分布的影響Fig.6 Earth pressure on forepoling pile under the influence of EPS cushion type

從圖6土壓力分布曲線可以看出，EPS墊層材料密度對土壓力大小有明顯影響，EPS材料密度越小，施加在超前支護樁上的土壓力越小。但均小于無墊層時的土壓力。

圖7 EPS類型對超前支護樁樁身位移的影響Fig.7 Displacement of forepoling pile under the influence of EPS cushion type

從圖7可以看出，超前支護樁樁身位移隨著EPS墊層密度的增加而增加，但均小于無墊層情況時的樁身位移值。

圖8 EPS類型對超前支護樁樁身剪力的影響Fig.8 Shear force of forepoling pile under the influence of EPS cushion type

從圖8可以看出，超前支護樁樁身剪力隨著EPS墊層材料密度的減小而減小，但均小于無墊層情況時的樁身剪力值。

圖9 EPS類型對超前支護樁樁身彎矩的影響Fig.9 Moment of forepoling pile under the influence of EPS cushion type

從圖9可以看出，超前支護樁樁身彎矩隨著EPS墊層密度的增加而增加，但均小于無墊層情況時的樁身彎矩值。

綜上可見，采用較低密度的EPS墊層時，樁身有較小的荷載、位移、彎矩和剪力，也就是說在超前支護樁的設計中選用低密度的EPS。

3 結論

1)在超前支護樁樁后設置EPS墊層后，作用在超前支護樁樁身上的土壓力、樁頂位移、樁身最大剪力、最大彎矩均明顯減少，以土壓力為例，減小幅度達20%～45%。說明在超前支護樁靠山側設置EPS墊層可以有效減小樁身荷載，從而體現既允許邊坡體有限變形，又經濟合理的保證邊坡施工期及長期穩定的超前支護設計理念。

2)EPS墊層厚度對超前支護樁樁-ESP-土共同作用有顯著影響，超前支護樁樁身土壓力、樁頂位移、最大剪力、最大彎矩等均隨EPS墊層厚度的增加而減小。實際工程中在合理投資范圍內可選擇較厚的墊層方案。

3)EPS材料的密度對超前支護樁樁-EPS-土共同作用也有顯著影響，超前支護樁樁身土壓力、樁頂位移、最大剪力以及最大彎矩均隨EPS墊層密度的減小而減小。說明實際工程中選用低密度EPS墊層是較優的選擇。而對于超出本文研究范圍的情形需要在今后的研究中進一步探討。

［1］何思明，李新坡.高切坡半隧道超前支護結構研究［J］.巖石力學與工程學報，2008，27(增刊2):3827-3832.HE Si-ming，LI Xin-po.Study on pre-reinforced half-tunnel structure in high cut slope［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(supp2):3827-3832.

［2］何思明.高切坡超前支護樁與坡體共同作用分析［J］.山地學報，2006，24(5):574-579.HE Si-ming.Interaction of pre-reinforced pile-soil of high cutting slope［J］.Journal of Mountain Science，2006，24(5):574-579.

［3］何思明，李新坡，王成華.高切坡超前支護錨桿作用機制研究［J］.巖土力學，2007，28(5):1050-1054.HE Si-ming，LI Xin-po，WANG Cheng-hua.Mechanism of interaction between pre-reinforced anchor bolt and rock mass in high cutting slope［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28(5):1050-1054.

［4］畢孝全，喻良明，趙明倫.超前鋼管樁在深基坑支護中的應用［J］.巖土工程學報，2006，28(增刊):1756-1759.BI Xiao-quan，YU Liang-ming，ZHAO Ming-lun.Mechanism of interaction between pre-reinforced anchor bolt and rock mass in high cutting slope［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28(supp):1756-1759.

［5］高洪梅，劉漢龍，劉金元，等.EPS顆粒輕質混合土的蠕變模型研究［J］.巖土力學，2010，31(增刊2):198-205.GAO Hong-mei，LIU Han-long，LIU Jin-yuan，et al.Study on creep properties of expanded polystyrene composite soil［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31(supp2):198-205.

［6］Beinbrech G，Hillmann R.EPS in road construction-current situation in Germany［J］.Geotextiles and Geomembranes，1997，15(1/3):39-57.

［7］Murphy G P.The influence of geofoam creep on the performance of a compressible inclusion［J］.Geotextiles and Geomembranes，1997，15(1/3):121-131.

［8］WANG F，MIAO L.A proposed lightweight fill for embankments using cement-treated Yangtze River sand and expanded polystyrene(EPS)beads［J］.Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2009，68:517-524.

［9］顧安全，呂鎮鋒，姜峰林，等.高填土蓋板涵 EPS板減荷試驗及設計方法［J］.巖土工程學報，2009，31(10):1481-1486.GU An-quan，LV Zhen-feng，JIANG Feng-lin，et al.Load reduction tests and design methods for culverts with high fill soil using EPS slabs［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，31(10):1481-1486.

［10］劉小渝，趙勇，林新.鋼筋砼空心截面抗滑樁的研究［J］.重慶交通學院學報，2006，25(3):59-64.LIU Xiao-yu，ZHAO Yong，LIN Xin.Study on the hollow anti-sliding piles of reinforced concrete［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2006，25(3):59-64.