樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基格柵側(cè)限作用以及格柵拉力研究

李國(guó)峰 （安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測(cè)站，安徽 合肥 230088）

1 引言

樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基在高速鐵路、高速公路的建設(shè)中得到了廣泛的運(yùn)用。其主要結(jié)構(gòu)形式包括路基本體、加筋墊層、帶有擴(kuò)大樁帽的加固樁。其中加筋墊層中所布置的土工格柵對(duì)樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基的服役性能影響較大。土工格柵拉力是影響土工格柵加筋作用的關(guān)鍵因素，目前許多規(guī)范計(jì)算方法將格柵拉力的組成分成兩個(gè)部分[1]：樁間格柵上部荷載以及路堤橫向滑移引起的格柵拉力。然而格柵對(duì)樁身側(cè)向變形具有很好的側(cè)限作用，樁身的側(cè)向變形勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步增加格柵的拉力，對(duì)這一部分的研究還是缺乏。

許多學(xué)者通過模型試驗(yàn)、數(shù)值分析等方式對(duì)格柵的受力特征以及格柵的加筋作用展開了研究。目前對(duì)于格柵拉力的分布還存在歧義，對(duì)格柵拉力的分布需要進(jìn)一步研究[2-5]。同時(shí)目前研究并沒有考慮到樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)的相互作用。

考慮到樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)受力機(jī)理的復(fù)雜性，本文利用Plaxis 2D建立了樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基有限元模型，對(duì)樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)相互作用展開了研究。研究的對(duì)象主要是土工格柵拉力的分布以及樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基樁身側(cè)向變形的分布特征，并且分析了格柵拉力以及樁身側(cè)向變形的相互影響規(guī)律。

2 計(jì)算模型

圖1 樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基計(jì)算模型

如圖1，考慮到路基結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，取路基結(jié)構(gòu)的一般進(jìn)行分析。為了消除邊界的影響，模型的計(jì)算寬度為80m，計(jì)算寬度為40m；路基上部寬度為6m，下部寬度為14.1m，路基的填筑高度為5.4m，墊層的厚度為0.6m，坡高比為1.5∶1；樁間距為1.8m，樁直徑為0.5m；模型底部設(shè)置了橫向以及豎向的約束，模型兩側(cè)設(shè)置了橫向約束，不做豎向約束。路基填筑拱分五層進(jìn)行填筑，每層的填筑厚度為0.9m。

樁身采用線彈性模型，其彈性模量為20GPa，泊松比為1.2；地基土及路基填料均采用彈塑性模型，并且服從摩爾庫倫準(zhǔn)則，填料的天然密度為20.4，飽和密度為20.8，滲透系數(shù)為1.89E-4cm/s，彈性模量為35 MPa，泊松比為0.3，有效粘聚力為30kPa，有效內(nèi)摩擦角為27°，地基土的天然密度為18.4，飽和密度為19.2，滲透系數(shù)為4.2E-6 cm/s，彈性模量為3.8 MPa，泊松比為0.36，有效粘聚力為4 kPa，有效內(nèi)摩擦角為19.3°；土工格柵采用線彈性模型，格柵的剛度取500 kN/m，1000 kN/m，1500 kN/m三種工況進(jìn)行計(jì)算；通過數(shù)值樁土之間的界面單元來模擬樁土相互作用，該界面單元的虛擬厚度為零，采用彈塑性模型進(jìn)行模擬，并且服從摩爾庫倫準(zhǔn)則，界面的強(qiáng)度參數(shù)通過地基土的性質(zhì)以及強(qiáng)度折減系數(shù)得到，本文取強(qiáng)度折減系數(shù)為0.7。

為研究樁土相互多用對(duì)格柵拉力以及樁身側(cè)向位移之間的相互影響規(guī)律，以及格柵剛度對(duì)樁身側(cè)向變形的影響規(guī)律，共計(jì)算了兩種工況：工況一，樁身側(cè)向變形不固定，分別計(jì)算了格柵剛度為0，500 kN/m，1000 kN/m，1500 kN/m，2000 kN/m共5種情況；工況二，樁身側(cè)向變形固定，格柵剛度為500 kN/m。

3 結(jié)果分析

3.1 土工格柵拉力分布特征

圖2為工況一格柵剛度為500 kN/m時(shí)，路基填筑過程中不同路基填筑高度時(shí)所對(duì)應(yīng)的格柵拉力橫向分布圖。從圖中可以看到，隨著路基填筑高度的增大，不同位置處的格柵拉力均有所增大。格柵拉力最大處發(fā)生在路基中心處，并且沿路基斜坡方向逐漸減小。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于單樁范圍內(nèi)的土工格柵，格柵拉力發(fā)生在樁帽中心上方。圖3為樁帽中心、樁帽邊緣以及樁間中心上方處的格柵拉力隨路基填筑高度變化圖，從圖中可以看到，樁帽中心處的格柵拉力增長(zhǎng)最快，樁帽邊緣處的格柵拉力增長(zhǎng)其次，而樁間中心處的格柵拉力增長(zhǎng)最慢。許多學(xué)者對(duì)單樁范圍內(nèi)的格柵拉力分布特征進(jìn)行了研究，均發(fā)現(xiàn)樁間中心處的格柵拉力最小。本模型分析中，樁端直徑為0.5 m，樁頂上方?jīng)]有布置樁帽，樁端尺寸較小，格柵拉力最大處發(fā)生在樁頂中心上方，一定程度上證明了Van Eekelen等人所分析的原因是合理的。

圖2 路基填筑過程中格柵拉力橫向分布

3.2 樁身側(cè)向變形

圖4為路基填筑完成時(shí)，工況一格柵剛度為500 kN/m不同位置處樁身側(cè)向位移部分圖。從圖中可以看到路基填筑完成后，由于路基橫向滑移的作用，各位置處的樁均不同程度的發(fā)生了側(cè)向位移。樁身最大側(cè)向位移發(fā)生在樁頂處。圖5為不同路基填筑高度，樁頂位置處水平位移的橫向分布圖，從圖中可以看到，隨著路基填筑高度的增加，不同位置處樁頂水平位移均有所增大。當(dāng)路基填筑高度較低時(shí)，樁端最大水平位移發(fā)生在坡腳處；隨著路基填筑高度的繼續(xù)增大，樁端最大水平位移發(fā)生在坡腳附近靠近路基中心一側(cè)，路基填筑完成時(shí)，最大水平位移約為2.5 mm。

圖3 不同位置處格柵拉力隨路基高度變化圖

圖4 路基填筑完成時(shí)樁身側(cè)向位移

3.3 土工格柵的側(cè)限作用

圖5 不同路基填筑高度樁端側(cè)向位移橫向分布

圖6為路基填筑完成時(shí)，不同土工格柵剛度所對(duì)應(yīng)的兩樁端側(cè)向位移，其中格柵剛度為0代表未布置有土工格柵。從圖中可以看到，隨著土工格柵剛度的增大，樁端的側(cè)向位移逐步減小。土工格柵的能夠有效的限制樁端的側(cè)向位移，且土工格柵剛度越大，格柵限制樁端側(cè)向變形的效果越明顯。由于格柵的側(cè)限作用主要是通過格柵自身的拉力作用在樁身上產(chǎn)生的效果，反之，樁端的側(cè)向變形將導(dǎo)致格柵自身拉力的增大。

圖6 不同路基填筑高度樁端側(cè)向位移橫向分布

圖7為樁身固定以及不固定兩種情況格柵拉力橫向分布的對(duì)比圖，從圖中可以看到樁身不固定時(shí)的格柵拉力要較樁身固定時(shí)的格柵拉力大，直接證明了樁身的側(cè)向變形會(huì)導(dǎo)致格柵拉力的增大，對(duì)于樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基的設(shè)計(jì)，有必要考慮樁身側(cè)向變形對(duì)格柵拉力的影響。

圖8為樁帽中心處樁身不固定時(shí)的格柵拉力較樁身固定時(shí)的格柵拉力的增幅的橫向部分圖，從圖中可以看到，當(dāng)樁身發(fā)生側(cè)向變形時(shí)，路基中心處的格柵拉力要比樁身不發(fā)生側(cè)向變形時(shí)大26%左右，而坡腳處由于樁端的側(cè)向變形較大，格柵拉力更是增大了90%。因此樁身側(cè)向變形對(duì)格柵拉力的影響非常明顯，對(duì)于樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基的設(shè)計(jì)，有必要考慮樁身側(cè)向變形對(duì)格柵拉力的影響。

圖7 樁身固定與不固定格柵拉力橫向分布對(duì)比圖

圖8 格柵拉力增幅橫向分布

4 結(jié)論

本文建立了樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基二維有限元分析模型以研究樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)相互作用。對(duì)計(jì)算了樁身固定與不固定兩種情形，分析了樁身側(cè)向變形與格柵拉力之間的相互影響，并總結(jié)了格柵剛度對(duì)樁身側(cè)向變形的影響規(guī)律，通過分析結(jié)果得到了一下結(jié)論：

（1）土工格柵拉力最大處發(fā)生在樁頂中心上方，樁間中心處最小，這可能是因?yàn)闃抖顺叽巛^小，應(yīng)力集中區(qū)域較小造成的；

（2）土工格柵能夠有效的限制樁身的側(cè)向變形，同時(shí)格柵剛度越大，效果越明顯；

（3）土工格柵拉力的分布不僅受到路基主動(dòng)土壓力以及樁間格柵上部荷載的影響，樁身側(cè)向變形對(duì)格柵拉力的分布也有明顯的影響，且在坡腳處影響最為明顯。