斜坡段路基椅式樁板支擋結構力學特性分析

張禮財 王順豪 劉思陽 蔣婧睿 湯 睿

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

隨著西部大開發政策的持續推進，在西部復雜山區修建高速鐵路及公路時，因山脈縱橫，地勢起伏，出現了大量的陡坡路基地段，又伴隨著高速鐵路大提速的潮流，使得傳統支擋結構,如重力式擋土墻、衡重式擋土墻以及其他支擋結構等已經難以保證陡坡的穩定性，因此保持陡坡路基的平順性、長期穩定性已成為支擋結構設計中不可回避的問題。鑒于目前陡坡路基工程的數量快速增長，對勘察、設計以及施工工藝的要求越來越高，為適應需求急需一種安全可靠的新型支擋結構[1-4]。

椅式樁支擋結構組成中，因合理設計和布置長樁、短樁、橫梁、承載板與擋土板的尺寸和位置，因此該新型結構具有較好的承重性能、抗滑性能以及支擋作用。傳統支擋結構通過理論分析、數值計算、室內試驗等方法對其結構內力、結構變形、結構-土體相互作用等方面進行了較多的研究[5-9]，鑒于目前對該結構形式的受力和變形特性研究成果不多見，本文利用數值仿真方法，建立椅式樁支擋結構有限元模型，分析該新型支擋結構的內力分布及變形特性，為我國陡坡路基的新型支擋結構優化設計作理論指導。

1 工程概況

敘大鐵路是連通敘永縣敘永鎮和古藺縣大村鎮的貨物運輸線，龍山車站位于四川省境內瀘州古藺縣龍山鎮，車站附近地表斜坡坡度約為1∶2，最大坡度達到20°，地表土層覆蓋厚度為2～20 m的粉質黏土，車站中最大填方高度和挖方高度分別為19 m和17 m，基巖為灰巖，基巖面橫坡與地面橫坡基本相同，因此在路堤填方較高處易形成一系列的滑坡體或地震帶。椅式樁板結構應兼具抗滑和支擋作用，且輕質、施工快捷方便，是控制陡坡地段鐵路路基變形的有效措施，故在本段設置了椅式樁支擋結構，如圖1所示。

圖1 龍山車站椅式樁支擋結構—土質邊坡

2 數值計算模型

本文選取DK 64+355斷面處的椅式樁支擋結構，樁結構尺寸如表1 所示。

表1 樁結構尺寸

基于有限元軟件ABAQUS建立斜坡路基椅式樁板支擋結構三維模型，其中采用Solid單元來模擬椅式樁支擋結構和巖土體均選取Mohr-Coulomb準則為填料與覆土層本構模型，而基巖本構為線彈性，采用換算土柱法來模擬列車荷載。有限元模型中，橫向斷面和縱斷面上Z、X方向約束法向位移，底部約束X、Y、Z方向位移。計算參數如表2所示，結構模型如圖2所示。

表2 數值模擬參數取值

圖2 數值計算模型

3 計算結果分析

3.1 結構變形

椅式樁水平位移圖，如圖3所示。

圖3 水平位移圖

由圖3可知，長樁和短樁的水平位移分別為3.23 cm和2.55 cm ，兩者之間的水平位移差值為6 mm，表明在荷載作用下椅式樁支擋結構作為整體共同抵抗外荷載，且能夠提供較高的抗力。而橫梁的變形位移變化較為復雜，由圖3可看出橫梁的兩端位置有約0.3 mm的位移差，通過受力分析可以發現，拉伸變形和撓曲位移對橫梁的影響顯著，其受力較復雜，因此這里建議對于椅式樁支擋結構中的橫梁做單獨計算。

另一方面，通過對椅式樁支擋結構的水平位移和豎向位移的分析，以研究整體結構的抗滑能力，計算結果如圖4所示。

圖4 路堤位移云圖(m)

由圖4可知，短樁后側范圍內的路基發生了較大的位移，豎向位移最大值達30 cm，最大豎向位移小于無樁的工況，這主要是歸結于橫梁的承載作用，使得填料基本壓在橫梁上，相當于提高了樁整體的重量，從而使得樁的重心向后移動，增加了路基整體的穩定性。

3.2 結構內力

椅式樁支擋結構的長樁、短樁以及橫梁的內力分布曲線如圖5～圖7所示。

圖5 長樁內力分布曲線

圖6 短樁內力分布曲線

圖7 橫梁內力分布曲線

由圖5、圖6可知，除長樁和短樁的彎矩在樁頂的一部分有較大差距外，其余位置變化規律類似，長樁的最大彎矩與短樁的最大彎矩值變化不大。另一方面，軸力的變化差別則較大，長樁先受壓后受拉，而短樁一直保持受拉狀態，且拉力隨著樁基長度越來越小。

由圖5～圖7可知，樁與橫梁相交位置和覆土層中層，此時短樁和長樁的彎矩值達到最大，設計合理的橫梁的布置可有效減小彎矩，增大軸力，因此，長、短樁之間連接的橫梁可以優化樁的受力。同時發現，在橫梁上兩端部位置彎矩值很大，是椅式樁結構中的易破壞的位置。

3.3 巖土相互作用

長、短樁的各位置的土壓力變化曲線，如圖8所示。

圖8 長樁土壓力分布

從圖8(a)中可以看出，長樁上部土壓力分布趨近于三角分布，且隨著長樁的埋深土壓力也逐漸增大，在樁底部最大值達到900 kN·m,同時發現土壓力合力值與主動土壓力埋置相差很小，但是合力作用點位置偏下，位于長樁的1/4高度處。圖8(b)為長樁下部的樁前土壓力，通過計算發現，被動土壓力較樁前抗力要大很多，樁前抗力合力只有被動土壓力的1/3左右。

由圖9(a)可知，短樁后面的土壓力值由土體自身產生的推力和后期填土所產生的附加推力組成。由圖可知，短樁后部土壓力沿樁埋深呈現拋物線分布，與砂土散體材料產生的滑坡推力分布曲線類似，為簡化計算，可按照矩形的分布形式計算。由圖9(b)可知，在短樁埋深8 m范圍內，樁間前后側向土壓力大小相同，且呈線性分布，但當深度達至8 m后，樁間前側的變化較為復雜，略大于樁間后側的土壓力，主要原因在于樁本身整體性好，剛度大，變形較小，樁間土體壓縮量低，使得樁間土壓力較小。

圖9 短樁后部及樁間土土壓力分布

4 結論

本文通過選取DK 64+355斷面處的椅式樁支擋結構，基于有限元軟件Abaqus建立了陡坡路基段的椅式樁板三維模型，分析該新型支擋結構的內力分布及變形特性，主要得出以下結論：

(1)長樁和短樁兩者之間的水平位移差值為6 mm，表明在荷載作用下椅式樁支擋結構作為整體共同抵抗外荷載，且能夠提供較高的抗力。而橫梁的變形位移變化較為復雜，由圖可看出橫梁的兩端位置有約0.3 mm的位移差，通過受力分析可以發現，拉伸變形和撓曲位移對橫梁的影響顯著，其受力較復雜，因此這里建議對于椅式樁支擋結構中的橫梁做單獨計算。

(2)椅式樁板結構具有較大的剛度，主、副樁的彎矩量都比較接近，主、副樁的協調性比較好，而橫梁上的彎矩極值發生在兩端位置，且極值數值較大，是椅式樁結構中的易破壞的位置。

(3)長樁懸臂段的土側壓力分布近似為三角線分，土壓力合力值與主動土壓力埋置相差很小，但是合力作用點位置偏下，位于長樁的1/4高度處。