軟土地基雙排樁基礎懸臂式擋土墻受力變形的現場測試及數值模擬分析

周 珩，蘇 謙,2，楊智翔，郭春梅

(1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2.西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

隨著我國高速鐵路的建設，大量的線路工程不可避免地修建于軟土地基等不良地質區。該類工程面臨的主要問題包括地基不均勻沉降、高填筑體導致的沉降變形過大、支擋結構變形過大應力集中現象嚴重等。國內外學者對組合式支擋結構開展了大量的研究。Richard等[1]利用模型試驗對承受橫向荷載的微型樁的承載機理進行了研究。白皓等[2]通過模型試驗研究了軟巖陡坡段椅式樁支擋結構的內力變化規律，提出了相應的設計計算方法。向波等[3]通過開展微型鋼管排樁的原型試驗，總結了該支擋結構的受力與變形規律，并分析了樁排數、間距等對結構的影響。陳建峰等[4]結合數值模擬與現場實測結果，研究了軟土地基加筋土擋墻在分級堆載情況下的變形及穩定性。上述研究均對各不同結構形式的支擋結構在工程中的應用具有指導意義[5-11]。

雙排樁基礎懸臂式擋土墻由懸臂式擋土墻與雙排灌注樁剛接而成[5]。該結構既可解決地基承載力不足的問題，又可有效控制路基變形，起到承載與支擋的雙重作用[6]。

雙排樁基礎懸臂式擋土墻結構已成功應用于高速鐵路路基工程中，但其受力與變形特征以及結構尺寸參數敏感性尚缺少相應研究。本文通過有限元軟件ABAQUS建立軟土地基雙排樁基礎懸臂式擋土墻三維數值模型，并結合現場實測結果，分析該結構的變形與應力分布，討論了軟土地基雙排樁基礎懸臂式擋土墻的參數敏感性。

1 工程概況

成渝高速鐵路內江北車站雙排樁基礎懸臂式擋土墻位于填方路堤段，墻高9.5 m，擋土墻底板寬度為7.53 m，雙排樁為直徑1.5 m的圓樁，樁長20 m。根據地質報告，地層情況自上而下分布為：①軟粉質黏土，軟塑～流塑狀，厚5～12 m；②強風化泥巖夾砂巖，厚2～10 m；③弱風化泥巖夾砂巖。

在結構修建于路基填筑過程中，埋設了土壓力計、測斜儀導管、鋼筋計等元器件。典型斷面測點布置如圖1所示。

圖1 典型橫斷面及元器件布設示意

2 數值模型

通過選取典型橫斷面運用有限元軟件ABAQUS建立三維數值模型，如圖2所示。

圖2 雙排樁基礎懸臂式擋土墻數值模型

表1 模型土層及結構材料參數

3 計算結果對比

3.1 結構應力分布

圖3 雙排樁基礎懸臂式擋土墻結構應力分布

圖3為雙排樁基礎懸臂式擋土墻結構樁基與底板的應力分布情況。由圖3(a)可知，內外排樁在錨固點與樁頂處存在明顯應力集中，這說明雙排樁承擔了上部結構傳遞的豎向荷載與水平荷載，發揮了承載與阻滑的雙重作用。由圖3(b)可知，擋土墻底板在樁頂連接處存在應力集中，因此在設計過程中應對此處進行結構抗剪簡算，必要時應設置樁帽。

3.2 結構水平位移

圖4為有限元軟件計算的結構變形情況(變形放大100倍)。從結構水平位移情況可以看出，結構整體發生了向臨空面平移+轉動的變形。結構的最大水平位移為29.4 mm，位于擋墻懸臂頂端，樁頂最大位移為26.5 mm，水平變形以樁基為主，其水平變形占總變形量的90%以上。

圖4 有限元計算的結構變形云圖

圖5為數值模擬和實測的擋土墻外樁與擋土墻懸臂段水平位移。可知，數值模擬計算結果與實測值變化趨勢較為吻合，數值模擬計算結果略大于實測值。

圖5 結構水平位移曲線

圖6 擋土墻墻背填土水平土壓力

3.3 墻背側向土壓力

圖6為數值模擬和實測的擋土墻墻背填土水平壓力。實測土壓力隨墻后填土完成后開始監測。由圖6可知，墻背水平土壓力數值模擬結果和實測值吻合良好，基本隨墻高呈線性變化。

4 結構設計參數敏感性分析

雙排樁基礎懸臂式擋土墻結構的受力、變形及穩定性易受結構尺寸、地質參數等影響。因此通過改變結構高寬比(擋土墻高度與踵板寬度的比值)與軟土層厚度討論結構設計參數。

4.1 高寬比

在雙排樁基懸臂式擋土墻結構的設計中，首先假定的是上部擋土墻結構尺寸，擋土墻高度與踵板寬度之比(以下簡稱高寬比)將影響整個結構的受力與變形。為研究高寬比的合理取值范圍，在假定踵板寬度以及下部樁基尺寸不變的前提下，通過改變擋土墻高度，取高寬比分別為1.4,1.6,1.8,2.0,2.2,2.4，2.6建立7組計算模型，分析結構高寬比對結構變形的影響,結果見圖7。

圖7 結構高寬比對結構水平位移的影響

由圖7可知，結構水平位移隨高寬比的增加而增大。當高寬比小于1.6時，結構水平位移以樁基水平位移為主，懸臂段水平位移僅占總位移的10%，結構未到達懸臂式擋土墻的變形效果；當高寬比大于2.0時，懸臂段水平位移占總水平位移的比重高達43%～56%，過大的懸臂段水平位移嚴重威脅結構的安全性。因此，建議設計時取高寬比為1.6～2.0。

4.2 軟土厚度

圖9 結構彎矩分布

軟土地基雙排樁基礎懸臂式擋土墻結構內力分布與變形受軟土厚度影響,見圖8、圖9。當軟土厚度分別為2，4，6，8 m時，結構水平位移隨軟土厚度的增加而增大，內外排樁與底板彎矩均隨軟土厚度的增加呈增大的趨勢。因此，設計時應注意樁頂處、樁基錨固段處以及底板與各構件連接處等位置的截面檢算。在軟土層較厚或對路基變形控制嚴格的地段，需先根據工程需求進行地基加固再修筑雙排樁基懸臂式擋土墻結構，以保證結構的安全穩定。

5 結論

1)結構變形以水平變形為主，其中樁基變形占比較大，最大水平位移發生在懸臂式擋墻頂端。

2)結構的樁頂、樁基錨固點處、底板連接處等位置出現應力集中，設計時應對此處進行強度檢算。

3)軟土地基雙排樁基礎懸臂式擋土墻結構穩定性、變形量與結構尺寸參數、地基情況密切相關。結合經濟性與安全性考慮，建議結構設計高寬比取1.6～2.0，并根據線路的變形控制指標與地基情況采取合適的軟土加固措施。