路堤荷载下带帽桩—网复合地基力学性状有限元分析

2010-05-08高胜利刘天福

铁道建筑 2010年10期

高胜利，魏宏，刘天福

(天津城建设计院有限公司，天津 300073)

带帽桩—网复合地基是指在地基处理过程中，下部土体得到竖直向增强体“桩”的加强从而形成桩土复合地基加固区，上部铺设水平向增强体“网”从而形成加筋土复合地基加固区，并在桩体设置桩帽以使荷载合理分布，使网—桩—土协同作用、共同承担荷载的人工地基。带帽桩-网复合地基自20世纪80年代在国外开始应用于高速公路地基处理以来，在高速公路和铁路中得到越来越多的应用。带帽桩-网复合地基具有路堤总沉降和工后沉降量小，经济性好和能缩短施工工期的优点。

有限元法是一种可以求解复杂工程问题的数值方法。它是建立在现代计算机技术和工程问题基本理论的基础上，对理论推导无法解决、室内试验难以实施的工程问题进行“数值模拟”的一种研究手段。本章运用有限元分析软件Abaqus研究路堤荷载下带帽桩-网复合地基的力学性状，为带帽桩-网复合地基的工程实践提供一定的参考和指导作用。

1 三维有限元模型的建立

1.1 基本假定

1)在路堤荷载作用下，桩、桩帽和土工格栅被视为各向同性线性均质弹性体，不考虑格栅的非线性;

2)只考虑分析模型的初始应力场，初始位移为零，且不考虑打桩的施工过程;

3)上层土、下层土、填土和垫层材料服从 M-C非线性弹性变形规律;

4)填土分期填筑，每层填土为瞬时加载，分析过程中桩土之间的摩擦系数保持不变。不考虑复合地基在荷载作用下的时间效应，并假定在整个加载过程中产生的超孔隙水压有足够的时间消散。

1.2 工程简述及几何模型

工程模型:某路基工程，采用带帽桩一网复合地基技术方案，各组成部分参数如下所述。

良好填土经碾压夯实后重度为γ=23.3 kN/m3，路堤填土高度H=4 m，路堤填土内摩擦角φ=20°。

桩体为钢筋混凝土桩，桩长L=25 m，桩径d=0.6 m，桩间距 S=2.8 m，桩帽边长 b=1.5 m，桩帽厚度 a=0.5 m，正方形布桩，穿透软土层。

计算模型以路堤中心线为中线取四分之一对称模型(如图1、图2)。为保证计算模型的收敛性和计算结果的准确性，计算范围为:中线处与路堤延伸方向取桩间距中点作为中间边界，路堤中线向里延伸方向取10倍桩径即为6 m、中线法线方向即沿路堤横铺方向取距中线40 m、垂直方向即地表向下方向取二倍桩长即50 m。半幅路面宽12.5 m，路堤底宽19.4 m，路堤填土高度4 m，路堤边坡为1∶1.5。自下而上三层碎石垫层厚度分别为15 cm、30 cm、15 cm，其间铺设两层土工格栅。地基采用双层土，上下两层土厚度均为25 m。

图1 复合地基模型

图2 桩体模型

1.3 材料本构关系及参数选择

桩和土工格栅采用线弹性模型，填土、垫层、地基土均采用M-C非线性模型。具体参数如表1。

表1 三维有限元模型主要参数

1.4 接触面处理

对于非线性模型，接触的设置对计算结果影响较大。本次模型，桩土接触面和桩帽四周侧壁与土体的接触面采用主从接触中的切向摩擦，桩底与土体、垫层与地基土体和桩帽设置节点变形协调的“TIE”法向接触，只传递法向应力。桩帽与桩帽下土体设置主从接触中的法向接触，只传递法向应力。本模型共设置接触对148个。

1.5 边界条件及分析步设置

计算模型左侧边界和右侧边界为垂直于该面的链杆约束，模型前、后面为垂直于该面的链杆约束，底面为固定约束。

本次计算设置5个分析步。第一分析步为初始地应力平衡分析步，其后将路堤填土分为4次加载，每次加载1 m。

1.6 计算方案简述

首先，根据实际工程提供的相关资料，对算例进行计算，对路堤荷载下带帽桩—网复合地基的沉降变形、桩身轴力、桩侧摩阻力和桩土应力比进行分析。在讨论某一参数对复合地基工作性状的影响时，其它参数与模型条件和基本算例相同。在分析计算过程中，将模型中第二排桩作为研究对象，其中中线处桩体设为1#桩，向侧面依次为2#～7#桩体，除随桩位的规律图，其余均以1#桩作为研究对象。

2 计算结果与分析

2.1 带帽桩—网复合地基沉降特性分析

路堤总沉降随荷载和桩位变化见图3和图4。由图3、图4得出以下变形规律:

1)随着填土荷载的增大，复合地基地表面的沉降量逐渐增大。

2)同一级填土荷载作用下，在路基中心线处，复合地基表面沉降达到了最大值。随着距路堤中心距离增大，地基表面沉降逐渐减小。

2.2 带帽桩—网复合地基桩身轴力分布特征

图3 路堤总沉降随荷载变化

图4 路堤总沉降随桩位变化

桩身轴力随填土高度变化见图5。由图5可见，相同填土高度条件下，桩身轴力最大值出现在桩体中下部，桩身轴力随着深度的增加呈现先增大后减小的趋势;不同填土高度条件下，桩身轴力随着填土高度的增加而增大。

桩身轴力随桩位变化见图6。由图6可知，自路堤中线往两端延伸，桩身轴力不断减小，尤其靠近边坡侧桩身轴力减少很快。其中1#～4#桩身轴力非常接近，1#桩位桩身轴力达到最大值。这与路堤荷载的作用形式相符合。

图5 桩身轴力随填土高度变化

图6 桩身轴力随桩位变化

2.3 带帽桩—网复合地基桩侧摩阻力分布特征

桩侧摩阻力随填土高度变化见图7。由图7可见:路堤荷载下带帽桩—网复合地基桩侧摩阻力存在中性点(即正负摩阻力交界点)，但桩帽的存在使其距离桩顶的深度较小。桩侧摩阻力随着填土高度的增加而增大，但其最大值不是发生在桩端，而是发生在桩端附近。这是由于桩端与桩端土体变形近似协调一致，未产生相对位移。随着填土高度的增加，桩侧摩阻力最大值有向下移动的趋势，并且随着路堤填土高度的增加，中性点位置基本保持不变。

桩侧摩阻力随桩位变化见图8，由图8可见:随着桩体距路堤中线距离的增大，桩侧摩阻力呈现逐渐减小的趋势。越靠近外侧，桩侧负摩阻力绝对值越小，中性点越靠下。其中1#～4#桩的桩侧摩阻力分布较为接近。

图7 桩侧摩阻力随填土高度变化

图8 桩侧摩阻力随桩位变化

2.4 带帽桩—网复合地基桩土应力比分布特征

桩土应力比随填土高度和桩位的变化见图9。由图9可见:桩土应力比随着填土高度的增加而增大。这是因为填土的土拱效应、土工格栅的拉膜效应、路堤刚度均随着填土高度增加而增大，随着填土高度的增加越来越多的荷载传递给了土体;桩土应力比随着桩体远离路堤中线而逐渐增大，其中，1#～5#桩的桩土应力比较为接近，但是6#和7#桩的桩土应力比有明显的下降趋势。这是因为放坡段处于低荷载水平，低荷载水平下桩土荷载分担较为接近所致。