桩承式路堤设计参数动力特性参数分析

2015-01-12王俊媛

山西交通科技 2015年3期

王俊媛

（朔州高速公路建设管理处，山西朔州 030700）

桩承式路堤通过土拱效应将路堤荷载转移至桩上，并由桩身传递至地基下卧硬土层，具有工后沉降小、施工周期短、施工质量易控等优点[1-3]。目前，国内外学者对桩承式路堤静力方面研究较多，主要集中在设计计算理论、力学和变形特性以及工程应用适应性等方面[4-6]。但是，关于桩承式路堤动力学方面的研究较少，代表性研究成果有：刘飞禹基于FLAC3D有限差分法软件建立了桩承式路堤三维动力模型，对桩承式路堤力学、变形、孔隙水压力等方面动力响应进行了研究[7]；赵建斌分析了水平地震荷载作用下路堤加速度、动剪应力和路堤变形的动力特性[8]。但是，以上研究均未对桩承式路堤重要设计参数动力特性进行全面深入的探讨。基于此，建立了桩承式路堤动力数值模型，对地震荷载下桩承式路堤中桩身模量、桩径、桩长和路堤填土高度等重要设计参数动力特性进行了敏感性分析。

1 数值建模与结果分析

1.1 数值建模

基于文献[8]工程实例，根据平面应变假设，采用有限差分软件FLAC3D建立桩承式路堤动力数值模型（图1），路堤填料高度为3.5 m，坡比1.17∶1。模型侧边约束水平位移，底边约束水平和竖向位移。地基分为粉质黏土，根据土性可分为两层，粉质黏土下部为坚硬岩层。粉质黏土和路堤填土采用理想弹塑性模型，服从摩尔-库仑破坏准则。桩体采用弹性模型。具体模型参数选取见表1。地震荷载采用El-Centro水平地震波。数值模型中设置两条监测线，分别位于路堤中心线处和路堤坡脚处。

表1 模型参数选取

图1 数值计算模型

1.2 数值结果分析

FLAC3D中塑性区的分为两种破坏机制，即剪切破坏和拉伸破坏。从路堤塑性状态图（图2）可以看到，在El-Centro地震波水平作用10 s后，路堤中没有明显正处于破坏状态的区域，一方面是El-Centro地震波加速度峰值只有0.1g，另一方面也说明桩和格栅的加固效果有效地增强了桩承式加筋路堤的抗震性能。在地震作用过程中，坡脚和路堤填土与路基土体交界面剪切屈服，路堤坡面及路肩处拉伸屈服，坡脚区域剪切屈服和拉伸屈服，说明坡脚是水平地震作用下桩承式加筋路堤的薄弱区域。

图2 路堤塑性状态图

从路堤右坡面水平位移云图（图3）来看，水平地震作用下，桩承式加筋路堤最大水平位移发生在坡脚上方0.7 m附近，最大水平位移1.410 6 cm，方向向右，位移较大的区域集中在路堤边坡的浅层约0.6 m范围内，表明桩承式加筋路堤在水平El-Centro地震波作用下的震害可能有右坡面的鼓胀破坏。

从路堤右坡面竖向位移云图（图4）来看，水平地震作用下，桩承式加筋路堤最大竖向位移发生在坡脚右侧1.0 m附近的路基路面处，最大竖向位移值为6.532 0 mm，方向向上，表示此处路面隆起，表明桩承式加筋路堤在水平El-Centro地震波作用下的震害可能有坡脚处路基路面的隆起破坏。从最大水平位移和最大竖向位移上来看，桩承式加筋路堤在水平地震作用下在水平方向和竖直方向都有一定的动力响应，但是水平方向的动力响应要比竖直方向的动力响应明显。

图3 路堤右坡面水平位移云图

图4 路堤右坡面竖向位移云图

2 参数分析

2.1 桩身模量

分别对桩身模量为 1 GPa、5 GPa、10 GPa 和20 GPa的桩承式加筋路堤进行了动力分析。从图5中可以看到，当桩身模量从1 GPa增大到10 GPa时，A点的竖向动位移峰值降低了4%；而从图6中可以看到，C点的水平位移峰值相比只降低了0.04%，增大桩身模量，竖向加筋效果比水平加筋效果更好。增大桩身模量，在一定范围内能有效降低路堤路面动位移峰值，但是当桩身模量从10 GPa增大到20 GPa时，对改善桩承式加筋路堤在水平地震荷载作用下的动力特性并不明显。

图5 桩身模量对A点竖向动位移峰值的影响

图6 桩身模量对C点水平动位移峰值的影响

图7 桩身模量对桩身剪力峰值的影响

在图7中可以看到，桩身模量从1 GPa增大到5 GPa，桩身剪力会明显增加，桩身剪力峰值越大的桩，其增加也会越明显，特别是在峰值最大处的第2根桩和第12根桩，分别增大了12.8%和13.9%；而当桩身模量从5 GPa增大到20 GPa过程中，桩身剪力基本不变。在一定范围内，桩身模量越大，桩身抗弯刚度越大，桩土模量比也越大，则在水平地震荷载下，桩身承担更大的水平剪力；但超过这个临界值后，增大桩身模量，对增大地震作用下桩身承担的剪力峰值效果不明显。

2.2 桩径

分别对桩身半径为0.25 m、0.3 m、0.4 m和0.5 m的桩承式加筋路堤进行了动力分析。桩径越大，桩截面积越大，复合地基置换率越大，桩抗弯刚度也越大。图8为不同桩径的桩承式加筋路堤右坡面的水平动位移峰值分布曲线，从图中可知，桩径越大，路堤右坡面水平动位移峰值越小，但是桩身半径从0.25 m增加到0.4 m过程中，右坡面水平动位移峰值的降低不明显；而当桩身半径增大到0.5 m时，路堤右坡面水平动位移峰值比桩径为0.25 m时明显减少，最大值降低了2.7%。

图8 桩径对路堤右坡面水平动位移峰值的影响

图9 桩身半径对路堤路面竖向动位移峰值的影响

图9 为不同桩身半径的桩承式加筋路堤路面竖向动位移分布图，从图中可知，桩承式加筋路堤路面的竖向动位移峰值的分布规律是路面中间小，靠着路肩处的两端大。桩径越大，路堤路面竖直方向动位移峰值越小，桩身半径从0.25 m增大到0.4 m时，竖直方向动位移峰值减小但不明显，在路堤路面中心A点，降低了13.6%；而且桩身半径增大为0.5 m时，能明显地减少竖直方向动位移峰值，在路堤路面中心A点，比桩径为0.25 m时减少了71.2%，有效地降低了路堤竖直方向动位移。对比可知，加大桩径后，降低竖向的动位移的幅度比降低水平动位移的幅度效果更大。

2.3 桩长

分别对桩长为4 m、5 m、6 m和7 m的桩承式加筋路堤进行了动力分析，上层的粉质黏土层1厚度为4.5 m，4 m的桩未打入下卧粉质黏土层2，5 m、6 m和7 m的桩都打入了下卧硬土层，嵌入深度依次增大。计算结果显示，桩是否深入下卧硬土层和桩长对水平动位移峰值的影响很微小。

图10为不同桩长对应的路堤路面中点A点的竖向位移峰值，从图中可知，桩长从4 m增大到5 m时，A点竖向动位移峰值只减小了3.6%；可以在图中看到，桩长从6 m增加到7 m，A点竖向动位移峰值会有一个相对更大幅度的降低。桩长为7 m时比桩长为4 m时，竖向动位移峰值减小了22.4%。这说明粉质黏土层2相对粉质黏土层1来说，不能给桩提供明显更大的桩端阻力，但能提供更大的桩侧阻力，因此，只有随着桩嵌入下卧相对硬土层深度的增加，桩的竖向加筋作用才更显著，竖向位移峰值也较明显降低。

图10 桩长对A点竖向动位移峰值的影响

图11 为不同桩长下桩承式加筋路堤的竖向最大差异动位移峰值，是路堤路肩两点的竖向动位移峰值的最大差异值，反应了水平地震作用下路堤路面的运动剧烈程度。从图中看到，增大桩长，能有效降低竖向最大差异动位移峰值，桩长为7 m时能比桩长为4 m时降低9.6%。

图11 桩长对路堤竖向最大差异动位移峰值的影响

2.4 路堤填土高度

分别对路堤填土高度为3.5 m、4.5 m、5.5 m和6.5 m的桩承式加筋路堤进行了动力分析。图12为不同路堤填土高度的桩承式加筋路堤最大剪切应变增量，路堤填土高度越大，坡脚也越大，路堤填土高度越大，路堤的剪切应变增量也越大。则在同样的加固条件下，路堤填土越高，路堤在地震作用下也越容易破坏。实际中，路堤高度较高的情况下，会设多级平台，坡脚设置护脚墙，坡面设置护坡骨架，从而保证高路堤边坡一定的坡面稳定性。

图13为不同路堤填土高度下监测的路堤中线AB线的水平加速度峰值放大系数曲线，从图中看到，随着路堤高度的增加，路堤填土的高度越大，路堤填土对地震波的衰减作用越明显，水平峰值加速度有减小的趋势。在保证高路堤的加固条件下，证明高路堤有助于路堤工程的抗震效果，但是这也大大增加了土石方填料的投资，故实际中只有在高烈度设防地区、存在大量弃土的情况下才会采用高路堤来增强路堤的抗震性能。