桩网结构路基格栅侧限作用以及格栅拉力研究

2018-10-25李国峰安徽省建筑工程质量第二监督检测站安徽合肥230088

安徽建筑 2018年5期

李国峰（安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽合肥 230088）

1 引言

桩网结构路基在高速铁路、高速公路的建设中得到了广泛的运用。其主要结构形式包括路基本体、加筋垫层、带有扩大桩帽的加固桩。其中加筋垫层中所布置的土工格栅对桩网结构路基的服役性能影响较大。土工格栅拉力是影响土工格栅加筋作用的关键因素，目前许多规范计算方法将格栅拉力的组成分成两个部分[1]：桩间格栅上部荷载以及路堤横向滑移引起的格栅拉力。然而格栅对桩身侧向变形具有很好的侧限作用，桩身的侧向变形势必会进一步增加格栅的拉力，对这一部分的研究还是缺乏。

许多学者通过模型试验、数值分析等方式对格栅的受力特征以及格栅的加筋作用展开了研究。目前对于格栅拉力的分布还存在歧义，对格栅拉力的分布需要进一步研究[2-5]。同时目前研究并没有考虑到桩网结构的相互作用。

考虑到桩网结构受力机理的复杂性，本文利用Plaxis 2D建立了桩网结构路基有限元模型，对桩网结构相互作用展开了研究。研究的对象主要是土工格栅拉力的分布以及桩网结构路基桩身侧向变形的分布特征，并且分析了格栅拉力以及桩身侧向变形的相互影响规律。

2 计算模型

图1 桩网结构路基计算模型

如图1，考虑到路基结构的对称性，取路基结构的一般进行分析。为了消除边界的影响，模型的计算宽度为80m，计算宽度为40m；路基上部宽度为6m，下部宽度为14.1m，路基的填筑高度为5.4m，垫层的厚度为0.6m，坡高比为1.5∶1；桩间距为1.8m，桩直径为0.5m；模型底部设置了横向以及竖向的约束，模型两侧设置了横向约束，不做竖向约束。路基填筑拱分五层进行填筑，每层的填筑厚度为0.9m。

桩身采用线弹性模型，其弹性模量为20GPa，泊松比为1.2；地基土及路基填料均采用弹塑性模型，并且服从摩尔库伦准则，填料的天然密度为20.4，饱和密度为20.8，渗透系数为1.89E-4cm/s，弹性模量为35 MPa，泊松比为0.3，有效粘聚力为30kPa，有效内摩擦角为27°，地基土的天然密度为18.4，饱和密度为19.2，渗透系数为4.2E-6 cm/s，弹性模量为3.8 MPa，泊松比为0.36，有效粘聚力为4 kPa，有效内摩擦角为19.3°；土工格栅采用线弹性模型，格栅的刚度取500 kN/m，1000 kN/m，1500 kN/m三种工况进行计算；通过数值桩土之间的界面单元来模拟桩土相互作用，该界面单元的虚拟厚度为零，采用弹塑性模型进行模拟，并且服从摩尔库伦准则，界面的强度参数通过地基土的性质以及强度折减系数得到，本文取强度折减系数为0.7。

为研究桩土相互多用对格栅拉力以及桩身侧向位移之间的相互影响规律，以及格栅刚度对桩身侧向变形的影响规律，共计算了两种工况：工况一，桩身侧向变形不固定，分别计算了格栅刚度为0，500 kN/m，1000 kN/m，1500 kN/m，2000 kN/m共5种情况；工况二，桩身侧向变形固定，格栅刚度为500 kN/m。

3 结果分析

3.1 土工格栅拉力分布特征

图2为工况一格栅刚度为500 kN/m时，路基填筑过程中不同路基填筑高度时所对应的格栅拉力横向分布图。从图中可以看到，随着路基填筑高度的增大，不同位置处的格栅拉力均有所增大。格栅拉力最大处发生在路基中心处，并且沿路基斜坡方向逐渐减小。同时还可以发现，对于单桩范围内的土工格栅，格栅拉力发生在桩帽中心上方。图3为桩帽中心、桩帽边缘以及桩间中心上方处的格栅拉力随路基填筑高度变化图，从图中可以看到，桩帽中心处的格栅拉力增长最快，桩帽边缘处的格栅拉力增长其次，而桩间中心处的格栅拉力增长最慢。许多学者对单桩范围内的格栅拉力分布特征进行了研究，均发现桩间中心处的格栅拉力最小。本模型分析中，桩端直径为0.5 m，桩顶上方没有布置桩帽，桩端尺寸较小，格栅拉力最大处发生在桩顶中心上方，一定程度上证明了Van Eekelen等人所分析的原因是合理的。

图2 路基填筑过程中格栅拉力横向分布

3.2 桩身侧向变形

图4为路基填筑完成时，工况一格栅刚度为500 kN/m不同位置处桩身侧向位移部分图。从图中可以看到路基填筑完成后，由于路基横向滑移的作用，各位置处的桩均不同程度的发生了侧向位移。桩身最大侧向位移发生在桩顶处。图5为不同路基填筑高度，桩顶位置处水平位移的横向分布图，从图中可以看到，随着路基填筑高度的增加，不同位置处桩顶水平位移均有所增大。当路基填筑高度较低时，桩端最大水平位移发生在坡脚处；随着路基填筑高度的继续增大，桩端最大水平位移发生在坡脚附近靠近路基中心一侧，路基填筑完成时，最大水平位移约为2.5 mm。

图3 不同位置处格栅拉力随路基高度变化图

图4 路基填筑完成时桩身侧向位移

3.3 土工格栅的侧限作用

图5 不同路基填筑高度桩端侧向位移横向分布

图6为路基填筑完成时，不同土工格栅刚度所对应的两桩端侧向位移，其中格栅刚度为0代表未布置有土工格栅。从图中可以看到，随着土工格栅刚度的增大，桩端的侧向位移逐步减小。土工格栅的能够有效的限制桩端的侧向位移，且土工格栅刚度越大，格栅限制桩端侧向变形的效果越明显。由于格栅的侧限作用主要是通过格栅自身的拉力作用在桩身上产生的效果，反之，桩端的侧向变形将导致格栅自身拉力的增大。

图6 不同路基填筑高度桩端侧向位移横向分布

图7为桩身固定以及不固定两种情况格栅拉力横向分布的对比图，从图中可以看到桩身不固定时的格栅拉力要较桩身固定时的格栅拉力大，直接证明了桩身的侧向变形会导致格栅拉力的增大，对于桩网结构路基的设计，有必要考虑桩身侧向变形对格栅拉力的影响。

图8为桩帽中心处桩身不固定时的格栅拉力较桩身固定时的格栅拉力的增幅的横向部分图，从图中可以看到，当桩身发生侧向变形时，路基中心处的格栅拉力要比桩身不发生侧向变形时大26%左右，而坡脚处由于桩端的侧向变形较大，格栅拉力更是增大了90%。因此桩身侧向变形对格栅拉力的影响非常明显，对于桩网结构路基的设计，有必要考虑桩身侧向变形对格栅拉力的影响。