基于FLAC3D的塑钢板桩路基防护优化设计与现场试验研究

2021-02-23余以强

科学技术与工程 2021年2期

叶霄，詹伟*，余以强，于洋

(1.浙江省交通运输科学研究院，浙江省道桥检测与养护技术研究重点实验室，杭州 311305; 2.浙江省交通运输科学研究院，杭州 310023; 3.浙江大学海洋学院，杭州 316021)

高速公路改扩建工程在过去几十年来已经取得了长足的发展[1-2]。随着“四好”农村公路的提出，公路交通的重心逐渐向农村公路建设转移。农村公路一般为填土不高的低等级的三、四级公路，建设标准普遍较低，公路沿线防护设施匮乏，路边景观环境差。在公路运营期间，两侧土路肩常因雨水冲刷、交通荷载冲击等因素而出现水土流失、松散、滑塌，甚至堵塞边坡，导致路面排水不畅，进而引起一系列的路基路面病害[3-6]。

传统的板桩(如木板粧、钢板桩、钢筋混凝土板桩)在水利、航道护岸、基坑支护等工程领域中应用广泛，理论与工程应用技术较成熟，但传统板桩防护存在一定的缺陷：木板桩强度低，易受微生物攻击而降解；钢板桩耐久性差；钢筋混凝土板桩对于场地要求严格、对生态环境影响大、人力机械力成本高[7-10]。近年来，高分子材料得到了快速发展。高强度塑钢板桩(以下简称塑钢板桩)是一种新型聚合物材料，采用强化复合材料经特殊工艺一次挤压成型，具有轻质、耐腐蚀、抗老化、耐久性强等优点，同时还具有便于快速施工、施工作业面小、材料绿色环保、对周边环境影响小等优势。丁若雪等[11]对多种型式的塑钢板桩用于护岸工程试验段进行了长期的变形监测，并指出板桩竖向位移和桩身深层水平位移变化量均不明显，塑钢板桩用于护岸工程效果显著。储振华[12]通过对拉森钢板桩围堰的施工技术研究，发现拉森板桩作为围堰的支护结构，既能有效地保证围堰的土体稳定，拉森板桩接口的咬合又能起到良好的止水效果。结合塑钢板桩在护岸、围堰、基坑中的应用，塑钢板桩为公路路基防护工程带来了新的思路[11, 13-14]。然而，塑钢板桩在中国尚未规模投入使用，相关理论研究较少，塑钢板桩在路基防护方面也鲜有报道[15-16]。

为此，通过开展塑钢板桩材料的物理力学试验，初步探究塑钢板桩用于路基防护的可行性与适用性，基于数值模拟方法对防护方案进行优化设计研究，并选定一试验段原位测试以进一步验证塑钢板桩路基防护的可行性与有效性。旨在明确塑钢板桩用于低等级公路路基防护工程中的可行性及适用性，以解决低等级公路改扩建成本高而经费有限情况下的路基防护，延长道路使用寿命。采用塑钢板桩的路基防护在路肩新近填土上适合植草美化，具有较强的景观意义。研究成果可为设计单位和公路管理部门提供有益参考，在一些低强度、低应力要求的支护领域，塑钢板桩可尝试代替传统钢板桩，对于切实提高低等级公路管理和养护，具有重要的现实意义和应用推广价值。

1 塑钢板桩简介

1.1 塑钢板桩材料及型式

塑钢板桩材料是一种新型高分子材料，经特殊工艺一次成型的工厂化预制构件。相对于传统钢板桩、木板桩或混凝土板桩，塑钢板桩强度高、重量轻、造价低、绿色环保等特点，符合倡导“以塑带钢”“以塑代木”的新材料应用和节能环保政策。塑钢板桩的截面型式根据物理学和机械结构设计原理，采用大惯性矩截面设计，每片中间为开孔的六边形管桩及两侧设置特殊形状的C形、T形凹凸套接接头，在开孔的塑钢板桩内打设镀锌钢管作为主要支护体，通过锁口或钳口相互连接形成紧密的连续结构拦挡土体。采用FA型塑钢板桩，如图1所示。

图1 塑钢板桩

根据实际工程路基防护高度，塑钢板桩路基防护结构主要包括悬臂式、拖板式和拉锚式，如图2所示。当塑钢板桩后填土体较低时，一般悬臂式塑钢板桩可满足防护要求，而拖板式及拉锚式塑钢板桩通过在悬臂式塑钢板桩基础上附加拖板或锚碇支撑结构，可用于板桩背部填土较高的情况。

i%表示坡度

1.2 塑钢板桩物理力学性质

预制化的FA型塑钢板桩主要有3种型式，研究所涉及塑钢板桩型号为FA650*92*6，即单块塑钢板桩长650 mm，开孔桩直径92 mm，板厚6 mm，截面面积7 137.1 mm2，理论质量10.35 kg/m，惯性矩888.5 cm4。通过开展塑钢板桩材料的物理力学性能试验，为塑钢板桩在路基防护工程中的应用可行性提供基础数据支撑，试验结果(平均值)如表1所示。结果表明塑钢板桩材料密度低，仅为钢材的18%左右；强度高，其中平均弯曲强度达63.6 MPa截面具有较好的抗弯、抗压和变形能力。此外，还进行了拉伸强度老化和紫外老化试验、耐酸碱试验及有毒有害物质检测试验，结果表明塑钢板桩耐腐蚀性及抗老化性能好，无毒害物质污染、环保生态，可实现工厂化预制和装配化施工。

表1 塑钢板桩物理力学性质指标

2 塑钢板桩防护优化设计

为确定不同防护高度下塑钢板桩的选型及镀锌钢管打设间距，采用FLAC3D对塑钢板桩路基防护工程应用中的不同工况进行数值模拟计算分析，获取塑钢板桩路基防护技术应用的关键参数。结合数值计算结果优化设计，为后期现场工程试验及工程应用提供技术上有效且经理上合理的依据。

2.1 计算模型建立

根据防护高度的不同，考虑三种塑钢板桩防护形式：悬臂式、拖板式和拉锚式塑钢板桩。为模拟不同型式塑钢板桩，采用有限差分数值模拟软件FLAC3D建立相应的模型。模型中塑钢板桩和路基土体均采用实体单元模拟，镀锌圆管和镀锌方管均采用beam单元模拟。路基杂填土采用弹塑性本构Mohr-Coulomb模型，锚桩、镀锌方管和圆管以及拉筋均采用弹性本构模型，模型参数如表2所示。塑钢板桩与桩周土采用面接触，塑钢板桩厚度为 6 mm，镀锌钢管桩外径为60.3 mm，壁厚为 3.8 mm。为简化计算模型，外荷载考虑为路面宽度范围内(x取值0～5 m)路基土体表面施加30 kPa竖向均布荷载。

表2 模型参数

2.1.1 悬臂式塑钢板桩

对于悬臂式塑钢板桩，防护高度分别取0.6、0.9、1.2 m。对于每种防护高度，取三种防护高度与镀锌圆管入土深度的比值，即2∶1、1∶1、2∶3，共9种工况。为消除边界影响，取模型长10 m，地基高度 8 m，根据对称性，取模型宽度W=0.65 m(即单块完整塑钢板桩的宽度)，路面宽度为5 m，塑钢板桩防护区域位于模型中部，如图3(a)所示。

2.1.2 拖板式塑钢板桩

建立拖板式塑钢板桩数值模型如图3(b)所示。为消除边界影响，取模型长10 m，高度8 m，路面宽度为5 m，塑钢板桩防护区域位于模型中部，拖板间距为1.3 m(即每两块塑钢板桩设置1块拖板)，锚桩与钢管桩间距0.4 m，桩顶以下0.3 m处设置镀锌方管与拖板相连。根据对称性，取模型宽度W=1.3 m(两块塑钢板桩的长度)，塑钢板桩防护高度分别取1.5 m和1.8 m。防护高度与入土深度比值分别取为3∶1、3∶2和1∶1。

2.1.3 拉锚式塑钢板桩

建立拉锚式塑钢板桩数值模型如图3(c)所示。为消除边界影响，取模型长10 m，高度8 m，路面宽度为5 m，塑钢板桩防护区域位于模型中部，拉筋间距为1.3 m(每两块塑钢板桩设置1根拉筋)，锚桩与钢管桩间距2.0 m，桩顶以下0.3 m处设置镀锌方管与拉筋相连。根据对称性，取模型宽度W=1.3 m(两块塑钢板桩的长度)。塑钢板桩防护高度分别取2.1 m和2.4 m。防护高度与入土深度比值分别为3∶1、3∶2和1∶1。

图3 塑钢板桩模型

2.2 塑钢板桩侧向变形结果分析

2.2.1 悬臂式塑钢板桩

悬臂式塑钢板桩的最大侧向位移如表3所示。变形控制值按防护高度的0.6%校验，即当某工况塑钢板桩最大变形超过防护高度的0.6%时，即认为该工况设计失效[17]。当防护高度一定时，镀锌钢管入土深度越大，塑钢板桩最大侧向变形显著减小。当防护高度与入土深度比一定时，随着防护高度的增大，塑钢板桩最大侧向位移明显增大。当防护高度与入土深度比值为2∶1时，桩顶侧向位移均接近或超过变形控制值；当防护高度与入土深度比值为2∶3时，桩顶侧向位移均远小于位移限制值。因此，对于悬臂式塑钢板桩路基防护型式，防护高度与入土深度比值宜取1∶1，该比值既能保证材料充分利用，又能够有效控制变形。

表3 不同防护高度悬臂式塑钢板桩最大侧向变形

2.2.2 拖板式塑钢板桩

模拟的拖板式塑钢板桩的最大侧向位移如表4所示。由表4可知，随着防护高度的增加，塑钢板桩最大侧向变形均增大。对于确定的防护高度，随着镀锌圆管入土深度的增加，塑钢板桩最大侧向位移减小。当防护高度与入土深度比值为3∶1时，塑钢板桩最大侧向位移均超过变形控制值；当防护高度与入土深度比值为1∶1时，塑钢板桩最大侧向位移均远小于位移限制值，容易造成材料的浪费。因此，对于拖板式塑钢板桩路基防护型式，防护高度与入土深度比值宜取3∶2，能较好地控制变形并充分利用材料，降低成本。

表4 不同防护高度拖板式塑钢板桩最大侧向变形

2.2.3 拉锚式塑钢板桩

拉锚式塑钢板桩的最大侧向变形模拟结果如表5所示。与前述悬臂式和拖板式塑钢板桩相似，对于确定的防护高度，随着镀锌圆管入土深度的增加，塑钢板桩最大侧向位移减小。当防护高度与入土深度比值为3∶1时，塑钢板桩最大侧向位移均超过变形控制值；当防护高度与入土深度比值为1∶1时，塑钢板桩最大侧向位移均远小于位移限制值，容易造成材料的浪费。因此，对于拖板式塑钢板桩路基防护型式，防护高度与入土深度比值宜取3∶2，技术经济性较好。

表5 不同防护高度拉锚式塑钢板桩最大侧向变形

2.3 参数优化

在选取合理的防护高度与入土深度比值基础上，对三种型式的塑钢板桩其他参数进行优化。对悬臂式塑钢板桩，优化镀锌圆管布置间距；对拖板式和拉锚式塑钢板桩，由于防护高度相对较高，因此板桩开孔内全部打设镀锌钢管，分别优化拖板间距和拉筋间距。

2.3.1 悬臂式塑钢板桩

为确定悬臂式塑钢板桩防护结构镀锌圆管的合理间距，在前述计算的最优防护高度与入土深度比(1∶1)条件下，分别计算镀锌圆管间距为0.325 m(每孔均设置镀锌圆管)、0.65 m(每块塑钢板设置1根镀锌圆管)和1.3 m(每两块塑钢板桩设置1根镀锌圆管)3种工况下的最大桩顶位移，模拟结果如表6 所示。由表6可知，当镀锌圆管间距为1.3 m时，塑钢板桩的最大位移值接近或超过位移限制，说明该间距不能满足塑钢板桩的变形限制要求。当间距为0.325 m和0.65 m的情况均满足变形限制要求。因此，对于悬臂式塑钢板桩路基防护型式，镀锌管间距不宜超过0.65 m，即每块塑钢板桩中至少设置1根镀锌圆管。

表6 不同镀锌圆管间距悬臂式塑钢板桩最大侧向变形

2.3.2 拖板式塑钢板桩

为确定拖板的合理间距，在前述获得的最优防护高度与入土深度比3∶2条件下，分别计算拖板间距为1.3(每两块塑钢板设置1块拖板)、1.95(每3块塑钢板设置1块拖板)、2.6(每4块塑钢板设置1块拖板)、3.25 m(每5块塑钢板设置1块拖板)4种工况下的塑钢板桩最大位移。模拟结果如表7所示，可以发现，当拖板间距为3.25 m时，塑钢板桩的最大位移值接近或超过位移限制，说明该间距不能满足塑钢板桩的变形限制要求。而拖板间距为 2.6 m 及以下的工况均满足变形限制要求。因此，对于拖板式塑钢板桩，拖板间距不宜超过2.6 m，即至少每4块塑钢板桩要设置1块拖板。

表7 不同拖板间距拖板式塑钢板桩最大侧向变形

2.3.3 拉锚式塑钢板桩

为确定拉筋的合理间距，在防护高度与入土深度比值为3∶2条件下，分别计算拖板间距为1.3(每两块塑钢板设置1根拉筋)、1.95(每3块塑钢板设置1根拉筋)、2.6 m(每4块塑钢板设置1根拉筋)三种工况下的塑钢板桩最大位移。模拟结果如表8所示，当拉筋间距为2.6 m时，塑钢板桩的最大位均超过位移限值，说明该间距不能满足塑钢板桩的变形限制要求，而拉筋间距为1.95 m及以下的工况均满足变形限制要求。因此，对于拉锚式塑钢板桩，拉筋间距不宜超过1.95 m，即至少每3块塑钢板桩要设置1根拉筋。

表8 不同拉筋间距拉锚式塑钢板桩最大侧向变形

3 工程实例

3.1 工程概况

为验证塑钢板桩路基防护工程的可行性与适用性，对浙江省嘉兴市某县道建立试验段进行现场试验。试验场地土层主要为黑灰色粉砂质黏土，锈黄色黏土及砂砾层，无软弱土层分布。该县道采用双向两车道设计标准，沥青路面结构，设计时速 50 km/h，道路两侧为行道树、边沟和农田，道路两侧路肩边坡采用放坡+植被护坡形式。经过多年运营，路基边坡存在冲刷、水土流失现象，局部路段路基边沟存在堵塞情况。

试验路段共约120 m，分为三段：悬臂式路基防护型式路段50 m、路基防护高度为0.9 m及拖板式路基防护型式路段30 m，路基防护高度为1.5 m；拉锚式路基防护型式路段40 m，路基防护高度为 2.1 m。根据设计优化结果，悬臂式路段每张塑钢板桩打入一根镀锌圆管，镀锌圆管隔孔布设；拖板式路段每隔4张FA型塑钢板桩布设一张拖板板桩；拉锚式路段每隔3张塑钢板桩设置一根拉筋。

3.2 试验方案

为了验证塑钢板桩防护结构的稳定性，开展了现场长期观测试验，包括桩顶位移及桩侧土压力。在3种路基防护型式的3个路段，每个路段同一断面内左右两侧塑钢板桩顶部布置2个位移监测点。其中，S1和S2分别为悬臂式塑钢板桩试验段路两侧侧向位移目标监测点；S3和S4分别为拖板式塑钢板桩试验段路两侧侧向位移目标监测点；S5和S6为拉锚式塑钢板桩试验段路两侧侧向位移目标监测点。采用徕卡高精度全站仪TM50进行监测；每个路段同侧不同深度在塑钢板桩桩土交界处各布置2个土压力盒。其中，E1和E2分别为悬臂式塑钢板桩试验段桩侧土压力监测点，埋深分别为 0.3 m 和0.6 m；E3和E4分别为拖板式塑钢板桩试验段桩侧土压力监测点，埋深分别为0.3 m和 0.6 m；E5和E6为拉锚式塑钢板桩试验段桩侧土压力监测点，埋深分别为0.3 m和0.6 m，土压力盒采用频率计读数。

3.3 结果分析

3.3.1 桩顶水平位移

图4为桩顶水平位移-时间曲线。由图4可见，桩顶侧向变形整体偏小，且在小范围内波动，悬臂式塑钢板桩桩顶累计水平位移最大值为1.3 mm，拖板式桩顶最大水平位移2.1 mm，拉锚式桩顶最大水平位移1.4 mm。基于《建筑基坑工程监测技术标准》(GB 50497—2019)[17]，试验路段塑钢板桩路基支护结构深度分别为0.9、1.5、2.1 m，视为三级基坑，桩顶累计水平位移预警值为0.6%h～0.8%h(h为基坑开挖深度)。以悬臂式防护为例，即桩顶水平位移预警值为5.4～7.2 mm，桩顶水平位移变化速率预警值为8～10 mm/d。镀锌圆管结合塑钢板桩使用对路肩边坡的支护作用得到了充分发挥，悬臂式路基防护结构处于稳定状态。同样地，镀锌圆管、镀锌方管、拖板板桩与塑钢板桩的组合和镀锌圆管、镀锌方管、锚杆、拉筋与塑钢板桩的组合使用，能够有效控制防护高度更高的路肩边坡侧向变形，拖板式、拉锚式塑钢板桩结构防护效果显著。

图4 桩顶累计水平位移时程曲线

3.3.2 桩侧土压力

图5为桩侧表面土压力随时间的变化曲线。土压力的变化趋势反映了塑钢板桩支护结构与土体的受力情况及其相互作用，进而可以判断桩体稳定性。由图5可知，3种型式的塑钢板桩桩体表面土压力变化量均很小，悬臂式和拉锚式塑钢板桩土压力大致在1.0 kPa震荡，拖板式板桩土压力大致在1.5 kPa小幅波动，表明3种防护型式塑钢板桩桩土接触情况良好，塑钢板桩路基防护结构均处于稳定状态。