基于Abaqus有限元模拟的反h抗滑桩对陡坡路基沉降的影响研究

李雪飞 张冲冲

(1.河北建筑工程学院,河北 张家口 075000；2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000)

0 引 言

随着我国公路交通建设的发展以及西部大开发的战略布局，在西北地区建设的道路越来越多，同时我国西北地区海拔高、地形崎岖，很多道路不得不修建在比较高、陡的斜坡上形成了陡坡路基.冀西北地区海拔高、气候条件恶劣、地形起伏大、不良地质较发育，主要面临：湿陷性黄土、陡坡路基滑坡、崩塌等地质灾害，受冀西北地区高寒气候影响，滑坡影响线处于季节性冻土人为上限的活动范围内，反复的冻融作用在很大程度上会加剧陡坡路基填挖交接面的结构性损坏.

由于反h抗滑桩在陡坡路基中应用独特的优势，众多专家学者对反h抗滑桩应用在陡坡路基上展开了研究.李洋[1]等通过分析反h桩的受力特点，总结工程经验提出了反h抗滑桩的三种土压力模型，并对反h桩进行几何参数的优化分析.张永杰[2]等通过建立反h桩的设计计算模型结合工程实例进行相互验证，分析认为在考虑土体对反h桩的前后排桩的作用力时得到的计算结果更符合工程实际.李小雷[3]等采用非线性有限元分析的方法，研究了反h桩在膨胀土陡坡路基的应用中，反h桩与土体的相互受力关系，最后提出了反h桩应用在膨胀土陡坡路基时的桩参数选择范围.罗勇等[4]以贵州省境内的反h抗滑桩的应用工程为研究对象，采用深部位移测试以及光纤传感测试技术，分析了反h桩的变形特性及内力分布规律，分析认为应用了反h抗滑桩的陡坡路基边坡逐渐稳定.邓霁伟[5]采用有限元分析的方法，研究了陡坡路基在设置反h桩时，反h桩的结构刚度等三个因素对陡坡路基抗滑能力的影响，并提出了一定条件下反h桩的合理参数.苏谦等[6-8]采用模型试验结合现场试验相互验证的方式，对处于最大融化深度时的冻土斜坡路基进行了失稳变形特性、影响因素及失稳原因的研究，试验结果表明；导致冻土斜坡路基失稳的主要原因是冻融交界面的软弱带抗剪强度不足；当浅层土体的薄弱面位于冻融交界面之上时，路基变形较为集中，并且路基变形会在冻融交界面附近出现骤变的情况.

上述研究成果主要研究了外界环境以及土层参数对反h抗滑桩沉降变形的影响，未能直接对反h抗滑桩自身参数的变化做出具体分析，本文基于abaqus有限元模拟，对应用反h抗滑桩的陡坡路基的坡度、桩截面尺寸以及前后桩距的变化对陡坡路基沉降量的影响进行研究分析，以期为相关工程实践提供理论指导.

1 有限元模型

1.1 参数设置

通过ABAQUS有限元软件对陡坡路基进行建模，该实验模型设置底部整体尺寸为50 m×42 m，顶部车道高1.5 m、宽12 m，采用双车道行驶.在模拟过程中，设置路段陡坡路基中加入5根h型桩实现h型桩对陡坡路基的模拟作用，进而陡坡路基整体模型进行建模，在有限元模型中加入5根h型桩，路基面如图1-图2所示.

图1 反h型桩陡坡路基模型 图2 陡坡路基内部反h型桩变形图

设置有限元模型陡坡路基模型土体部分分为持力层及填土层，公路表面的列车荷载设置为Pk=10.5kN·m×0.75=7.875kN·m，且h型桩采用C30混凝土，其材料属性由表1所示.

表1 土体及h型桩物理力学参数

1.2 有限元分析试验方案

为了分析反h抗滑桩的坡度、前后桩距以及陡坡坡度的变化对陡坡路基沉降量的影响，设置三种试验方案进行有限元分析.其中方案一至方案三分别见表2～表4，试验方案分别对陡坡路基中h型桩之间的间距、前后桩间距以及陡坡坡度进行控制，通过改变h型桩的桩间距、前后间距以及陡坡坡度，从而分别计算出不同条件下的变形量，进而得到最小变形量下的桩间距、前后间距以及截面尺寸.

表2 反h型桩桩间距变化方案

表3 反h型桩前后桩距变化方案

表4 反h型桩陡坡坡度变化方案

2 有限元分析

反h型桩桩间距变形结果如图3所示，由图3可以看出，随着桩间距的增大，陡坡路基边坡的最大变形量也不断增大，当桩间距为8 m时，陡坡路基的最大变形量达到峰值，且变形量为22.94 mm，当达到峰值后，随着桩间距的增大陡坡路基的最大变形量随之降低.

图3 桩间距变化最大变形量曲线 图4 桩前后桩距变化最大变形量曲线

反h型桩前后桩距变形结果如图4所示，由图4可以看出，当反h型桩的前后桩距的由4 m增大至6 m时，陡坡路基的最大变形量由10.94 mm增大到达一个峰值19.24 mm，当过了峰值之后，即反h抗滑桩的前后桩距由6 m增大至8 m时，陡坡路基的最大变形量由19.24 mm降低值最小13.85 mm，反h桩的抗滑效果越来越好.

反h型桩陡坡坡度变形结果如图5所示，由图5可以看出，随着陡坡坡度的增大，陡坡路基的最大变形量也随之增大，当陡坡路基的坡度由21.038°相继增加至26.565°、29.982°33.179°以及36.158°时，陡坡路基最大变形量的增长率分别为21.16%、7.01%、3.17%、13.15%.并且当陡坡坡度达到36.158°时，变形量最大，且最大变形量为22.46 mm，产生这种现象的原因是当增大陡坡坡度时，陡坡路基受到的垂直应力随之增大，因此，实际工程中应尽量避免在过陡的坡段修筑公路.

图5 陡坡坡度变化最大变形量曲线

3 结 论

本文基于abaqus有限元模拟，对反h抗滑桩的桩间距、前后桩距以及陡坡坡度的变化对陡坡路基沉降量的影响进行研究分析，可以得出以下结论：

(1)一定条件下，随着反h抗滑桩桩间距以及前后桩距的增加，陡坡路基的变形量呈先增大后减小的趋势，即陡坡路基的最大变形量存在一个峰值.

(2)其它条件一定时，随着陡坡坡度的增大，陡坡路基变形量呈单调递增的趋势，反h型桩的抗滑效果越来越差，当陡坡坡度达到36.158°时，变形量最大，且最大变形量为22.46 mm.