陈尊伟 顾小辉
（林同棪国际工程咨询（中国）有限公司，401121）
【摘 要】本文采用数值模拟的方法，通过模拟不同填方高度情况下桩基托梁挡土墙的位移，归纳施工过程中桩基托梁土墙的位移的变化规律，提出施工过程的注意事项，为实际施工过程提供借鉴。
【关键词】挡土墙；桩基托梁；数值模拟；施工应用
1、前言
桩基托梁挡土墙是一种桩与挡土墙组合而成的支挡结构形式，其中桩与挡土墙之间由托梁连接。桩基托梁挡土墙按结构形式主要有：单排桩基托梁挡土墙、多排桩基托梁挡土墙和锚索（杆）桩基托梁挡土墙，按工程设置位置主要有：路堤式桩基托梁挡土墙和路肩式桩基托梁挡土墙。工程应用中，根据边坡的情况，桩基托梁挡土墙按照桩的使用功能分为：承载桩基托梁挡土墙和抗滑桩基托梁挡土墙。本文依托的工程实例为路堤式桩基托梁挡土墙，通过数值模拟分析施工过程中桩基托梁的位移变化规律。
2、工程概况
本文选取最不利断面进行研究，该段横剖面地形较陡，坡角5°～30?，覆盖层为残坡积粉质粘土，土层厚度0.20～15m，下伏基岩为泥岩、砂岩。该段为填方路基段，填方高度42.5m。由于附近有建筑物，无法采用正常放坡，拟采用多排路堤式桩基托梁挡土墙，上部挡土墙采用C20混凝土现浇衡重式挡土墙，下部桩采用2排钻孔灌注桩，桩径2m，桩长38m，纵向间距4m，横向间距6m，托梁厚度2m，宽度10m。计算简图见图3.1。
3、计算模型及计算参数
3.1 计算模型及范围
采用midas GTS有限元软件对边坡及支挡结构进行分析。以托梁顶面为原点，长度12m做为一个单元。墙厚土体取60m宽，挡墙前土体取30m宽，桩基一下取10m。填方边坡第一、二、三级坡比分别为1:1.5、1:1.8、1:2.0。土体、岩体、托梁和衡重式挡墙采用实体单元模拟，桩基采用梁单元模拟。实体单元共有8906个三维网格单元，3152个节点，梁单元共有60一维单元，78个节点。
3.2 材料模型及参数
本文将实体单元土体、岩体以衡重式挡墙定义为摩尔-库伦模型，托梁定义为弹性模型，梁单元桩基定义为弹性模型。
本次数值模拟所采用的参数见表3.1.
表3.1 岩土物理力学参数表
3.3 计算工况及监测点布置
为了更好的模拟桩基托梁挡土墙施工过程的变化规律，本文分8个工况来模拟施工中的每个阶段。
图3.1计算简图
工况1：计算初始地应力，计算后令其位移归零，模拟原始边坡在自重作用下完成固结，支挡结构在荷载作用下的变形不包括这部分变形。
工况2：增加桩基托梁挡土墙部分计算，模拟其施工完成后在自重作用下的位移变化。
工况3：增加填方一部分计算，模拟土体回填至托梁顶标高时桩基托梁挡土墙的位移变化。
工况4：增加填方二部分计算，模拟土体回填至衡重台标高时桩基托梁挡土墙的位移变化变形。
工况5：增加填方三部分计算，模拟土体回填至衡重式挡墙顶标高时桩基托梁挡土墙的位移变化。
工况6：增加填方四部分计算，模拟一级边坡形成后桩基托梁挡土墙的位移变化。
工况7：增加填方五部分计算，模拟二级边坡形成后桩基托梁挡土墙的位移变化。
工况8：增加填方六部分计算，模拟最终三级边坡形成后桩基托梁挡土墙的位移变化。
本次在桩基托梁挡土墙上设置28个监测点，记录每个工况下的位移变化，通过分析得出现场施工过程中桩基托梁挡土墙的位移变化规律。监测点具体分布见图3.1。
4、计算结果分析
4.1 上部衡重式挡土墙位移分布
由图4.1可知，工况2桩基托梁挡土墙施工完成后，墙体的整体水平位移出现负值，即挡墙有向填土方向的位移。这主要是因为衡重式挡墙的重心靠后，在自重的作用下有向填土方向倾覆的趋势。
随着墙后土体施工即工况3到工况8，墙体整体水平位移由负值逐渐变成正值，并在施工过程中，墙体的整体水平位移逐渐增大。
挡墙顶的最大水平位移为7.8cm，衡重台处最大水平位移为11.1cm，挡墙底的最大水平位移为15.9cm。挡墙的最大水平位移发生在挡墙底部，最小水平位移发生在挡墙顶部，挡墙没有向临空面旋转的趋势，说明挡墙具有很大的抗倾覆能力。挡墙底部受到桩基和托梁的约束，并且因为桩顶产生较大位移，所以上部衡重式挡墙的最大位移出现在挡墙底部。
由图4.2可知，随着墙后土体施工，挡墙向下的垂直变位逐渐增大，其中监测点1的竖向位移大于监测点2，监测点4的竖向位移大于监测点3，监测点5的竖向位移大于监测点6，衡重式挡墙有向填土侧倾覆的趋势，挡土墙不会发生倾覆破坏。
图4.2竖向位移
4.2 托梁位移分布
由图4.3可知，随着墙后土体施工即工况2到工况8，托梁的整体水平位移由负值变成正值，并在施工过程中，托梁的整体水平位移逐步增大。托梁的最大水平位移出现在底部为17.1cm，这是因为上部挡土墙有向填土侧倾覆的趋势，对托梁上表面产生约束，导致底部水平位移大于上部水平位移。
由图4.4可知，随着墙后土体施工即工况2 到工况8，托梁的整体竖向位移逐步增大，监测点5、7的竖向位移大于监测点6、7’的竖向位移，说明托梁有向填土侧倾覆的趋势，这与上部衡重式挡土墙分析得出的结论一致。
图4.4竖向位移
4.3 桩基的位移分布
由图4.5和图4.6可知，桩基的整体水平位移从工况2到工况8逐步增大，且变化均匀，没有出现突变，说明桩基没有发生断裂等破坏。从图4.5中可知，前排桩的最大水平位移出现在桩顶，最小水平位移出现在桩底，且沿着桩长方向水平位移一次增大，其位移变化规律与单排抗滑桩一致。从图4.6中可知，后排桩的最大水平位出现在桩顶，最小水平位移出现在监测点14’和监测点15’土与基岩的界面处。这主要是因为后排桩桩身受到的水平力比较小变形小，而桩顶受到托梁的约束发生较大变形，从而导致桩身出现向填土方向凸的现象，又因为桩底嵌固在稳定的基岩里，因此最小的水平位移出现在土与基岩的界面处。
图4.6后排桩
5、结论
本文主要通过midas GTS有限元软件，以工程实例为依托，对桩基托梁挡土墙现场施工过程进行数值模拟，分析不同工况下的数值模拟计算出的位移量，直观的呈现出桩基托梁挡土墙的变形规律，为实际施工提供借鉴。主要结论如下：
（1）随着墙后填土的施工，上部衡重式挡墙整体水平位移逐渐增大。本工程实例的衡重式挡土墙有向填土方倾覆的趋势，说明不会发生倾覆破坏。上部衡重式挡墙可以与桩基托梁分开单独计算其安全性。
（2）托梁变形主要受上部衡重式墙的影响，本工程实例最大的位移出现在上部挡墙墙踵处。
（3）前排桩水平位移变化规律与悬臂梁类似，可知墙后土体产生的水平推力主要前排桩承担。
（4）后排桩水平位移出现向填土侧凸的现象，建议在桩基的中部增加横向支撑，提高群桩的整体性。
参考文献：
[1]李海光，周德培等著.新型支挡结构与工程实例.人民交通出版社，2004.
[2]陈忠达.公路挡土墙设计[M].人民交通出版社，2000.
[3]高志辉.桩基托梁挡土墙力学作用机理试验研究与数值分析.四川大学硕士论文.2005.
论文作者:陈尊伟,顾小辉
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年5月总第210期
论文发表时间:2016/7/15
标签：位移论文; 挡土墙论文; 桩基论文; 挡墙论文; 工况论文; 水平论文; 出现在论文; 《工程建设标准化》2016年5月总第210期论文;