摘要 在包裹式加筋土橋臺(tái)中橋梁荷載主要由柱式臺(tái)承擔(dān)，加筋土體與樁之間存在相互作用受地基變形、加筋土體變形和交通荷載等的影響，使加筋土橋臺(tái)的工程應(yīng)用存在不確定性。文章使用PLAXIS 3D軟件建立3組包裹式加筋土橋臺(tái)的數(shù)值模型，分析了加筋間距與墻前擋土條件對(duì)樁—土相互作用的影響。研究結(jié)果表明，樁對(duì)土體既有擠壓作用也有阻擋作用，但以擠壓作用為主，且在上1/3墻高處出現(xiàn)，越靠近頂部擠壓作用越明顯；增大加筋間距能明顯提高上部樁對(duì)土體的擠壓作用，而墻前擋土對(duì)樁土擠壓作用沒有額外提升。

關(guān)鍵詞 包裹式加筋土橋臺(tái)；樁—土相互作用；數(shù)值分析；加筋間距；墻前擋土

中圖分類號(hào) U443.21文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）23-0075-04

0 引言

土工合成材料加筋土（Geosynthetic Reinforced Soils，簡(jiǎn)稱GRS）是由壓實(shí)填土與土工合成材料（主要是土工格柵和土工織物）交替鋪設(shè)構(gòu)成的復(fù)合體。在加筋土中，加筋材料（下文簡(jiǎn)稱為“筋材”）彌補(bǔ)了填土抗拉強(qiáng)度低的缺陷，通過筋土之間的摩擦、嵌鎖作用，限制了筋材周圍土粒的側(cè)向位移，為土體提供側(cè)限約束力，從而提高加筋土體的強(qiáng)度和剛度。土工合成材料加筋土技術(shù)以其適應(yīng)性強(qiáng)、節(jié)省投資、低碳環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在公路、鐵路等土木工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

包裹式加筋土橋臺(tái)是由加筋材料與填料相互交替形成的橋梁承載結(jié)構(gòu)，因此被廣泛運(yùn)用于道路橋梁系統(tǒng)中。此外該技術(shù)還具有施工快速、碳排放少、節(jié)約成本良好等特點(diǎn)^[1]。該橋臺(tái)采用樁體進(jìn)行橋梁豎向荷載承擔(dān)，而探究樁體與加筋土體之間的相互作用規(guī)律至關(guān)重要。

PLAXIS是1987年荷蘭Delft Technical University專門研制開發(fā)的巖土工程有限元軟件，適用于巖土工程變形計(jì)算、穩(wěn)定性分析以及地下水滲流等，能解決巖土工程中的二維和三維穩(wěn)定性、變形等問題，還能模擬復(fù)雜的工程地質(zhì)情景，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

現(xiàn)有關(guān)于包裹式加筋土橋臺(tái)分析樁—土關(guān)系的研究主要有原型試驗(yàn)與模型試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面，Pierson等人研究了不同樁體偏移距條件下樁體受水平荷載時(shí)樁與加筋土之間的相互作用^[2-3]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)樁體偏移距為2倍樁直徑時(shí)的水平承載力比樁體偏移距為4倍樁直徑時(shí)的水平，承載力下降50%，而群樁中單樁水平承載力下降20%。Nelson采用空心樁進(jìn)行了相似的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)^[4]。而模型試驗(yàn)方面，Mohammed通過18個(gè)縮尺模型試驗(yàn)^[5]，探究了樁體偏移距、橋臺(tái)高度、加筋間距、加筋長(zhǎng)度、筋材與面層連接方式等因素對(duì)樁體水平承載力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，樁體的水平承載力隨樁體偏移距和橋臺(tái)高度增加而增加，而橋臺(tái)面板處的水平位移和受到的側(cè)向土壓力減??；樁體的水平承載力隨筋材長(zhǎng)度的增加而增加；隨著加筋間距的增加，樁體水平承載力逐漸降低，而橋臺(tái)的水平位移增加。

目前利用PLAXIS 3D對(duì)包裹式加筋土橋臺(tái)的研究較為少見，而該文利用PLAXIS 3D建立包裹式加筋土橋臺(tái)數(shù)值模型，主要探討了加筋間距與墻前擋土條件對(duì)樁—土間相互作用影響規(guī)律。

1 模型建立

1.1 本構(gòu)模型選擇

PLAXIS為用戶提供了豐富的土體本構(gòu)模型，如摩爾—庫倫模型、節(jié)理巖石模型、土體硬化模型、軟土模型等。綜合對(duì)比分析各模型，考慮加筋土復(fù)合體可能出現(xiàn)的彈塑性表現(xiàn)，該數(shù)值模將采用摩爾—庫倫模型來模擬土體材料。

1.2 模型參數(shù)確定

加筋填土材料參數(shù)通過室內(nèi)試驗(yàn)獲得，樁體與非加筋區(qū)填土參數(shù)采用Jawad等^[6]研究參數(shù)，混凝土砌塊的材料參數(shù)采用Huang等^[7-8]使用的參數(shù)，模型材料參數(shù)見表1。模型界面參數(shù)采用Hatami等^[9]的研究數(shù)據(jù)，見表2。設(shè)置三組模型，使用不同加筋間距與擋土條件，見表3。模型高度為9.6 m，其中地基土高3 m，擋墻高6 m，柱高9.6 m，樁徑1.5 m，模型寬度7.2 m，筋材長(zhǎng)度4.8 m，混凝土砌塊尺寸為長(zhǎng)40 mm×寬20 mm×高20 mm。

1.3 荷載與邊界條件

原型工程為非承壓加筋土橋臺(tái)，加筋區(qū)域不承受豎向荷載，加筋區(qū)域外的區(qū)域在正常使用時(shí)會(huì)承受道路荷載、車輛荷載等，相關(guān)規(guī)范要求可取荷載值為20 kPa，幾何模型上邊界為自由邊界，四周除擋土墻臨空面外均施加活動(dòng)滑動(dòng)約束，底部施加完全固定約束。

1.4 模型建立過程

先使用Auto CAD軟件建立了三維模型，模型包括實(shí)體與面，然后導(dǎo)入至PLAXIS 3D軟件中。建立材料庫時(shí)，使用表1與表2的參數(shù)，分別建立正負(fù)界面單元，然后在各模型土工格柵對(duì)應(yīng)位置建立土工格柵結(jié)構(gòu)單元，并將材料庫中的材料對(duì)應(yīng)賦予相應(yīng)單元。在擋墻左右兩側(cè)、后部及底部賦予邊界條件，設(shè)置荷載大小為20 kPa。模型建立完成后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使用PLAXIS自帶的自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能，單元分布水平為中等。由于該試驗(yàn)不考慮滲流等影響，故不設(shè)置滲流條件。分布施工時(shí)，先激活邊界條件與地基土單元，然后分層激活土體、面板、土工格柵及相應(yīng)的界面單元，直到擋墻整體結(jié)構(gòu)激活完畢，判定為施工階段完成。然后重置位移，施加表面荷載，模擬正常使用狀態(tài)，計(jì)算完成后使用此階段數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值分析。模型建立完成如圖1所示。

2 結(jié)果分析

2.1 面板側(cè)向位移

面板高度—側(cè)向位移曲線見圖2，顯示了各組的面板側(cè)向位移隨高度的變化而變化。除C組外面板側(cè)向位移最大值均在距離面板頂部H/3處，呈現(xiàn)典型的“鼓肚”形態(tài)，與實(shí)際情況一致，而三組試驗(yàn)靠近面板頂部均出現(xiàn)面板側(cè)向位移增大的現(xiàn)象，結(jié)合樁的側(cè)向位移曲線，推測(cè)是因?yàn)闃扼w對(duì)土的擠壓作用越靠近擋墻頂部越明顯，C組表現(xiàn)尤為明顯。B組面板側(cè)向位移比A組減少約20%，說明墻前擋土對(duì)面板側(cè)向位移有減小作用。C組面板側(cè)向位移較A組增大了約8%，越靠近面板頂部增加率越大，面板頂部增大率為29%，說明增大加筋間距會(huì)增加擋墻面板的側(cè)向位移。

2.2 樁體側(cè)向位移

各組樁體側(cè)向位移沿高度分布圖見圖3，其中樁高從加筋區(qū)域底部起算，可知樁體側(cè)向位移隨高度增大而增大，且二者呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。中下部樁體側(cè)向位移要小于面板側(cè)向位移，上部樁體側(cè)向位移大于面板側(cè)向位移。B組樁體側(cè)向位移比A組減小約20%，說明墻前擋土能顯著減小樁體全高度的側(cè)向位移，減小程度與面板側(cè)向位移接近，因此墻前擋土對(duì)樁土擠壓作用沒有額外影響。C組比A組曲線斜率減小，樁體底部側(cè)向位移二者接近。

2.3 加筋區(qū)頂部沉降

加筋區(qū)頂部中心沉降分布圖見圖4，圖中距面板0.75～2.25 m處為樁所在區(qū)域，沉降分布圖分為樁前與樁后兩部分，距面板4.8～6.8 m處為被擋土區(qū)。由于受荷區(qū)沉降較大，加筋區(qū)靠近受荷區(qū)的部分沉降較大，樁前沉降較樁后沉降小。三組數(shù)據(jù)相比可以得到，B組沉降最小，A組與C組沉降幾乎一致，說明墻前有擋土可以減小加筋區(qū)頂部沉降。

2.4 筋材應(yīng)變

各組不同高度處的筋材中心應(yīng)變分布圖見圖5，圖中筋材應(yīng)變隨高度增加而減小。圖中距面板0.75～2.25 m處為樁所在區(qū)域，筋材在該處截?cái)?。圖中數(shù)據(jù)顯示，隨著高度增加，筋材整體應(yīng)變水平減小，即筋材受力減小，符合墻背水平土壓力分布。A、B組筋材應(yīng)變分布基本一致，C組筋材應(yīng)變較A、B組大，且樁前增大率要大于樁后增大率，說明墻前擋土對(duì)筋材應(yīng)變影響不大，而增大加筋間距會(huì)顯著增加筋材應(yīng)變。同時(shí)，樁前與樁后筋材應(yīng)變差值隨高度增加而增加，說明樁土擠壓作用會(huì)將樁前的土楔塊推向面板，而土工格柵作為錨固以穩(wěn)定楔塊，故樁前筋材應(yīng)變較大，同時(shí)隨著高度增加、擠土作用更加明顯，樁前后筋材應(yīng)變的差異也增大。

2.5 安全系數(shù)

使用PLAXIS軟件的強(qiáng)度折減法得到A、B、C三組安全系數(shù)各為1.845、1.891、1.838，B組安全系數(shù)最大，C組安全系數(shù)最小，說明設(shè)置墻前擋土或減小加筋間距均可以增加擋墻的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

（1）樁對(duì)土體既有擠壓作用也有阻擋作用，但以擠壓作用為主，且基本在上部H/3處出現(xiàn)，越靠近頂部擠壓作用越明顯。

（2）樁體側(cè)向位移隨高度增加而增大，減小加筋間距或設(shè)置墻前擋土均能減小樁體側(cè)向位移。但在底部時(shí)三者樁體側(cè)向位移相差不大。加筋區(qū)頂部沉降從面板至加載區(qū)不斷增大，而在樁體后部沉降值則逐漸降低，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)設(shè)置墻前擋土能有效減小沉降，而加筋間距對(duì)頂部沉降影響不明顯。

（3）筋材應(yīng)變水平隨著高度增大而增大，同一高度處筋材應(yīng)變距離面板越遠(yuǎn)處越小，同時(shí)樁前筋材應(yīng)變要大于樁后筋材應(yīng)變，二者差異隨加筋間距越小越明顯，而增大加筋間距筋材應(yīng)變也會(huì)增大。

（4）最大面板側(cè)向位移一般在距離面板頂部H/3處出現(xiàn)，但樁對(duì)土的擠壓作用會(huì)使上部面板側(cè)向位移增大，減小加筋間距或設(shè)置墻前擋土均可減小面板側(cè)向位移。增大加筋間距可以明顯提高上部樁對(duì)土體的擠壓作用，而設(shè)置墻前擋土對(duì)樁對(duì)土的擠壓作用基本沒有額外提升。

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收稿日期：2023-09-28

作者簡(jiǎn)介：余曉曉（2000—），男，碩士，研究方向：加筋土橋臺(tái)。