所属栏目：建筑工程论文范文发布时间：2026-04-17浏览量:586
摘要： 内置式加筋土桥台作为非承重加筋土桥台的一种型式，在工程中有良好的经济效益，但桩的存在会改变加筋土桥台内部的受力特征，从而影响内置式加筋土桥台的工作性能。基于某内置式加筋土桥台工程原型及其监测结果，使用FLAC3D建立了1:1的三维数值模型，分析了工作状态下内置式桥台的受力与变形性能。以设计需求为导向，研究了桩体与桥台面板的水平净距、桩径以及筋材绕桩方式对内置式加筋土桥台工作性能的影响。研究结果表明：桩(柱式台)与加筋土桥台之间存在明显的相互作用，桩体表面存在负摩阻力，同时桩对加筋土体起到了侧向阻挡作用，从而减小了作用于面板背部的水平土压力;桩体水平净距的减小会减小桩前小应力区范围、增大桥台面板侧向位移;增大桩径会增加桩体承载宽度，减小桩体侧向位移，增强桩体抵抗侧向土压力的能力;采用刚性套管的筋材绕桩方式可以提高加筋土桥台的整体性，减小桥台的侧向位移。
关键词： 道路工程;加筋土桥台;内置式;相互作用;数值模拟
论文《内置式加筋土桥台工作性能的数值模拟》发表在《重庆交通大学学报(自然科学版)》，版权归《重庆交通大学学报(自然科学版)》所有。本文来自网络平台，仅供参考。
0 引言
加筋土桥台是加筋土挡墙的一种新应用场景，与传统桥台相比，加筋土桥台显著降低了建设周期与工程造价，且碳排放低、材料再利用性强[1-2]，其在国内公路、铁路等土木工程领域逐步得到了应用。
根据是否直接承受桥梁上部结构荷载，加筋土桥台可分为承重式和非承重式(或称组合式桥台[3]);在非承重式加筋土桥台中，根据桥梁下部结构与加筋土桥台空间位置的不同，可细分为外置式和内置式桥台[4]。目前，研究主要侧重于承重式加筋土桥台[5]，而对于非承重式加筋土桥台的应用通常沿用加筋土挡墙的设计方法[6]，对于内置式加筋土桥台(图1)，加筋土桥台与下部结构之间存在相互作用，从而影响加筋土桥台的受力与变形，此时使用传统加筋土挡墙的设计方法并不合理。
张炜[4]开展了内置式桥台现场静载试验，发现桥台侧向位移沿高度呈现中部略大、顶/底部小的特点;石健等[7]通过数值模拟得到了相似的结论;徐超等[8]通过缩尺模型试验，发现桩和墙趾约束的存在能够有效限制桥台面板侧向位移;而美国国家公路与运输协会(AASHTO)[9]认为内置式加筋土桥台应考虑桩体对桥台面板产生的附加水平荷载。以上研究表明，内置式加筋土桥台中桩-加筋土相互作用尚不明确，需要进一步探讨内置式桥台的工作性能及其影响因素。
学者针对加筋土挡墙内桩体侧向承载性能也开展了研究，通过模型试验，研究发现筋材长度、加筋间距、桩体水平净距以及循环荷载对桩体侧向承载力具有显著影响[10-12]。HUANG Jie等[13]建立了三维数值模型，发现产生群桩效应的最小桩间距受土体模量的影响较大。然而此类加筋土挡墙内的水平受荷桩与内置式加筋土桥台中的桩土相互作用在结构形式、应用场景和受力特征方面存在明显不同。
笔者以安徽省明光至巢湖高速公路内一座内置式加筋土桥台为研究对象，使用有限差分软件FLAC3D建立内置式桥台的三维数值模型，探讨内置式加筋土桥台中桩-加筋土相互作用机理，研究桩体与桥台面板的水平净距(后称“水平净距”)、桩径、筋材绕桩方式对内置式加筋土桥台工作性能的影响，深化对内置式加筋土桥台力学性能的认识，为内置式加筋土桥台相关技术的推广提供参考。
1 内置式加筋土桥台数值模型
1.1 工程原型与数值模型概述
内置式加筋土桥台工程原型位于安徽省巢湖市境内，地貌类型为河谷平原，地形较为平坦。桥台施工前挖除了浅层粉质黏土、换填7%灰土至持力层，并设置了加筋垫层以提高地基承载力。桥梁下部结构采用柱式台，盖梁采用现浇工艺;桥台面板为模块式面板，使用C30混凝土高压仿石砌块，模块尺寸为0.40 m(长)×0.20 m(宽)×0.19 m(高);加筋材料为HDPE单向拉伸土工格栅，抗拉强度等于90 kN/m;加筋填料为碎石土，综合内摩擦角不小于35°，填料压实度不小于95%。桥台宽32.6 m、高5.32 m，加筋垫层厚1.2 m，典型筋材长度为8.5 m，桥台与加筋垫层中加筋间距分别为0.38 m(两层砌块高度)与0.30 m。
对工程原型采用了机器视觉测量仪、振弦式土压力计和柔性位移计，分别监测桥台面板侧向位移、桥台内部土压力和筋材应变。
为减少计算量，对数值模型进行了简化，桥台前墙与翼墙相接处采用直角过渡(原工程为弧形过渡)，桥台面板竖直(原工程倾斜度20:1)，桥梁荷载采用均布荷载的形式作用于盖梁上。此外，考虑桥台具有对称性，建模时仅考虑一半桥台。
1.2 材料本构模型及参数
根据设计文件，填料内摩擦角取38°，填料密度为2 000 kg/m³，剪胀角通过式(1)[14]确定：
psi=varphi-30^{circ} qquad (1)
式中：psi为填料剪胀角;varphi为填料内摩擦角。
填料、混凝土基础、桩、盖梁、CMU砌块等材料参数及本构模型见表1。单向土工格栅使用FLAC3D软件内置的各向异性土工格栅结构单元模拟，通过宽条拉伸试验得到土工格栅在2%下的抗拉强度为23.2 kN/m，土工格栅单元纵向抗拉刚度J_{MD}=1 160 kN/m，模拟中单向土工格栅横向抗拉刚度设置为纵向抗拉刚度的1/10[15]。
表1 材料参数
材料 本构模型 参数
加筋填料 摩尔-库伦 ho=2 000 kg/m^3, E=25 MPa, u=0.25, varphi=38^{circ}, c=1 kPa, psi=8^{circ}
墙前挡土 摩尔-库伦 ho=1 700 kg/m^3, E=20 MPa, u=0.25, varphi=35^{circ}, c=1 kPa, psi=5^{circ}
基岩 摩尔-库伦 ho= 1 700 kg/m^3, E= 9 GPa, u=0.20, varphi=41^{circ}, c=25 MPa, psi=0^{circ}
CMU 弹性 ho=1 800 kg/m^3, E=20 GPa, u=0.15
混凝土基础、梁、桩 弹性 ho=2 500 kg/m^3, E=30 GPa, u=0.15
土工格栅 弹性 u=0.33, t=1mm
注： ho为密度;E为弹性模量; u为泊松比;varphi为内摩擦角;c为黏聚力;psi为剪胀角;t为厚度。
1.3 界面及边界条件
界面使用FLAC3D软件内置的摩尔-库伦界面模型，基于筋土界面的研究成果，选用筋土界面折减系数C_i为0.6[14](varphi_i=arctan(0.6cdot an 38^{circ})=25.1^{circ})，混凝土-土体界面、混凝土-基岩界面折减系数分别为0.4、0.8[14-15]，界面参数如表2。
为了减小边界条件的影响，基岩厚度为13.8 m，右边界至翼墙距离为6.9 m，前、后边界至桥台面板分别为4.6 m、14.8 m，底部边界施加水平与竖向约束，侧向边界均施加水平约束。
表2 界面参数
界面 参数
混凝土形基础-CMU
CMU-CMU k_n=21 GPa/m, k_s=0.21 GPa/m, varphi_i=31^{circ}, c_{in}=0
混凝土基础-墙前挡土
CMU-墙前挡土 k_n=300 MPa/m, k_s=3 MPa/m, varphi_i=25.5^{circ}, c_{in}=0, C_i=0.4
混凝土基础-填料
CMU-填料
盖梁-填料
桩-填料 k_n=300 MPa/m, k_s=3 MPa/m, varphi_i=28^{circ}, c_{in}=0, C_i=0.4
桩-基岩 k_n=15 GPa/m, k_s=15 GPa/m, varphi_i=32^{circ}, c_{in}=230 kPa, C_i=0.8
土工格栅-填料 k_s=3 MPa/m, varphi_i=25.1^{circ}, c_{in}=0, C_i=0.6
土工格栅-CMU k_s=210 MPa/m, varphi_i=16.2^{circ}, c_{in}=81 MPa
注：k_n为界面法向刚度;k_s为界面剪切刚度;varphi_i为界面摩擦角;c_{in}为界面黏聚力。
1.4 模型验证
模型计算时通过分层激活，还原实际施工顺序，模拟施工过程对桥台的影响。分层激活时按加筋间距进行分步施工，同时在各层中施加均布荷载以模拟压实。研究表明，在单层土体上下表面同时施加均布荷载，可较好地模拟实际压实效果[16]，笔者采用压实荷载大小为10 kPa[16,17]，靠近面板2 m内压实荷载大小为5 kPa。加筋土桥台整体建造完毕后，在盖梁上施加等效桥梁荷载。桥梁荷载模拟值根据工程实际用量确定，实际桥梁总竖向荷载为16 586 kN、水平荷载为165 kN(包括汽车制动力、桥梁温度作用等)，因此在本次模拟中，在盖梁顶部施加竖向均布荷载157 kPa、外侧施加水平均布荷载6.25 kPa以模拟桥梁荷载，在引道路堤上施加竖向均布荷载20 kPa(设计值)以模拟交通荷载。
面板侧向位移监测值与计算值对比结果表明，面板侧向位移监测值与计算值均呈现中部鼓出的特点，最大侧向位移出现在0.6H高度附近，不同截面的面板侧向位移横向对比可以发现，在水平方向上面板侧向位移总体表现为靠近桥台中部位移大(P4截面)、靠近翼墙侧位移小(P1截面)，与文献[7]结果一致。由于数值模型中前墙与翼墙使用直角过渡，靠近翼墙侧前墙面板受到翼墙的约束，该位置侧向位移减小，但翼墙对前墙面板侧向位移的影响有限。数值模型可以较好模拟桥台面板侧向位移情况。
各监测断面面板背部水平土压力沿高度分布可见，水平土压力计算值与监测值均随着高度减小而近似线性增大，在桥台底部由于墙前填土对墙趾产生了水平约束作用，墙背水平土压力出现明显增大趋势，此外在墙前挡土(z/H=0.29，z为高度，H为墙高)以上区域，墙背水平土压力计算值与监测值均小于库伦主动土压力。
P3截面最大筋材应变沿高度分布可见，最大筋材应变监测值与计算值呈现相同的分布规律，即沿高度表现为中间大、顶/底部小的特点，与面板侧向位移规律一致，表明筋材与面板间变形协调性较好。
总体而言，笔者模型可较好反应原型工况下内置式加筋土桥台面板侧向位移、墙背土压力分布以及筋材变形情况，可基于笔者模型，对内置式加筋土桥台的工作性能展开进一步分析。
2 参数分析
基于验证后的数值模型，选取桩体与桥台面板的水平净距、桩径以及筋材绕桩方式3个因素，通过参数分析研究这些设计参量对内置式加筋土桥台工作性能的影响，讨论桩体位置、桩土相对刚度以及筋材受力连续性对桩土相互作用的影响，各试验组参数设置见表3。
表3 试验组参数
组别 水平净距/m 桩径/m 桩间距/m 筋材绕桩方式
T1 4.0 1.5 10.0+3.4+10.0 格栅截断
T2 4.8 1.5 10.0+3.4+10.0 格栅截断
T3 3.2 1.5 10.0+3.4+10.0 格栅截断
T4 4.0 2.3 10.0+3.4+10.0 格栅截断
T5 4.0 1.1 10.0+3.4+10.0 格栅截断
T6 4.0 1.5 10.0+3.4+10.0 刚性套管连接
2.1 桩体水平净距
T1~T3组模型计算结果表明，桥台面板侧向位移明显大于桩体侧向位移，且桩背水平土压力显著大于桩间土水平土压力，说明桩的存在会对加筋土桥台的侧向变形产生阻挡作用，使部分水平荷载传递至桩上，减小作用于桥台面板的水平土压力，与文献[9]提出的桩会对桥台面板产生附加水平力的结论不一致。
此外，研究表明桥台面板侧向位移在水平方向上通常呈现中部大、两侧小的趋势[7]，而结果表明，桩的存在显著减小了内置式加筋土桥台中部面板侧向位移，使其表现出与文献[7]不一样的面板侧向位移水平分布形式，说明不同的桩与桥台几何形式会影响桥台面板侧向位移的水平分布。
T1组的P4纵截面和z/H=0.39水平截面的水平土压力云图可见，桩体对桩后土体的侧向阻挡作用，在桩后出现了应力集中区、桩前出现了一个扇形的应力减小区域，而在两桩之间，由于作用范围重叠，表现出明显的群桩效应。
文献[9]认为，当桩体建造时间早于加筋土挡墙时，桩体表面会出现负摩阻力，使部分加筋土体自重荷载传递至桩体。在内置式加筋土桥台中，盖梁与桩体表面均出现了负摩阻力，使部分加筋土体的自重荷载通过桩体传递至基岩，间接减小了桩体与盖梁附近水平土压力，同时桩体对加筋土体存在侧向阻挡作用，在二者共同作用下桩后土体出现应力集中，在桩体侧向位移最大处(0.6H)应力集中较明显。
结果表明，随着桩体与面板的水平净距减小，桩体与桩间土水平力承担比(作用于桩体上的水平力合力与作用于桩间土的水平力合力之比，后同)增大，同时桩体水平净距的减小，会减小桩前小应力区范围、影响群桩效应，使加筋土体向临空面的位移增大，桥台面板侧向位移增大。
T1~T3组墙背水平土压力系数分布表明，在T1与T2组中，水平土压力系数随高度减小呈现减小趋势，且在墙前填土高度以上均小于库伦主动土压力;在T3组中，桩体水平净距的减小使墙背水平土压力系数显著增大，在墙顶以及0.5H高度以下均超过了库伦主动土压力系数，导致墙背水平土压力的设计计算偏危险，因此，在内置式加筋土桥台设计中应避免过小的桩体水平净距。
2.2 桩径
将T4与T5组的计算结果与T1组进行对比可见，随着桩径的增大，桩体抗弯性能增强，面板与桩体侧向位移显著减小。桩径增大使桩的承载宽度增加，导致桩体与桩间土水平力承担比增大，增强了桩对加筋土的阻挡作用。同时，增大桩径会增大桩前小应力区范围，即大直径桩可以降低传递至桥台面板的水平土压力，减小面板侧向位移，在桥台面板中上部尤为明显。
2.3 筋材绕桩方式
筋材绕桩方式对内置式加筋土桥台内部筋材受力分布影响较大[8]，在筋材-桩体相接处，采用直接截断筋材的方式会导致筋材受力不连续，而使用刚性套管连接截断处两侧的筋材可显著提升筋材的整体性。在模拟中使用FLAC软件自带的beam结构单元模拟刚性套管，在beam单元与土工格栅单元连接处创建了link节点以模拟刚性套管与筋材间的连接。
T1、T6组模型的计算结果表明，T1组中筋材在遇桩时直接截断，桩前筋材拉力无法传递至桩后，桩后的筋材亦无法为桩前筋材提供锚固力。T6组采用刚性套管的绕桩方式，可使桩前、后筋材受力连续，提升了加筋土桥台的整体性，同时筋材最大应变位置向桥台内部移动，且桩后筋材应变远大于T1组。筋材采用刚性套管绕桩方式，可以更好地限制桥台面板侧向位移。
3 结论
基于安徽省某高速内置式加筋土桥台原型工程的现场监测，使用有限差分软件FLAC3D建立了三维数值模型，分析了桩体与桥台面板的水平净距、桩径以及筋材绕桩方式对内置式加筋土桥台工作性能的影响，可得出以下结论：
1) 桩(柱式台)与加筋土桥台之间存在明显的相互作用。内置桩会对加筋土桥台产生侧向阻挡作用，在桩后出现应力集中区、桩前出现扇形小应力区，减小传递至桥台面板的水平土压力。桩体表面会出现负摩阻力，使部分加筋填土自重荷载通过桩传递至基岩，间接减小桩体附近的水平土压力。
2) 单桩桩前扇形小应力区分布受桩径与桩体与面板水平净距的影响，且在两桩间出现了明显的群桩效应。
3) 内置式加筋土桥台设计时，可以通过增大桩径以增强桩体抵抗侧向土压力的能力;减小桩体的水平净距可以减小桥台占地与桥梁跨长，但会增大桥台面板侧向位移，设计时应均衡桥台性能与经济效益;宜采用刚性套管的筋材绕桩方式以提升加筋土桥台的整体性，限制桥台面板侧向位移。
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