黄志波，吴能森，林 奇，詹素华，郑春婷 (1. 福建农林大学 金山学院， 福州 5000；. 福建农林大学 交通与土木工程学院， 福州 50108；. 福建工程学院 土木工程学院， 福州 50118；. 福建省建专岩土工程有限公司，福州 50007)

复合地基技术能够充分利用天然地基和桩体材料的潜在承载力，采用复合地基能够有效提高边坡稳定性[1].挡土墙荷载下刚性桩复合地基不仅受到挡土墙传来的竖向力，也受到挡墙传递来的较大水平力与边坡滑动土压力[2].然而，目前缺少在水平荷载作用下复合地基的设计方法，挡土墙荷载下刚性桩复合地基在设计时，水平承载力的验算缺少规范和理论依据，使得挡墙荷载下刚性桩复合地基存在一定的安全隐患.

目前，不少学者对刚性桩复合地基在水平荷载下的工作性状进行深入的研究，成果主要集中在研究桩顶位移、桩身内力，并考虑了水平荷载、褥垫层模量、褥垫层摩擦角、桩身长度等因素的影响[3-9].然未见挡土墙基底为逆坡且桩顶不在同一高度情况下，刚性桩复合地基承载性状的研究成果.为此本文基于莆田市某安置房边坡支护项目，研究挡土墙基底为逆坡且桩顶不在同一高度情况下，刚性桩复合地基的承载性状，以期供其他类似工程参考，有助于完善挡墙边坡荷载下刚性桩复合地基的设计理论.

1 工程概况及数值模型的建立

1.1 工程概况

莆田市某安置房的填方边坡支护工程总长为611 m，主要采用管桩复合地基与扶壁式挡墙支护，典型剖面图如图1所示(管桩布置情况及编号如图2所示).扶壁式挡墙墙高为7.2 m，墙厚0.35 m，扶肋厚0.4 m，间距为4 m，墙趾板宽1 m，踵板宽5.35 m，底板厚0.5 m倾斜率为0.1∶1，采用C30混凝土，各桩桩顶到挡土墙底面的距离均为0.3 m.管桩型号为PHC-500-125-AB，外径为0.5 m，壁厚0.125 m，桩长12 m，桩间距2 m，排间距1.8 m，混凝土强度等级为C80，并用C30混凝土全长填芯.该桩型(未填芯)受弯承载力设计值为186 kN·m，受剪承载力设计值为273 kN，轴心受压承载力设计值(未考虑压屈影响)为3 701 kN[10].

图1 典型剖面示意图Figure 1 Typical section diagram

图2 管桩布置平面示意图Figure 2 Layout plan of pipe piles

边坡影响范围内岩土层按其成因及力学强度不同可分为4层，分别为：①杂填土：主要为建筑垃圾混黏性土及沙土，松散～稍密状态，层厚0.3～4.8 m，②粉质黏土：主要成分为黏性土，可见粒径不均的砂粒、碎石等，软塑～可塑，层厚0.5～12.1 m，③残积土：主要成分为长石风化而成的黏性土及石英砂砾组成，可塑～硬塑，层厚0.3～24 m，④强风化花岗岩(散体状)：中粗粒结构，散体状～砂砾状构造，岩体基本质量等级为V级，层厚0.1～18.5 m.典型剖面土层交界面标高如图1所示，详细岩土层及支护材料的物理力学参数见表1、2.

表1 岩土层物理力学参数表

表2 支护材料物理力学参数表

1.2 有限元模型的建立

采用FLAC3D有限差分软件建立典型剖面挡土墙下刚性桩复合地基的数值分析模型，如图3所示.模型尺寸长45.4 m、宽8 m、高39.4 m，其中岩土体、桩及挡墙采用块体单元建立.桩及扶壁式挡墙采用弹塑性本构模型，岩土体采用Mohr-Coulomb本构模型，岩土体弹性模量取表1中压缩模量的5倍[11-12].在桩体与土体的交界面、挡土墙底面与垫层的交界面设置接触单元，接触单元的剪切强度取相邻土体剪切强度的0.6倍[13].

图3 数值模型示意图Figure 3 Schematic diagram of numerical model

2 位移分析

2.1 挡土墙位移

扶壁式挡土墙的位移如图4、5所示，其中图4为回填工程计算结束后的挡土墙水平位移云图，图5为计算分析过程中挡土墙上不同点的位移曲线图(位移随计算步数变化曲线图).

图4 挡土墙水平位移云图Figure 4 Nephogram of horizontal displacement of retaining wall

由图5(A)可知，挡墙整体呈向临空侧位移，在计算约30 000步后，水平位移曲线趋于直线，此时回填边坡状态也趋于稳定.挡墙顶面各点水平位移相近，并在回填初期向边坡侧偏移(最大水平位移为1.02 mm)，但在计算至约10 000步时挡墙顶面开始向临空侧变形.这是由于挡土墙基底为逆坡，回填初期在挡墙自重及回填土重力作用下挡墙底板向下轻微倾斜导致；随着回填土高度增加，挡墙在土压力作用下逐渐向临空侧变形直至墙后边坡稳定.该现象与文献[14]的研究结果基本吻合，从侧面验证模型的合理性.挡土墙整体呈现向边坡侧倾斜(如图4所示)，墙顶各点水平位移相近，最大值为12.39 mm；挡土墙顶面的水平位移小于底板的，墙趾中点D与墙踵中点E的最大水平位移分别为16.47 mm与16.79 mm.

由图5(B) 可知，回填过程中挡墙整体呈下沉趋势，回填初期墙踵中点E竖向位移曲线斜率相对墙趾中点D的要大，说明回填初期挡土墙底板向下轻微倾斜，该现象与挡土墙顶面水平位移规律相符.沉降稳定后，最大竖向位移出现在墙踵中点E处(25.74 mm)，墙趾中点D的位移为21.38 mm；顶面各点的竖向位移基本相同，最大值位于顶面中点A处(22.53 mm).

图5 挡土墙位移曲线Figure 5 Displacement curve of retaining wall

2.2 桩身水平位移

管桩的位移情况如图6所示，其中图6(A)为管桩桩身水平位移沿桩长变化曲线，图6(B)为管桩桩身水平位移增量变化曲线(桩身水平位移增量为桩身上一点水平位移值减下一点位移值).

由图6可知，管桩往临空侧变形，各排桩桩身水平位移变化规律相似，均为桩顶水平位移最大，且沿桩长逐渐减小.各排桩桩的桩身水平位移近似相等，第一排至第三排桩的桩顶最大水平位移分别为15.84 mm、15.44 mm和15.24 mm，这是由于桩在垫层中，垫层能在一定程度上协调各桩的变形.三排桩桩身水平位移增量变化规律相似并呈“勺”形，均沿桩长先增大后减小.各排桩最大的桩身水平位移增量较为接近，第一排至第三排桩的最大的桩身水平位移增量分别为0.43 mm、0.42 mm和0.45 mm.但最大桩身水平位移增量的位置差别较大，第一排至第三排最大桩身水平位移增量的位置分别在距离桩顶2.75 m、3.25 m和3.5 m处，约处于桩顶下1/5至1/3桩长范围内.可见，管桩除了受到垫层传来的水平荷载外，也受到挡土墙后边坡滑动土压力的影响，同时第三排桩也减少了滑动土压力对第一和第二排桩的影响，限制潜在滑裂面的发展.

图6 管桩位移曲线Figure 6 Displacement curve of pipe pile

3 内力分析

3.1 桩身轴力

管桩桩身轴力沿桩身变化曲线如图7所示.图7中各排桩的轴力曲线变化规律相似，整体上沿桩长逐渐减少.各排桩桩身的最大轴力均在桩顶处，且越靠近边坡侧，最大轴力越小.第一排桩桩身最大轴力为-565.16 kN，第二至第三排桩最大轴力较第一排桩分别小14.07%、51.92%，值为485.65 kN与271.72 kN.各排桩靠近桩顶处轴力减小较快，是由于约1 m的桩身处于垫层中，而垫层的摩阻力较大导致.第一排桩至第三排桩的桩底最大轴力分别为-311.58 、-235.56 、-44.32 kN，轴力并未在桩底衰减为0，说明各排桩均是依靠桩侧摩阻力与桩端阻力共同承担上部荷载.

图7 桩身轴力曲线图Figure 7 Pile shaft axial force curve

3.2 桩身弯矩

图8为管桩桩身弯矩沿桩身变化曲线图.由图8可知，各桩桩身弯矩曲线整体呈“弓”形，由于挡墙与垫层的作用限制了桩顶的水平位移与挠度变形，所以在桩顶附近产生了较大的弯矩[15].在桩身0.35～4 m区段内各桩弯矩整体为减小趋势但规律差异较大，第一排桩桩身弯矩在区段内快速减小呈倒抛物线形，第二排桩桩身弯矩衰减速度较第一排小曲线接近于直线，第三排桩桩身弯矩曲线反而是先接近水平至1.625 m后进入弯矩衰减阶段.第一排与第二排桩桩身弯矩最大值处于桩长0.35 m处分别为79.72 kN·m和50.03 kN·m，而第三排桩桩身弯矩在桩长约1.625 m处达到最大，值为35.96 kN·m.各排桩桩身弯矩曲线均在桩长约3.875 m与7.625 m附近变形发生转变，这两处均为土层交界处附近，说明土层参数差异对弯矩变化有一定的影响.在桩长约7.625 m至桩底的区段内，各排桩的弯矩值近似相等，并在桩底接近于0.

图8 桩身弯矩曲线图Figure 8 Pile bending moment curve

3.3 桩身剪力

图9为管桩桩身剪力沿桩身变化曲线图.图9中各排桩的剪力曲线变化规律相似均呈“波浪形”，且“波谷”皆出现在土层交界处附近.在各排桩中，越靠近边坡侧，桩顶剪力越小.第一排桩和第二排桩桩身最大剪力均在桩顶，分别为125.62 kN和42.33 kN，而第三排桩身最大剪力为31.07 kN，在距离桩顶3.375 m处.桩身第一个“波谷”剪力值排序与桩顶最大剪力值排序相反，为靠近边坡侧的剪力值越大，并且“波谷”点随着靠近边坡侧而有所下移.在距离桩顶7.625 m至桩底区间段中，各排桩的剪力值基本相同，并在桩底处剪力值接近为0.

图9 桩身剪力曲线图Figure 9 Pile shear curve

4 结 论

1)扶壁式挡土墙回填过程中呈向临空侧位移，且挡墙墙身向边坡侧轻微倾斜.在回填初期，挡墙顶面稍微向边坡侧偏移，而后开始往临空侧变形直至边坡稳定.

2)各排桩的桩身水平位移曲线基本一致，最大值均在桩顶处.各桩桩身水平位移增量变化规律相似并呈“勺”形，增量最大值处于桩顶下约1/5至1/3桩长范围内.管桩的存在有助于限制潜在滑裂面的发展.

3)各排桩的桩身内力变化规律相似.桩身轴力最大值均出现在桩顶，第一排桩桩顶轴力最大，第二和第三排桩的最大轴力比第一排桩的分别小14.07%、51.92%.各桩桩身弯矩曲线整体呈“弓”形，且受土层参数变化影响，各桩桩身弯矩均在土层交界处附近出现最值，而后弯矩变化规律发生转变.各排桩的桩身剪力曲线变化规律呈“波浪形”，并在土层交界处附近出现“波谷”，第一排和第二排桩最大剪力处于桩顶，第三排桩最大剪力处于桩顶下约3/10桩长位置.