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摘 要：某工程原铁路线拟扩建，开挖后将对既有人行天桥的安全与稳定性造成威胁，设计通过桩基框架对桥台进行局部托换和抗滑加固来确保其正常工作。为研究该加固方案的加固效果，运用ABAQUS进行三维数值模拟，并针对具体工程提出施工建议；根据实测结果可得该加固方案加固效果较好。
关键词：加固；ABAQUS；稳定性
Reinforcement effect of underpinned abutment by three-dimensional numerical simulation
Li You-guo1，2， Wang Ying-ying1
（1.Geo-technical Research Institute from school of civil engineering and architecture， East China Jiaotong University， Jiangxi Nanchang 330013；
2. Jiangxi Railway Investment Development Company， Jiangxi Nanchang 330046）
Abstract： The original railway line will be extended， but excavation alone the line will pose a threat to the security and stability of the existing pedestrian bridge. The design is going to ensure abutment working normally by local underpinning and anti-sliding reinforcement. Reinforcement effect is researched by 3D numerical simulation with ABAQUS and construction suggestions is put forward for the specific engineering. And it is known according to the actual test results that the effect of the reinforcement scheme is better.
Keywords： reinforcement； ABAQUS； stability
0 引言
抗滑桩稳定边坡效果显著，于施工中广泛采用，因此成为工程领域的一个重要的研究课题[1-9]：马俊伟[2]、刘洪佳[3]、钱同辉[4]等人通过模型试验研究抗滑桩的受力特性和变形情况；刘永莉[5]、傅强[6]等人运用监测手段研究抗滑桩的抗滑效果；于洋[7]、年廷凯[8]、戴自航[9]等人进行三维数值分析，为抗滑桩的最优设计提供一定的参考。抗滑桩除了有显著的抗滑特性以外，既有建筑的桩基托换亦随着地下空间的拓展而备受关注：吴波[10]、白锦铭[11]等人针对实际工程以桩基托换的方式加固既有桥台基础，指出该方式能有效的减少施工过程中既有建筑物的沉降，对类似工程的施工具有指导和借鉴意义。现以建设某铁路专用线为例，为扩建拟将原边坡进行部分开挖，从而对既有人行天桥的安全性与稳定性造成影响，故需采取防护措施。由于人行天桥两侧边坡坡度不一且高差悬殊，故设计对其桥台基础采用非对称桩基框架进行局部托换与抗滑加固。并通过ABAQUS软件建立三维模型，模拟分析该加固方案的加固效果。
1 模型建立
实际工程沿着铁路走向，桥台两侧边坡高度不一，按照侧土压力的分布形式采取如图1所示的非对称桩基框架加固方式加固桥台，桩头上部采用冠梁连接。两侧开挖边坡以挡墙支护。
图1桩基框架加固示意图
Fig. 1 Reinforcement through pile frame
1.1 模型尺寸
建立三维整体模型如图2所示，模型尺寸为60m×46m×28.6m，矮坡一侧高27m，且从高边坡侧到矮边坡侧以坡角为9°的坡过度。土体分层由上往下依次为杂填土（高边坡侧7m，矮边坡侧5.4m）、含砾粉质粘土（最厚处6.4m）、角砾土（5.2m），弱风化石灰岩（10m）。开挖土体剖面简化为直角边长是3.8m的等边三角形。开挖边坡处挡土墙尺寸60m×1m×5m，嵌入土层1.2m。
图2 计算模型
Fig. 2 The computation model
模型对桥台与桩基框架简化如图3所示：桥台尺寸3.5m×3.5m×5.9m，冠梁截面尺寸1m×2m，桩长12.7m，嵌入土层10.45m，嵌入基岩0.5m（桩径如图1所示）。
图3 局部托换与抗滑加固示意图
Fig. 3 Local underpinning and anti-sliding reinforcement
1.2 计算参数
桩基框架采用梁单元模拟，其它以实体单元模拟，其中土体为理想线弹塑性Mohr-Coulomb模型，桥台、桩基框架和挡土墙为弹性材料。桥台上部承受等效均布荷载3.5kPa，采用C3D8R六面体缩减积分单元进行网格划分。根据地质勘探资料及室内试验，模型参数取值如表1和表2所示。
表1 模型材料参数
Table1 Parameters of materials for the computation model
表2 弹性材料物理力学参数
Table 2 Physical and mechanical parameters of elastic materials 1.3 模拟步骤
模拟过程分为五个荷载步：①杀死桩基框架及挡土墙进行初始地应力平衡；②激活桩基框架加固桥台；③杀死开挖土体；④激活挡墙加固边坡。
2 计算结果与分析
图4为坡体水平位移云图，图中显示坡体的最大水平位移约6mm，且最大位移均出现在高边坡一侧扩建开挖后的坡脚处。图5为桩基框架水平位移云图，最大位移发生在沿铁路走向冠梁的端部，该处与桥台以植筋连接。
图4 坡体水平位移云图
Fig. 4 The horizontal displacement of slope
图5 桩基框架水平位移云图
Fig. 5 The horizontal displacement of pile frame
将坡体、桥台及桩基框架的最大水平位移汇总如表3所示，从表中数据可以看出该加固方案加固效果较好，能满足工程要求。
表3 弹性材料物理力学参数
Table3 Physical and mechanical parameters of elastic materials
3 结论与建议
本文针对实际施工工程，运用ABAQUS软件，对桩基框架加固方案的加固效果进行数值模拟。模拟结果表明：对于桩基框架，沿着铁路走向方向冠梁与桥台连接处为位移最不利位置，因此工程中应注意植筋的可靠施工，加强该位置的监测；模拟得到的水平位移和沉降结果与实际监测结果基本符合，且数值很小，可见该加固方案的加固效果较好，能满足实际要求。
参考文献
[1] WEI W B， CHENG Y M，LI L. Three-dimensional slope failure analysis by the strength reduction and limit equilibrium methods[J]. Computers and Geo-techniques， 2009， 36（1/2）： 70-80.
[2] 马俊伟， 唐辉明， 胡新丽等. 抗滑桩加固斜坡坡面位移场特征及演化模型试验研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2014， 33（4）： 679-690. DOI：10.3969/j.issn.1000-6915.2014.04.004.
[3] 刘洪佳，门玉明，李寻昌等.悬臂式抗滑桩模型试验研究[J].岩土力学，2012，33（10）：2960-2966.
[4] 钱同辉， 徐华， 夏文才等. 框架式抗滑桩受力特性对比分析[J]. 中国公路学报， 2012， 25（6）： 56-59，79.
[5] 刘永莉， 孙红月. 抗滑桩变形监测及位移确定研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2013， （10）： 2147-2153. DOI：10.3969/j.issn.1000-6915.2013.10.025.
[6] 傅强， 孙飞飞， 唐承铁等. 双排微型抗滑桩的抗滑效果[J]. 中南大学学报（自然科学版）， 2013， 44（4）： 1596-1602.
[7] 于洋， 孙红月， 尚岳全等. 基于桩周土体位移的双排抗滑桩计算模型[J]. 岩石力学与工程学报， 2014， 33（1）： 172-178.
[8] 年廷凯，徐海洋， 刘红帅等. 抗滑桩加固边坡三维数值分析中的几个问题[J]. 岩土力学， 2012， 33（8）： 2521-2526， 2535.
[9] 戴自航，徐祥. 边坡抗滑桩设计计算的三维有限元法[J]. 岩石力学与工程学报， 2012， 31（12）： 2572-2578.
DAI Zihang，XU Xiang.3D FINITE ELEMENT METHOD FOR DESIGN COMPUTATIONS OF ANTI-SLIDE PILES.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2012， 31（12）： 2572-2578.
[10] 吴波， 刘维宁， 索晓明， 等. 城市地铁施工近邻短桩桥基加固效果研究. 土木工程学报， 2006， 39（7）： 99-103.
Wu Bo，Liu Weining，Suo Xiaoming，et al.A study on the reinforcement of a short-piled overpass foundation in the vicinity of metro construction.CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNAL，2006，39（7）：99-103.
[11] 白锦铭. 地铁暗挖车站近接施工中桥基加固、隔断技术[J]. 石家庄铁道学院学报， 2008， 21（1）： 74-76.
作者简介：
李有国（1976—），工程师，从事铁道工程施工。
关键词：加固；ABAQUS；稳定性
Reinforcement effect of underpinned abutment by three-dimensional numerical simulation
Li You-guo1，2， Wang Ying-ying1
（1.Geo-technical Research Institute from school of civil engineering and architecture， East China Jiaotong University， Jiangxi Nanchang 330013；
2. Jiangxi Railway Investment Development Company， Jiangxi Nanchang 330046）
Abstract： The original railway line will be extended， but excavation alone the line will pose a threat to the security and stability of the existing pedestrian bridge. The design is going to ensure abutment working normally by local underpinning and anti-sliding reinforcement. Reinforcement effect is researched by 3D numerical simulation with ABAQUS and construction suggestions is put forward for the specific engineering. And it is known according to the actual test results that the effect of the reinforcement scheme is better.
Keywords： reinforcement； ABAQUS； stability
0 引言
抗滑桩稳定边坡效果显著，于施工中广泛采用，因此成为工程领域的一个重要的研究课题[1-9]：马俊伟[2]、刘洪佳[3]、钱同辉[4]等人通过模型试验研究抗滑桩的受力特性和变形情况；刘永莉[5]、傅强[6]等人运用监测手段研究抗滑桩的抗滑效果；于洋[7]、年廷凯[8]、戴自航[9]等人进行三维数值分析，为抗滑桩的最优设计提供一定的参考。抗滑桩除了有显著的抗滑特性以外，既有建筑的桩基托换亦随着地下空间的拓展而备受关注：吴波[10]、白锦铭[11]等人针对实际工程以桩基托换的方式加固既有桥台基础，指出该方式能有效的减少施工过程中既有建筑物的沉降，对类似工程的施工具有指导和借鉴意义。现以建设某铁路专用线为例，为扩建拟将原边坡进行部分开挖，从而对既有人行天桥的安全性与稳定性造成影响，故需采取防护措施。由于人行天桥两侧边坡坡度不一且高差悬殊，故设计对其桥台基础采用非对称桩基框架进行局部托换与抗滑加固。并通过ABAQUS软件建立三维模型，模拟分析该加固方案的加固效果。
1 模型建立
实际工程沿着铁路走向，桥台两侧边坡高度不一，按照侧土压力的分布形式采取如图1所示的非对称桩基框架加固方式加固桥台，桩头上部采用冠梁连接。两侧开挖边坡以挡墙支护。
图1桩基框架加固示意图
Fig. 1 Reinforcement through pile frame
1.1 模型尺寸
建立三维整体模型如图2所示，模型尺寸为60m×46m×28.6m，矮坡一侧高27m，且从高边坡侧到矮边坡侧以坡角为9°的坡过度。土体分层由上往下依次为杂填土（高边坡侧7m，矮边坡侧5.4m）、含砾粉质粘土（最厚处6.4m）、角砾土（5.2m），弱风化石灰岩（10m）。开挖土体剖面简化为直角边长是3.8m的等边三角形。开挖边坡处挡土墙尺寸60m×1m×5m，嵌入土层1.2m。
图2 计算模型
Fig. 2 The computation model
模型对桥台与桩基框架简化如图3所示：桥台尺寸3.5m×3.5m×5.9m，冠梁截面尺寸1m×2m，桩长12.7m，嵌入土层10.45m，嵌入基岩0.5m（桩径如图1所示）。
图3 局部托换与抗滑加固示意图
Fig. 3 Local underpinning and anti-sliding reinforcement
1.2 计算参数
桩基框架采用梁单元模拟，其它以实体单元模拟，其中土体为理想线弹塑性Mohr-Coulomb模型，桥台、桩基框架和挡土墙为弹性材料。桥台上部承受等效均布荷载3.5kPa，采用C3D8R六面体缩减积分单元进行网格划分。根据地质勘探资料及室内试验，模型参数取值如表1和表2所示。
表1 模型材料参数
Table1 Parameters of materials for the computation model
表2 弹性材料物理力学参数
Table 2 Physical and mechanical parameters of elastic materials 1.3 模拟步骤
模拟过程分为五个荷载步：①杀死桩基框架及挡土墙进行初始地应力平衡；②激活桩基框架加固桥台；③杀死开挖土体；④激活挡墙加固边坡。
2 计算结果与分析
图4为坡体水平位移云图，图中显示坡体的最大水平位移约6mm，且最大位移均出现在高边坡一侧扩建开挖后的坡脚处。图5为桩基框架水平位移云图，最大位移发生在沿铁路走向冠梁的端部，该处与桥台以植筋连接。
图4 坡体水平位移云图
Fig. 4 The horizontal displacement of slope
图5 桩基框架水平位移云图
Fig. 5 The horizontal displacement of pile frame
将坡体、桥台及桩基框架的最大水平位移汇总如表3所示，从表中数据可以看出该加固方案加固效果较好，能满足工程要求。
表3 弹性材料物理力学参数
Table3 Physical and mechanical parameters of elastic materials
3 结论与建议
本文针对实际施工工程，运用ABAQUS软件，对桩基框架加固方案的加固效果进行数值模拟。模拟结果表明：对于桩基框架，沿着铁路走向方向冠梁与桥台连接处为位移最不利位置，因此工程中应注意植筋的可靠施工，加强该位置的监测；模拟得到的水平位移和沉降结果与实际监测结果基本符合，且数值很小，可见该加固方案的加固效果较好，能满足实际要求。
参考文献
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[11] 白锦铭. 地铁暗挖车站近接施工中桥基加固、隔断技术[J]. 石家庄铁道学院学报， 2008， 21（1）： 74-76.
作者简介：
李有国（1976—），工程师，从事铁道工程施工。