山地城市建筑樁基與土質邊坡相互作用研究

陳欣韓軍

（1.中國十七冶集團有限公司 馬鞍山243000；2.重慶大學土木工程學院 400045）

引言

在山地城市的發(fā)展建設過程中，由于土地資源緊張，常需要在靠近邊坡頂部的位置修筑建筑。這樣不可避免地出現一些樁基建在靠近邊坡頂的坡體中，這些樁基除了承受結構傳來的豎向荷載和水平荷載之外，還將承受來自坡體的側向土壓力，這也導致坡體中的樁基同時具有承重與阻滑的雙重功能，邊坡對樁的承載力的發(fā)揮有一定削弱作用。另一方面，邊坡失穩(wěn)將會威脅到人民生命財產的安全，建筑樁基把上部結構傳下來的力傳給邊坡，對邊坡的穩(wěn)定性也會產生影響。

目前邊坡的支擋加固與建筑樁基礎的設計還處在相對獨立的狀態(tài)，因此為確保邊坡頂面上建筑物和邊坡的安全，分析坡體內樁基的受力機理以及樁基對邊坡的影響，對樁基以及支擋結構的設計與施工有一定的工程實用價值。

1 計算模型及參數確定

1.1 有限元模型的范圍選取

大多數樁土分析問題都涉及無限域或半無限域，而數值分析法是在有限的區(qū)域內進行離散化。為了使有限元模擬的結果比較準確，必須取足夠大的計算范圍。但是如果計算范圍過大將會導致單元數過多和計算時間過長。本文模型計算范圍的確定參考了鄭穎人院士［1］的研究成果：當坡腳到右端邊界的距離為坡高的1.5倍，坡頂到左端邊界的距離為坡高的2.5倍，且上下邊界總高不小于2倍坡高時，計算精度最為理想。本文的土質邊坡有限元模型，坡高5m，坡腳到右端邊界的距離為20m，坡頂到左端邊界的距離為40m，坡體上下邊界總高14m，Z向土體的寬度為14m，符合鄭穎人院士所指定的計算范圍。邊坡模型示意如圖1所示。

圖1 土質邊坡基本模型Fig.1 The basic model of soil slope under gravity

1.2 材料屬性

梁、柱、樁、擋土墻定義為線彈性材料。土體采用ANSYS中的DP材料模型。

1.3 單元的選擇

梁和柱采用三維梁單元beam4；底部的柱、樁、土體、擋土墻等采用20節(jié)點的三維實體solid95單元；樁土接觸面采用targe170和conta174單元；多點約束單元MPC184單元用于連接梁單元的柱和實體單元的柱，以傳遞彎矩。

1.4 邊界條件

邊坡的底部邊界為固定邊界，設置X，Y，Z三個方向的約束，左右邊界設置X方向的約束，前后邊界設置Z方向的約束。

2 算例設計

結構-樁-邊坡體系分析基本模型如圖1所示，其基本參數為：框架跨度為6m，層高3m，梁尺寸為0.3m×0.6m，柱尺寸為0.8m×0.8m；采用均質土，土體X向尺寸為55m，Y向尺寸為14m，Z向尺寸為14m。樁長10m，樁尺寸0.8m×0.8m。坡高5m，切坡前坡率1：1。切坡后設置直立式重力擋土墻，墻頂寬1.5m，高度6m，墻面坡度為1：0.3，墻背直立，基底坡度為1：0.14，墻趾厚度為1m。擋土墻的設計按照擋土墻標準圖集［2］選取，材料參數具體取值見表1。

表1 土質邊坡材料參數Tab.1 The material parameters of soil slope model

另外，建立了只有邊坡無建筑結構的模型，用于與邊坡有結構模型進行對比，研究建筑框架和樁基對邊坡支擋結構的作用。

3 結果及分析

3.1 建筑樁基對邊坡的影響

用有限元折減法對土的抗剪強度進行折減后，邊坡出現貫通的塑性區(qū)，使土達到極限平衡狀態(tài)，土壓力的分布也出現變化。

試算出無結構模型的安全系數為4.2，等效塑性應變如圖2所示，邊坡破裂面在45°左右。有結構模型的安全系數為4.05，建筑和建筑荷載減小了邊坡的安全系數，邊坡仍然出現了貫通塑性區(qū)，但是由于有建筑樁基的存在，在樁附近的土沒有形成45°左右的貫通破裂面，塑性區(qū)主要出現在樁周圍以及樁和擋土墻之間。

有結構模型和無結構模型擋土墻上不同高度土壓力平均值如圖3所示。由圖3可知，有結構模型和無結構模型的擋土墻上部1m的土壓應力很小，幾乎為零，可知它們都為主動土壓力。由圖4可知，云圖應力等值線接近一條條水平的平行線，在中部靠近樁基的部位應力等值線沒有出現明顯的彎曲。說明當邊坡達到極限平衡狀態(tài)時，建筑樁基傳力到邊坡的作用很小。

圖2 基本模型等效塑性應變云圖Fig.2 The equivalent plastic strain contour image of basic model

圖3 平均土壓應力Fig.3 The average earth pressure of retaining wall

圖4 有結構模型土壓應力云圖（單位：Pa）Fig.4 The soil pressure contour image of retaining wall（unit：Pa）

由圖5可知，無結構模型擋土墻最大位移為16.47mm，而結構模型的擋土墻最大位移為8.39mm，為無結構模型的50.94%。這說明建筑樁基的存在起到了類似抗滑樁的有利作用，減小了邊坡的變形。此時無結構模型擋土墻的位移除以墻高為0.27%。文獻［3］中分析出擋墻不同的變位模式時，平動模式所需的擋土墻位移和墻高的比值為Δ/H=0.14% ～0.16%，繞墻底模式所需擋土墻位移和墻高的比值為Δ/H=0.35% ～0.40%，繞墻頂模式所需擋土墻位移和墻高的比值為Δ/H=0.2% ～0.25%。本文的無結構模型極限狀態(tài)下?lián)跬翂Φ淖畲笸翂毫Τ霈F在下部，為繞墻頂模式，Δ/H=0.27%，滿足主動土壓力狀態(tài)所需的擋土墻位移。

圖5 土體和擋土墻Ux位移云圖（單位：m）Fig.5 TheUxdisplacement contour image of soil and retaining wall（unit：m）

3.2 邊坡對建筑樁基的影響

用ANSYS的路徑功能在樁基的沿Z方向-0.4m～0.4m不同高度處取水平的路徑，把X方向應力Sx映射在路徑上，Sx對路徑長度積分得到樁后推力和樁前抗力的總的分布力，如圖6所示。

圖6中的樁后推力和樁前抗力的分布力相減，得到用來設計樁基的設計推力，如圖7所示。由圖7可知設計推力在樁埋深接近5.5m位置為0，此處為樁基穿越邊坡滑裂面的位置。在滑裂面以上，樁基承受土體向坡方向的推力，推力的分布呈拋物線的形狀。在滑裂面以下，樁基承受土體背坡方向的抗力。

3.3 樁到坡頂距離的影響

圖6 樁后推力和樁前抗力分布力Fig.6 The distributed force in front of pile and behind pile

樁到坡頂的距離以及樁與邊坡潛在滑動面的相對位置對樁與邊坡相互作用影響很大。模型編號及右樁到坡頂的距離如表2所示。

圖7 設計推力（一）Fig.7 The design pushing forceⅠ

表2 右樁到邊坡距離參數Tab.2 Pile slope distance parameter

由圖8可知，在極限狀態(tài)下，建筑樁基到坡頂的距離變化對擋土墻土壓力的影響較小，d2模型的土壓力變得更小，主要是因為樁基發(fā)揮了類似抗滑樁的作用。

圖8 平均土壓應力Fig.8 The average earth pressure of retaining wall

由圖9可知，隨著建筑樁基到坡頂的距離變大，樁基的設計推力變小。d2、d3、d5、d7模型的最大推力分別為23.18kN/m、20.79kN/m、8.45kN/m、3.75kN/m，后三者分別為d2模型最大推力的89.69%、36.45%、16.18%。由設計推力零點位置可以看出樁基穿過滑裂面的位置，d2模型右樁穿過滑裂面的位置在埋深6m附近，d3模型右樁穿過滑裂面的位置在埋深5.5m附近，d5、d7模型右樁穿過滑裂面的位置分別在埋深4m、2m附近。

4 算例取值

《建筑邊坡工程技術規(guī)范》［4］中7.2.3條規(guī)定，當基礎外邊緣到邊坡距離a小于0.5H（邊坡高度）時，側向巖土壓力取靜止土壓力；當0.5H≤a≤1.0H時，側向巖土壓力取靜止土壓力和主動土壓力的平均值；當a＞1.0H時，側向巖土壓力取主動土壓力，即不考慮建筑基礎對擋土墻的影響。

圖9 設計推力（二）Fig.9 The design pushing forceⅡ

由于本文算例的邊坡滑動面在45°左右，所以規(guī)范中規(guī)定當a＞1.0H時，建筑基礎在邊坡的滑裂面以外，側向巖土壓力取主動土壓力，即不考慮建筑基礎對擋土墻的影響是可取的。

5 結語

當邊坡處于極限狀態(tài)時，如果樁基的底部在滑動面以下，靠近擋土墻的樁基對擋土墻上的土壓力基本沒有影響，邊坡內的樁基對邊坡起到類似抗滑樁的有利作用。在設計坡體內樁基時，應根據邊坡的實際情況計算邊坡推力，計算配筋。