深填斜坡中基樁受力變形規(guī)律

劉明維，李 輝，阿比爾的，高俊升

(1.重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074; 2.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

隨著高樁碼頭[1-2]在我國西南地區(qū)港口建設中應用愈來愈廣泛，碼頭基樁的變形和穩(wěn)定性逐漸成為工程界重點關注問題。在樁后回填土作用下，樁頂會發(fā)生較大的水平位移，尤其是在深填斜坡情況下樁頂變形更為明顯，導致碼頭變形過大甚至失穩(wěn)破壞。當前國內外學者對水平荷載作用下基樁受力特性做了諸多研究。劉志剛[3]通過有限元方法計算了在水平荷載作用下復合地基中樁體應變和位移的分布規(guī)律以及斷樁位置；Shahu[4]采用室內模型試驗與數值模擬相結合的方法研究碎石群樁對地基的加固效果；勞偉康[5]在大直徑柔性靠船樁現場試驗的基礎上對樁的水平承載力特性進行了計算分析；李俠[6]通過建立物理力學模型，考慮多種短期荷載的不利組合，對軟土地基中樁的水平承載力進行驗算；管人地等[7]利用ANSYS數值模擬高樁碼頭在水平力作用下基樁應力、位移變化，進而分析碼頭結構穩(wěn)定性，表明水平力在高樁碼頭計算中不能忽視；王梅等[8]試驗研究了水平荷載作用下單樁非線性m法；謝劍銘等[9]通過斜坡基樁水平承載特性模型試驗定性研究臨坡距對樁身應變變化規(guī)律影響；蔣鑫等[10]對抗滑樁加固斜坡軟弱地基路堤的數值分析，表明斜坡中填土厚度是影響基樁穩(wěn)定性的主要因素之一。

目前對于基樁的研究更多關注基樁穩(wěn)定性問題，而對基樁變形控制上關注不夠。碼頭深填斜坡基樁由于樁后回填土存在坡度，樁后土體水平力作用更明顯，極易導致樁身變形過大，上部結構或裝卸機械無法正常使用，或者導致基樁失穩(wěn)破壞。因此研究深填斜坡中基樁變形規(guī)律并進行穩(wěn)定性控制對內河碼頭基樁設計建造及安全營運十分必要。

本文結合室內模型試驗，建立深填斜坡中樁-土數值分析模型，研究不同回填土材料厚度及內摩擦角、樁徑等設計參數對基樁內力和變形的影響，并提出了減小位移和提高性能的具體措施，為內河港口碼頭基樁的設計建造提供參考。

1 模型試驗建立

1.1 土工模型試驗

為驗證數值模型的可靠性，本文首先進行室內物理模型試驗研究，對比驗證所建數值模型的可靠性。

物理試驗模型槽尺寸為230 cm×135 cm×140 cm，岸坡坡度為1∶3。試驗選取砂巖和泥巖質量比為4∶1的砂泥巖混合料，斜坡地基采用分層回填并壓實，材料參數如表1所示。

表1 材料參數Tab.1 Material parameters

試驗模型樁采用C30混凝土，樁長100 cm，樁徑10 cm，懸臂長度為20 cm，沿斜坡共分3排，每排布置2根，共計6根。樁的豎向力和橫向力加載均通過液壓千斤頂、荷載傳感器、反力梁來控制。采用逐級加載，每級荷載0.1 kN(約為單樁承載能力的10%)。試驗裝置如圖1所示，基樁加載示意圖如圖2。

圖1 試驗模型Fig.1 Experimental model

圖2 基樁施加水平荷載Fig.2 Loads applied to pile foundation

圖3 物理模型試驗樁頂荷載-位移曲線Fig.3 Load-displacement curve of pile top of physical model

試驗采用DH3810數據采集器采集樁頂水平位移，1號樁樁頂位移隨荷載變化曲線如圖3所示。

通過樁頂荷載-位移曲線可以看出：隨著樁頂水平推力的增加，樁頂位移呈現近似線性增大趨勢，但加載后期樁頂變形速度有所加快，但變形整體仍表現為近似線性。

1.2 ANSYS有限元模型建立與驗證

運用ANSYS軟件，按1∶1比尺建立試驗模型的有限元模型如圖4所示。為了提高計算精度，模型采用六面體網格劃分，用Solid95單元模擬樁土結構，樁土之間采用contact173，contact174面-面接觸單元模擬。

通過逐級加載獲得有限元模型荷載和樁頂位移曲線，如圖5所示。通過物理模型試驗與ANSYS模擬對比發(fā)現，物理模型與有限元模擬結果基本一致，樁頂位移均隨荷載線性增加，二者的數值差異在10%之內。二者存在差異部分可能是試驗卸荷后，樁前土被壓密產生塑性變形而使基樁不能完全恢復原狀，造成模型數據與理論不一致。但從整體來看，依據模型實驗建立的ANSYS有限元分析模型能滿足分析要求。

圖4 ANSYS有限元模型Fig.4 Finite element model of ANSYS

圖5 有限元模型計算樁頂荷載-位移曲線Fig.5 Pile top load-displacement curve of finite element model

圖6 回填斜坡中樁土結構示意圖(單位：m)Fig.6 Schematic diagram of pile soil in backfill slope (unit: m)

2 深填斜坡中基樁受力變形影響因素分析

為分析深填斜坡中基樁受力變形特征的影響因素，以長江三峽庫區(qū)重慶萬州某架空碼頭工程為例，建立的計算模型中，基巖為中風化砂巖，原斜土坡坡度1∶6，碼頭岸坡采用砂泥巖混合料回填，回填土坡度1∶2，材料參數如表1所示。樁基碼頭基樁嵌巖深度8 m，回填土厚度為a，單樁的水平支護范圍為30 m，結構示意圖如圖6所示。

深填斜坡基樁設計中，基樁的穩(wěn)定性主要受基樁彎矩控制，而基樁變形主要受樁頂水平位移控制，因此主要分析樁體彎矩和樁頂水平位移。

2.1 填土厚度的影響

基樁的半徑1.0 m，嵌巖深度8 m，設基樁支擋處回填土厚度為a(如圖6所示)，保持其他參數不變，研究回填土厚度對基樁受力變形的影響。填土厚度a分別取27，22，17和12 m，分別獲得不同深度下樁身彎矩和水平位移變化曲線。回填厚度27 m時位移云圖見圖7，樁身的彎矩、位移隨填土厚度變化曲線如圖8和圖9。

圖7 填土厚度27 m時位移云圖Fig.7 The displacement cloud map when the soil is 27 m thick

圖8 不同填土厚度的樁身高度-位移曲線Fig.8 Height of pile height-displacement curve of different filling thicknesses

圖9 不同填土厚度的樁身彎矩分布Fig.9 The moment distribution of piles with different filling thicknesses

由圖7可知，由于深填斜坡受基樁支擋作用，坡體最大位移位于坡面以下，原狀土與回填土接觸面以上，而非普通邊坡的最大位移一般在坡面和坡腳。

圖10 樁身最大彎矩值隨回填土厚度的變化Fig.10 Changes in the maximum bending moment of the pile with the thickness of backfill soil

由圖8可知，當回填土厚度為12 m時，沿樁身的位移基本呈線彈性增長，最大位移位于樁頂；當回填土厚度為17 m時，在回填土上下交界面附近樁身開始彎曲，產生塑性變形，懸臂段不受外荷載作用保持線性延伸，因而最大位移仍在樁頂，約為0.1 m。隨著回填厚度的增大，樁身塑性彎曲更加明顯；當回填土厚度達到27 m時，回填土上下交界面附近樁身明顯彎曲，呈S型，此時回填土上表面附近樁身位移最大，達到0.15 m，而樁頂位移為0.12 m，樁身位移加速增長。可見填土厚度的增大會導致回填土段樁身水平位移非線性增大，樁身由線彈性變形轉變?yōu)镾型彎曲變形，樁身最大位移由樁頂逐漸轉變?yōu)橹粱靥钔羺^(qū)，但由于懸臂段線性延伸，樁頂水平位移差異不大。

由圖9可見，基樁在巖土分界面處會發(fā)生應力突變現象，最大彎矩均出現在基樁與巖土接觸面位置，回填土厚度越大，接觸面彎矩越大，而樁身其余段的彎矩基本相同。由圖10可見，當填土厚度超過22 m時，填土厚度增大，最大彎矩快速增加，樁身彎曲變形快速增大。

2.2 回填土內摩擦角的影響

在回填厚度a為27 m的情況下，取樁半徑0.8 m，保持其他參數不變，研究回填土內摩擦角對受力變形的影響。分別取內摩擦角φ為20°，25°，30°，35°共4種土體，分析回填斜坡樁身彎矩和水平位移變化曲線?；靥钔羶饶Σ两铅諡?0°時，模型水平方向位移云圖如圖11所示，不同回填土內摩擦角下的樁身水平位移和彎矩如圖12和圖13。

圖11 回填土內摩擦角30°時位移云圖Fig.11 Displacement cloud image at 30 degrees of internal friction angle of backfill soil

圖12 不同填土內摩擦角的樁頂位移-荷載曲線Fig.12 Pile top displacement-load curve of different filling internal friction angles

圖13 不同填土內摩擦角的樁身彎矩分布Fig.13 The moment distribution of the pile with different filling interior friction angles

由圖11可知，土體最大位移仍然位于坡面以下，回填土中部位置，與上文一致。

由圖12可知，當回填土內摩擦角為25°時，回填區(qū)范圍內樁身因受樁后填土的水平推力作用，位移隨著樁身高度的增加而增大，回填區(qū)上面因樁受到樁前土較大的抗力作用略有回彎，而樁身懸臂段則線性延伸，樁最大位移位于回填區(qū)上表面附近。當回填土內摩擦角大于25°時，樁身變形差異不大，當回填土內摩擦角為20°時，樁身位移明顯增大?？梢?，回填土強度過低時，樁體變形較大，易造成大變形破壞，但當回填土強度達到一定值后，樁頂位移不再隨著回填土內摩擦角的增大而減小，可見回填土的內摩擦角對樁身變形的控制范圍有限。

由圖13可知，基樁在巖土分界面處會發(fā)生應力突變現象，最大彎矩均出現在基樁與巖土接觸面位置，但回填不同摩擦強度的土體，其接觸面的最大彎矩差異不大?？梢姡瑯稄皆O計中回填土內摩擦角對基樁彎矩不敏感，而對樁身的變形較為敏感。

圖14 樁身高度-位移曲線Fig.14 Height-displacement curves of pile height

圖15 樁身高度-彎矩曲線Fig.15 Height-bending moment curves of pile height

2.3 樁截面尺寸的影響

在回填厚度a為27 m、回填土內摩擦角φ為25°工況下，保持其他參數不變，僅調整樁身截面尺寸，建立樁身半徑為0.8，1.0，1.4，2.0 m共4種計算模型，分別獲得樁身彎矩和水平位移變化曲線如圖14和15。

圖14為不同樁徑下樁身水平位移曲線。由圖可知，回填區(qū)范圍內樁身因受樁后填土的水平推力作用，樁身水平位移沿樁的高度逐漸增大，而回填土坡表面因樁身變形大，受到樁前土較大的抗力作用而反向彎曲，呈S型變形。其中樁徑較小時(r=0.8 m)，回填區(qū)的水平位移和回填坡面的反向彎曲程度均較大，樁身最大位移位于回填區(qū)上側；樁徑增大，回填區(qū)的水平位移和回填坡面反向彎曲程度逐漸減小，導致樁頂位移增大，樁身最大位移逐漸發(fā)展到樁頂；當樁徑增大到20 m時，回填區(qū)下表面附近樁身彎曲變形產生較大的水平位移，但由于樁的剛度足夠大，回填坡面土體的抗力不足以使樁身反向彎曲，此時樁頂水平位移最大。可見，深填斜坡中基樁受到回填土較大的水平推力作用，導致樁身反向彎曲呈S型變形。但隨著樁徑增大，基樁剛度增大，回填坡面樁身反向彎曲程度減小，樁頂位移最大。

由圖15可知，基樁最大彎矩同樣出現在巖土分界面處，且樁徑越大，樁身最大彎矩越大，但樁身其余位置的彎矩差異不大。由圖可知，樁徑為1.0 m時，最大彎矩2 500 kN·m，樁徑為2.0 m時，最大彎矩為20 000 kN·m，樁徑增大2倍，彎矩增大達8倍。工程實踐中，在深回填土情況下，為了控制基樁頂水平位移，一味增大樁截面直徑并不一定能滿足變形要求，反而增加工程成本。因此應該選取滿足強度要求的最小樁徑即可，這可通過試驗或者有限元數值模擬確定最佳樁徑。

3 深填斜坡優(yōu)化支護

深填斜坡基樁應滿足強度要求和變形控制要求。其中強度條件可以通過調整樁材料強度和樁徑滿足設計要求，假設實際工程樁身軸力為10 MPa，彎矩2 500 kN·m，若樁徑為2 m，樁身最大應力13.2 MPa，而C30混凝土抗壓強度設計值為14.3 MPa，能夠滿足承載力要求。然而從前文的分析可以看出，深填斜坡基樁的水平位移較大(約0.15～0.25 m)，且通過提高回填土的強度或者增加樁截面尺寸對樁頂水平位移的控制有限，因此考慮采用h型復合樁進行深厚填土斜坡的變形控制。

h型樁由主樁(全長60 m，其中懸臂段長12 m)、副樁(全長32 m)及水平支撐橫梁(最大水平位移處)組成。取樁徑為0.8 m，主副樁距10 m，嵌巖深度8 m，回填厚度a為27 m，回填岸坡的坡度為30°，回填土重度為19 kN/m3，內摩擦角25°，模型其余參數與上文一致。

圖16 采用h型支撐時模型位移云圖Fig.16 Displacement of the model with h-type support

h型樁支護下深填斜坡的水平位移云圖如圖16所示，主樁沿深度方向水平位移和樁身彎矩變化曲線見圖17和圖18。

由圖16可以看出，h型樁支護下坡體最大位移位于樁后原狀土與回填土接觸面上，土體的橫向位移最大值為17.4 cm，而單樁支護時坡體的最大位移位于回填土中部，最大位移23.6 cm，可見，坡體的最大位移位置下移，最大位移值減小。主要是回填土體受到h型樁水平支撐作用，導致樁后回填土的水平位移減小，可見h型樁能夠有效控制回填土坡的水平位移。

由圖17可見，主樁同樣在原狀土與回填土接觸面產生最大位移15.6 cm，樁頂水平位移3.6 mm，而副樁在樁頂處產生最大位移13.6 cm?？梢?，h型支護方式可以明顯減小主樁樁頂的水平位移，但是主樁橫梁以下部位水平位移還是較大。

由圖18樁身彎矩圖可知，相比于單樁的巖土分界面彎矩突變(最大彎矩700 kN·m)，h型樁的樁身彎矩分布比較復雜，分別在基巖與原狀土分界面位置、原狀土與回填土接觸面位置以及主樁與橫梁接觸位置出現彎矩突變，最大彎矩位于基樁與橫梁接觸面，最大彎矩值806 kN·m；副樁樁身彎矩分布相對簡單，只有兩個反彎點，表現為上半部分樁前受拉，下半部分樁后受拉，底部出現反彎點，最大彎矩84.8 kN·m。與單樁支擋相比，h型樁多段受力，荷載更加均勻化，最大彎矩有一定增加，但彎矩增加量不大，約15%。

圖17 采用h型支撐時樁身高度-位移曲線Fig.17 Height-displacement curve of pile height with h-type support

圖18 樁身高度-彎矩曲線Fig.18 Height-bending moment curve of pile height

可見h型樁能夠有效控制回填土和樁頂位移，結構受力更均勻，是深填斜坡支擋中的一種優(yōu)選方案，但主副樁和橫梁連接處結構復雜，局部受拉，基樁與橫梁接觸位置需要進行抗拉強度驗算，必要時增加配筋。

4 結 語

(1)進行了斜坡基樁室內模型試驗研究，獲得樁頂荷載-位移曲線。建立1∶1的數值模型，數值模擬結果與室內試驗結果接近，表明所建立的數值分析模型合理可靠。

(2)深填斜坡中回填土體內摩擦角、樁身橫截面尺寸、填土厚度等對基樁的穩(wěn)定和變形控制影響顯著。

(3)回填深度較淺時，沿樁身的位移基本呈線彈性增長，最大位移位于樁頂；隨著回填深度的增加，樁身位移分布由直線型逐漸變?yōu)镾型，樁身最大位移由樁頂逐漸下移至回填區(qū)，回填土厚度越大，樁身受力越大。

(4)當回填土材料的抗剪強度由小逐步提高時，能有效控制樁身變形，但當回填土抗剪強度提高到一定值后，樁頂位移基本保持不變，提高回填土材料抗剪強度對控制樁身變形的作用有限。

(5)支護樁徑較小時，樁身呈S型變形，樁身最大位移位于回填區(qū)；增大樁徑時，樁身彎曲變形減小。但過分使用大直徑基樁反而使樁頂產生較大位移。

(6)針對深填斜坡，提出h型復合樁支護方案，h型樁能夠有效控制樁頂和樁身位移，且結構受力均勻，是深填斜坡支擋優(yōu)選方案，但主副樁和橫梁連接處結構復雜。