黃土陡坡樁基受力變形特性參數(shù)分析

畢 鵬

（山西交通控股集團(tuán)有限公司 朔州高速公路分公司，山西 朔州 036000）

我國黃土分布廣泛，約占陸地面積的6.6%[1-2]，是世界上黃土分布最廣、厚度最大、結(jié)構(gòu)最完整的國家[3]，在外界流水長期侵蝕作用便形成了黃土地區(qū)溝壑縱橫的獨(dú)特地貌形態(tài)。隨著我國對西北、華北山區(qū)交通建設(shè)的重視，一大批高速公路將不可避免地采用橋跨形式穿越深厚黃土溝壑地區(qū)。為確保黃土溝壑地區(qū)公路建設(shè)順利安全進(jìn)行，橋梁樁基在高陡黃土邊坡中的受力特性亟待進(jìn)行深入的研究。

近年來，相關(guān)學(xué)者在邊坡中樁基受力變形特性方面進(jìn)行了一系列研究，并獲得了一些有益結(jié)論。在室內(nèi)模型試驗(yàn)方面，高長勝等[4]采用土工離心機(jī)對4組不同抗滑樁加固邊坡工況進(jìn)行了離心試驗(yàn)，研究了樁位以及樁頂約束條件對邊坡變形破壞特性的影響。王玉峰等[5]通過室內(nèi)離心模型試驗(yàn)，研究了黃土高邊坡在不同支護(hù)模式下的變形特性及穩(wěn)定性，并提出適用于黃土高邊坡的支護(hù)模式。在數(shù)值仿真方面，王聰聰?shù)萚6]和戴自航等[7]采用數(shù)值模擬的方法分析了樁長、樁位、樁間距、樁身彈性模量以及界面尺寸等因素對樁體內(nèi)力變形的影響。

目前研究中邊坡的坡度一般較小，且主要集中在研究樁長、樁徑、樁間距以及樁身材料性質(zhì)下樁基的受力變形特性，而黃土溝壑地區(qū)邊坡較陡甚至有直立邊坡?；诖?，本文以山西境內(nèi)右平高速公路沿線某陡坡樁基礎(chǔ)為依托工程，分析在不同土體強(qiáng)度、臨坡距以及坡度條件下，樁基受力變形特性，以期為黃土陡坡樁基設(shè)計(jì)施工提供指導(dǎo)和參考。

1 依托工程概況

山西省右玉至平魯高速公路是山西省高速公路網(wǎng)“三縱十二橫十二環(huán)”西縱主干線的重要組成部分，全長64.448 km，連接線全長13.243 km，按雙向四車道高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km。在建右平高度公路處于黃土地區(qū)，沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，溝壑縱橫、坡陡溝深，橋梁數(shù)量較多，樁基設(shè)計(jì)施工難度大，樁基多為人工挖孔灌注樁。依托工程沿線地質(zhì)及樁基施工情況如圖1所示。地層主要為黃土，褐紅色，中密，稍濕，夾薄層粉質(zhì)黏土，含零星圓礫。

圖1 依托工程沿線地質(zhì)及樁基施工情況

2 數(shù)值計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算模型示意圖及相關(guān)參數(shù)取值如圖2所示，黃土陡坡上開挖有樁基施工平臺，抗滑樁截面為2 m的正方形，樁長30 m，數(shù)值計(jì)算中取半樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。黃土邊坡采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，樁基采用線彈性模型，樁-土之間設(shè)置接觸面單元，接觸面單元的摩擦參數(shù)（即樁-土界面摩擦角和黏聚力）取為樁周土體摩擦參數(shù)的0.7倍。接觸面的法向剛度kn和ks按式（1）計(jì)算[8]：

模型四周采用法向約束，底部固定約束，頂部自由。為研究土體強(qiáng)度、臨坡距以及坡度對樁基受力變形特性的影響規(guī)律，選取表1所示的12種不同工況進(jìn)行計(jì)算。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型示意圖

表1 數(shù)值計(jì)算工況

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 土體強(qiáng)度

相關(guān)研究表明[9]，黃土在不同含水率下的摩擦角變化不大，可認(rèn)為是定值，而黏聚力變化較大，因此選取幾組不同的黏聚力參數(shù)來研究土體強(qiáng)度對陡坡樁基受力變形的影響。

圖3 不同土體強(qiáng)度下樁身位移和彎矩

圖3為不同土體強(qiáng)度下樁身位移和彎矩曲線，從位移曲線中可看出，當(dāng)土體黏聚力較小時(shí)，樁基在背后土壓力作用下產(chǎn)生較大位移，最大位移出現(xiàn)在樁頭部位，樁身位移沿深度方向逐漸減小。隨土體黏聚力的增大，邊坡自穩(wěn)能力增大，樁身位移減小。從樁身彎矩曲線可看出，當(dāng)土體黏聚力較小時(shí)，樁身中部位置出現(xiàn)較大的正彎矩（樁身左側(cè)受拉），向兩端彎矩逐漸減小至0；當(dāng)黏聚力增大至40 kPa時(shí)，樁身彎矩轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)彎矩（樁身右側(cè)受拉），樁基受力模式發(fā)生轉(zhuǎn)變。分析其原因：當(dāng)黏聚力較小時(shí)，樁頭部位樁前土體抵抗變形能力較小，樁體上部產(chǎn)生較大的傾斜變形，此時(shí)樁身彎矩為正彎矩；隨土體強(qiáng)度參數(shù)增大，樁頭部位樁前土體抵抗變形能力增大，此時(shí)樁頭位移相對較小，而在邊坡臨界滑移面位置的樁體位移相對較大，受力狀況類似于簡支梁在梯形荷載作用下的受力狀況，此時(shí)樁身彎矩為負(fù)彎矩。

3.2 臨坡距

為研究不同臨坡距下黃土陡坡樁基受力變形特性，分別取臨坡距 d為 0 m、2 m、4 m、6 m、8 m五種工況進(jìn)行計(jì)算分析。

圖4為不同臨坡距下樁身位移和彎矩曲線，從位移曲線中可看出，當(dāng)臨坡距較小時(shí)，樁前土體厚度較小，側(cè)向約束能力較低，樁基在背后土壓力作用下產(chǎn)生較大位移，最大位移出現(xiàn)在樁頭部位，樁身位移沿深度方向逐漸減小。隨臨坡距的增大，樁前土體厚度增大，側(cè)向約束能力增強(qiáng)，樁身位移減小。從樁身彎矩曲線可看出，當(dāng)臨坡距較小時(shí)，樁身中部位置出現(xiàn)較大的正彎矩，向兩端彎矩逐漸減小至0；當(dāng)臨坡距增大至6 m時(shí)，樁身彎矩轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)彎矩，樁基受力模式發(fā)生轉(zhuǎn)變。

圖4 不同臨坡距下樁身位移和彎矩

3.3 邊坡坡比

為了研究不同坡比下黃土陡坡樁基受力變形特性，分別取邊坡坡比k為2∶1、4∶3、1∶1和1∶1.5四種工況進(jìn)行計(jì)算分析。

圖5為不同邊坡坡比下樁身位移和彎矩曲線，從位移曲線中可看出，當(dāng)邊坡坡比較大時(shí)，樁前土體側(cè)向約束能力較弱，樁基在背后土壓力作用下產(chǎn)生較大位移，最大位移出現(xiàn)在樁頭部位，樁身位移沿深度方向逐漸減小。隨邊坡坡比的減小，樁基側(cè)向約束能力增大，邊坡自穩(wěn)能力增強(qiáng)，樁身位移減小。從樁身彎矩曲線可看出，當(dāng)邊坡坡比較大時(shí)，樁身中部位置出現(xiàn)較大的正彎矩（樁身左側(cè)受拉），向兩端彎矩逐漸減小至0；當(dāng)黏聚力增大至40 kPa時(shí)，樁身彎矩轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)彎矩（樁身右側(cè)受拉），樁基受力模式發(fā)生轉(zhuǎn)變。

圖5 不同坡比下樁身位移和彎矩

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值仿真軟件對不同土體強(qiáng)度、臨坡距和坡比下黃土陡坡上樁基的受力變形特性進(jìn)行研究。數(shù)值模擬結(jié)果及相關(guān)結(jié)論如下：土體強(qiáng)度、臨坡距以及邊坡坡比對黃土陡坡上樁基受力變形特性影響較大。當(dāng)土體強(qiáng)度較小、臨坡距較小、坡度較大時(shí)，樁基最大位移出現(xiàn)在樁頭位置，最大彎矩出現(xiàn)在樁中位置，且為正彎矩；當(dāng)土體強(qiáng)度、臨坡距以及坡度達(dá)到一定界值時(shí)，樁基受力模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，樁身由正彎矩轉(zhuǎn)化為負(fù)彎矩。