橋梁樁基對黃土邊坡穩(wěn)定性影響研究

焦全民

（山西交通控股集團有限公司 朔州高速公路分公司，山西 朔州 036000）

隨著《山西省“十三五”綜合交通運輸體系規(guī)劃》的逐步推進，到2020年，預(yù)計山西省內(nèi)公路通車?yán)锍踢_到15萬km，“三縱十二橫十二環(huán)”高速公路網(wǎng)全部通車運營[1]，目前省內(nèi)多條高速公路重點項目正在進行規(guī)劃和建設(shè)。山西地處黃土高坡，具有黃土地區(qū)溝壑縱橫、坡陡溝深的典型地質(zhì)地貌特征。在高速公路建設(shè)過程中，將大量采用橋梁樁基形式跨越溝谷地區(qū)。而黃土地區(qū)橋梁樁基施工對邊坡穩(wěn)定性的影響也得到了同行業(yè)從業(yè)人員的廣泛關(guān)注。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在樁基對邊坡穩(wěn)定性影響方面進行了一系列研究。Won等[2]基于有限差分軟件采用強度折減法計算了抗滑樁加固邊坡的安全系數(shù)，并與傳統(tǒng)極限平衡法進行了比較。Ashour等[3]提出了一種考慮樁間距對樁土界面影響的數(shù)值計算方法，并基于此方法研究了樁徑、樁位以及樁間距對加固邊坡穩(wěn)定性的影響。王聰聰?shù)萚4]、蔣鑫等[5]采用數(shù)值計算軟件分析了樁體參數(shù)以及界面尺寸等因素對邊坡穩(wěn)定性的影響。

本文以山西境內(nèi)某黃土邊坡上在建橋梁樁基為依托工程，研究不同土體強度、臨坡距以及坡度對邊坡穩(wěn)定性影響，探明在上述參數(shù)影響下邊坡臨界滑移面及安全系數(shù)變化規(guī)律。

1 數(shù)值計算模型

依托工程現(xiàn)場地層主要為黃土，褐紅色，中密，稍濕，夾薄層粉質(zhì)黏土，含零星圓礫。天然含水率16.8%，天然重 18.0 kN/m3，相對密度 2.71，孔隙比0.76，塑限 16.4，液限 24。

根據(jù)依托工程現(xiàn)場實際情況，采用數(shù)值仿真軟件建立如圖1所示的已施作橋梁樁基的階梯狀邊坡數(shù)值計算模型。模型底部寬66 m，高45 m，厚4 m。模型底部固定，四周法向約束，頂部自由。考慮結(jié)構(gòu)的對稱性，取半樁結(jié)構(gòu)進行計算，抗滑樁截面為邊長2 m的正方形，樁長30 m。邊坡土體采用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。

圖1 數(shù)值計算模型（單位：m）

2 計算結(jié)果分析

2.1 土體強度

研究表明含水率對黃土內(nèi)摩擦角的影響較小，而對黏聚力影響較大[6-7]。數(shù)值計算時內(nèi)摩擦角取30°，黏聚力分別取 25 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa和60 kPa，以研究土體強度對已施作橋梁樁基的邊坡穩(wěn)定性影響。

圖2為基于強度折減理論計算出的邊坡臨界失穩(wěn)狀態(tài)下的塑性應(yīng)變增量云圖。塑性應(yīng)變增量在一定程度上反映塑性變形發(fā)展的快慢，塑性應(yīng)變增量越大，表明此處越容易發(fā)生滑動破壞。因此邊坡不同位置處塑性應(yīng)變增量最大值的連線在一定程度上可表示邊坡臨界滑移面。從圖中可看出，邊坡臨界滑移面近似呈圓弧形，滑移面出口在下邊坡坡腳位置，橋梁樁基的存在使得滑移面在樁基位置處出現(xiàn)一定的不連續(xù)性。當(dāng)土體強度較低時，臨界滑移面較淺，下邊坡首先發(fā)生滑移破壞。隨著土體強度增大，邊坡臨界滑移面逐漸向深處移動，最終滑移面貫穿整個邊坡體。圖3為邊坡安全系數(shù)與土體強度的關(guān)系曲線，從圖中可看出，土體黏聚力越大，邊坡安全系數(shù)越大，基本呈正線性相關(guān)。

圖2 不同土體強度下邊坡臨界滑移面

圖3 不同強度參數(shù)下邊坡安全系數(shù)

2.2 臨坡距

臨坡距在一定程度上反映樁體承受樁前、樁后土壓力的不平衡程度。為研究橋梁樁基臨坡距對邊坡穩(wěn)定性影響，分別取臨坡距為0 m、2 m、4 m、6 m、8 m進行計算。

圖4為不同臨坡距下邊坡臨界失穩(wěn)時塑性剪切應(yīng)變增量分布云圖。從圖中可以看出，當(dāng)臨坡距較小時，邊坡臨界滑移面貫通整個邊坡；當(dāng)臨坡距較大時，邊坡臨界滑移主要發(fā)生在階梯狀邊坡的下邊坡。圖5為不同臨坡距下邊坡安全系數(shù)變化曲線，從圖中可以看出隨臨坡距的增大邊坡安全系數(shù)先增大后減小。

圖4 不同臨坡距下邊坡臨界滑移面

圖5 不同臨坡距下邊坡安全系數(shù)

2.3 坡度

為研究坡度對邊坡穩(wěn)定性影響，數(shù)值計算中上邊坡坡比取為2∶1，分別取下邊坡坡比為2∶1、4∶3、1∶1和1∶1.5進行計算。

圖6為不同坡比下邊坡臨界失穩(wěn)時塑性剪切應(yīng)變增量分布云圖。從圖中可以看出，當(dāng)坡度較大時，邊坡臨界滑移面主要出現(xiàn)在下邊坡；當(dāng)坡度較小時，邊坡臨界滑移貫通整個邊坡，且在上邊坡出現(xiàn)臨界滑移面。圖7為不同坡度下邊坡安全系數(shù)變化曲線，從圖中可以看出隨坡度的減小，邊坡安全系數(shù)逐漸增大。

圖6 不同坡角下邊坡臨界滑移面

圖7 不同坡比下邊坡安全系數(shù)

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值計算軟件對不同土體強度、臨坡距以及坡度下的橋梁樁基邊坡的穩(wěn)定性進行研究。數(shù)值模擬結(jié)果及相關(guān)結(jié)論如下：當(dāng)土體強度較小，臨坡距和坡度較大時，臨界滑移面主要發(fā)生在階梯狀邊坡的下邊坡，此時邊坡安全系數(shù)較??；隨土體強度增大，臨坡距以及坡度的減小，臨界滑移面逐漸向邊坡深處移動，邊坡失穩(wěn)由淺層滑移轉(zhuǎn)化為深層滑移，最終貫通整個邊坡。