崩積層縱坡向雙樁承載力影響因素分析

石 斌 馬福民 蔣一波 孫軍柱 雷俊鋒 溫樹鑫

(1.中電建路橋集團有限公司，北京 100048； 2.中國水電建設(shè)集團十五工程局有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

陡坡常常由于巨大的巖體、土體、塊石和碎屑物突然發(fā)生急劇的崩落、滾落或翻轉(zhuǎn)而造成嚴(yán)重的災(zāi)害，是道路中的事故多發(fā)路段,因此陡坡崩積層縱坡向雙樁的承載力的好壞是陡坡路段安全與否的決定性因素。

國內(nèi)的學(xué)者目前已經(jīng)對這方面的工程問題做了一系列研究，并且也有了進展。趙明華[1]提出適用于高陡邊坡橋梁基樁的樁后巖質(zhì)邊坡滑坡坡體推力計算模型和內(nèi)力及位移分析的有限差分解。楊明輝[2]提出對山區(qū)高陡邊坡橋梁基樁荷載進行合理簡化，滑動面以下地基比例系數(shù)k服從線性增長規(guī)律并且計入樁頂p—Δ效應(yīng)的影響。蔣鵬飛等[3]認為當(dāng)嵌巖達到一定深度后，增加嵌巖深度對提高承載力作用不大，應(yīng)取2倍～3倍樁徑。羅衛(wèi)華等[4]建立了巖質(zhì)邊坡橋梁雙排基樁三維有限元計算模型，降低了對樁身材料強度的要求。嚴(yán)飛淞等[5]分析了在施工荷載作用下橋梁樁基和陡坡本體的位移分布和變化規(guī)律。余繼東和馬熾藩[6]指出了臨界施工荷載對控制橋梁樁基穩(wěn)定性的重要意義。

目前我們研究樁基承載力影響因素已取得較大的突破，但是仍不夠全面，本文將以馬邊河2號橋沐川岸左線為研究對象，從當(dāng)?shù)氐臍夂?、水文條件、地形、地質(zhì)條件等各方面著手調(diào)查，分析影響陡坡崩積層縱向樁基承載力的因素。

1 豎向位移的控制微分方程求解

假設(shè)樁側(cè)阻力的分布[7]如下：

假設(shè)樁端阻力按照三折線函數(shù)分布[8]：

其中，kb1,kb2為沉渣與巖土體的端阻傳遞系數(shù)；ξ0,ξf分別為樁端彈性壓縮階段的初始位移與結(jié)束點的位移；qpf為端阻極限值。

根據(jù)樁基的傳遞函數(shù)控制微分方程，即：

代入相關(guān)函數(shù)，可求得按樁頂沉降控制的嵌巖樁的控制微分方程為：

根據(jù)相關(guān)初始邊界條件和連續(xù)性條件，以及基于現(xiàn)場資料，查得樁基的剛度EA以及各項參數(shù)，即可求解出樁頂極限荷載的具體值。

2 縱坡向雙樁的豎向極限荷載影響因素分析

從樁頂極限荷載的計算公式不難看出，影響樁基承載力的因素主要有6個。為進一步探討樁基在樁側(cè)摩阻力與樁端阻力彈性未進入塑性階段時樁基的承載力特性，下面將以一實際工程為依托，基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)重點分析影響樁基承載力的主要因素。

2.1 依托工程整體介紹

G4216線仁壽經(jīng)沐川至屏山新市(含馬邊支線)段高速公路(以下簡稱仁沐新高速公路)馬邊支線段路線起于仁壽經(jīng)沐川至屏山新市鎮(zhèn)高速公路主線新凡鄉(xiāng)附近，與主線沐川樞紐相接，止于馬邊縣城北側(cè)紅牌坊大橋附近，全長43.847 km。其中橋梁1 332 m/3座，馬邊河1號大橋左線772 m，右線772 m；羅漢溪中橋左線40 m，右線40 m；馬邊河2號大橋左線525 m，右線514 m。本文取馬邊河2號橋沐川岸左線陡坡上的嵌巖樁作為研究對象，對該樁基按樁頂沉降量控制進行豎向承載力計算。

2.2 按樁頂沉降量控制的樁基豎向承載力

根據(jù)設(shè)計和施工等單位提供的資料可知：樁基的彈性模量E=30 GPa，樁長l=17 m，樁徑為2 m。樁側(cè)摩阻力的傳遞系數(shù)k=600 kPa/mm，在考慮沉渣的影響時，樁側(cè)摩阻力到達極限值時樁端位移ξ0=s0=1 mm，樁端阻力的傳遞系數(shù)k1=80 kPa/mm,k2=800 kPa/mm，樁端阻力到達極限時樁端位移ξf=sf=1.8 mm。

2.3 單因素分析

選取樁基的直徑d、樁長l、樁基的彈性模量E、樁側(cè)摩阻力的傳遞系數(shù)k、樁端阻力的傳遞系數(shù)k1,k2這6個參數(shù)作為研究對象，分別對每一參數(shù)增加10%,20%,30%,40%,50%，計算豎向極限荷載的增長率，其計算結(jié)果如表1～表6所示。

表1 樁徑對樁頂豎向極限荷載的影響程度計算表

由表1可知，樁徑對樁基豎向極限荷載的影響程度較大，呈遞增趨勢，說明樁徑是影響承載力的主要因素之一。因此，在樁基承載力不足時，可以適當(dāng)增大樁基，但也需要考慮經(jīng)濟性的問題。

表2 樁長對樁頂豎向極限荷載的影響程度計算表

由表2可知，增大樁長對樁基承載力的影響不大。這是因為假設(shè)樁側(cè)摩阻力處于彈性階段，所以樁側(cè)摩阻力未完全發(fā)揮，那么此時增加樁長自然就不會提高樁基承載力。但也可知道，樁側(cè)摩阻力處于彈性階段時，樁長是影響樁基承載力的次要因素。

表3 彈性模量對極限荷載的影響程度計算表

由表3可知，樁基的彈性模量對豎向極限荷載的影響較大，但比樁徑的影響小。在增強樁基承載力時，應(yīng)根據(jù)實際條件選擇增大樁徑和選用彈性模量較大的材料。

表4 樁側(cè)摩阻力的比例系數(shù)對極限荷載的影響程度計算表

由表4可知，樁側(cè)摩阻力的比例系數(shù)對極限荷載的影響很大，與樁徑的影響幾乎相當(dāng)，略大一點。這說明在樁側(cè)摩阻力處于彈性階段時，樁側(cè)巖土體的類型對樁頂豎向極限荷載的影響程度很大。巖土體越密實，那么摩阻力就越大，樁基的承載力也就越高。

表5 樁端阻力第一階段的比例系數(shù)對極限荷載的影響程度計算表

表6 樁端阻力第二階段的比例系數(shù)對極限荷載的影響程度計算表

由表5，表6可知，當(dāng)樁側(cè)摩阻力處于彈性階段時，樁端阻力也處于彈性階段，但也是未發(fā)揮的階段，其第一、第二階段的比例系數(shù)對承載力的貢獻都不大，甚至第二階段的比例系數(shù)對樁基承載力有些許減小的趨勢。

綜上可知，樁側(cè)摩阻力的比例系數(shù)對樁基的承載力影響最大，其次是樁徑，再是彈性模量與樁長，而樁端阻力的比例系數(shù)對樁基承載力的影響幾乎沒有。但是在實際工程中，僅有樁徑和彈性模量是可控因素，而樁側(cè)摩阻力則是巖土體固有的性質(zhì)，無法輕易改變。所以，為了提高樁基的承載力，應(yīng)該多從彈性模量與樁徑入手。不過，無論是增大樁徑還是改用彈性模量高的材料，都會增大造價，工程中應(yīng)根據(jù)實際情況選擇最優(yōu)方案，保證安全性和經(jīng)濟性。

3 結(jié)語

本文推導(dǎo)了按樁頂沉降控制的嵌巖樁的控制微分方程，并建立了樁側(cè)巖土體處于彈性階段時樁頂極限荷載的求解方法，獲取了影響樁頂極限荷載的因素主要有6個：樁基的直徑、樁長、彈性模量、樁側(cè)摩阻力的傳遞系數(shù)、雙樁樁端阻力的傳遞系數(shù)。最后以四川仁沐新高速公路馬邊河2號橋沐川岸左線陡坡上的嵌巖樁作為研究對象，對影響該樁基的豎向極限荷載的各因素進行了分析。結(jié)果表明在樁側(cè)摩阻力處于彈性階段時，樁側(cè)摩阻力的比例系數(shù)、樁徑和樁基的彈性模量是影響樁基承載力的主要因素，而樁長和樁端阻力的比例系數(shù)則是次要因素。

在實際工程中，僅有彈性模量是可控因素，而樁側(cè)摩阻力則是巖土體固有的性質(zhì)，無法輕易改變。所以，為了提高樁基的承載力，應(yīng)該多從彈性模量入手。不過，這意味著會增大造價，工程中應(yīng)根據(jù)實際情況選擇最優(yōu)方案，保證安全性和經(jīng)濟性。