高陡邊坡中橋梁樁基的內(nèi)力與變形研究

張宇辰

摘 要：隨工程建設(shè)高速發(fā)展，山區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)開(kāi)發(fā)，一些復(fù)雜交通工程須建立在陡峭的邊坡上，其選擇高架橋或半路半橋形式利于環(huán)保及邊坡穩(wěn)定，橋梁通常選擇樁基礎(chǔ)-高墩橋梁的形式。本文研究分析高邊坡在堆載、豎向荷載、水平荷載及傾斜荷載作用下樁基承載機(jī)理和力學(xué)特性，分析荷載對(duì)樁基承載和受力狀況、樁身變形影響度，探討樁周土性質(zhì)、樁身剛度、嵌巖深度對(duì)邊坡段橋梁樁基變形和內(nèi)力的影響。

關(guān)鍵詞：高陡邊坡;橋梁樁基;受力變形

1前言

隨經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展，我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)加快，國(guó)家大力開(kāi)發(fā)深山老區(qū)，一些復(fù)雜公路鐵路交通工程需采用高架橋或半路半橋形式，穿山越嶺的工程隨中國(guó)交通的發(fā)展已司空見(jiàn)慣，此類橋梁樁基礎(chǔ)需要建立在高邊坡上，其受力和承載較復(fù)雜，不能簡(jiǎn)單把邊坡上的橋梁樁基看成平地樁基，也不能看成抗滑樁。因邊坡存在，樁周土體不能再視為半無(wú)限空間體，樁基側(cè)摩阻力和樁前抗力都會(huì)受到不同程度影響。邊坡上單樁基礎(chǔ)與雙樁基礎(chǔ)會(huì)出現(xiàn)很大差異，因系梁存在，橋梁前后樁基所表現(xiàn)出來(lái)的承載和受力特性也會(huì)不同，系梁可調(diào)整前后排樁荷載分布和彎曲變形，樁基臨坡面土體缺失情況不同會(huì)導(dǎo)致其樁基前后排樁的樁側(cè)阻力發(fā)揮不同。邊坡段橋梁樁基研究已成為難題。山區(qū)邊坡段橋梁樁基除受地形影響，其所受荷載也較復(fù)雜，樁基要承受來(lái)自上部結(jié)構(gòu)和自身荷載，還因風(fēng)力、車輛制動(dòng)、地震、坡面堆載等因素引起荷載，這些荷載作用的大小和方向皆有不確定性，且相互組合后，會(huì)更復(fù)雜。對(duì)于樁基承載機(jī)理、受力特性、荷載傳遞規(guī)律并沒(méi)有一套能夠指導(dǎo)工程實(shí)踐的完整理論體系。故針對(duì)邊坡段橋梁樁基特點(diǎn)，研究邊坡段橋梁樁基承載機(jī)理、受力特性，提出可指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工理論體系有重大意義。

2邊坡穩(wěn)定性及滑坡推力研究

2.1邊坡穩(wěn)定性分析法

邊坡穩(wěn)定性分析可分為確定性和不確定性分析，確定性法包括極限平衡和數(shù)值分析法。

隨計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)發(fā)展，數(shù)值分析廣泛運(yùn)用。邊坡穩(wěn)定不確定性分析方法種類繁多，在未來(lái)，不確定性分析法將成為重要分析途徑。數(shù)值分析能對(duì)復(fù)雜邊坡條件進(jìn)行全方面考慮，既能分析邊坡穩(wěn)定性，又能掌握邊坡應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，可對(duì)邊坡變形和破壞機(jī)理認(rèn)識(shí)更深。

2.2滑坡推力計(jì)算法

（1）首先求解全截面上全滑坡總推力，按在該橫截滑動(dòng)方向截面上滑體厚度不同分配出各段每米寬推力大小;

（2）在平行滑動(dòng)方向上分段，每段代表斷面上每米寬滑坡推力都可求出，綜合各段推力能求解出全滑坡推力。

（3）滑坡推力分布

一般認(rèn)為滑坡推力分布主要有三角形、矩形和梯形三種。部分學(xué)者認(rèn)為滑坡推力分布及其合力作用點(diǎn)位置受滑坡的類型、滑動(dòng)面形狀、部位、地層性質(zhì)、抗滑結(jié)構(gòu)變形情況及地基系數(shù)等綜合因素的影響，但主要與滑坡體結(jié)構(gòu)和抗滑結(jié)構(gòu)物的受力變形有關(guān)。抗滑樁在實(shí)際受力時(shí)其真實(shí)滑坡推力分布應(yīng)為拋物線性形。

3邊坡上橋梁樁基承載機(jī)理

邊坡橋梁樁基的承載機(jī)理及受力狀態(tài)與平地樁或邊坡抗滑樁不同，邊坡橋梁樁基受到結(jié)構(gòu)上部荷載和邊坡推力作用，具有承重和阻滑雙重功能。邊坡橋梁樁基受到豎向和橫向荷載，又受到傾斜荷載，各荷載組合作用并不等于荷載間簡(jiǎn)單疊加。

3.1豎向荷載作用下樁基受力特性

樁基豎向承載力由樁側(cè)阻力和樁端阻力組成。豎向荷載作用承臺(tái)，承臺(tái)傳遞樁體，樁身受到荷載擠壓產(chǎn)生豎向位移，土體將產(chǎn)生抵抗土體向下位移趨勢(shì)，產(chǎn)生土體摩擦力，該摩擦力會(huì)承擔(dān)一部分上部傳遞荷載，使樁身軸力變小，樁體壓縮變形從上往下，樁體側(cè)摩阻力也從上往下。樁身位移轉(zhuǎn)遞到樁端，樁端產(chǎn)生豎向位移，樁端阻力隨即產(chǎn)生，隨荷載增大，樁端阻力增大，樁端阻力所占承載力比例也增大，并最終趨于穩(wěn)定比例。樁側(cè)阻力先于樁端阻力發(fā)揮，樁側(cè)阻力由樁身上部往下部逐漸發(fā)揮，當(dāng)荷載足夠大的時(shí)候才會(huì)產(chǎn)生樁端阻力。樁側(cè)和樁端阻力位移部位不同。樁側(cè)阻力發(fā)揮與樁長(zhǎng)、樁徑、樁周土體性狀、樁體剛度、樁土相對(duì)位移等有關(guān)。

3.2樁土間工作性狀

豎向荷載作用承臺(tái)，承臺(tái)傳遞樁基，樁身受到上部荷載產(chǎn)生壓縮變形，樁體壓縮變形致樁體向下位移，產(chǎn)生土體摩擦力，樁側(cè)摩阻力會(huì)抵消樁頂豎向荷載和樁身自重，樁身軸力隨著樁身長(zhǎng)度遞減，在荷載范圍內(nèi)，樁身一定深度下軸力為零。樁身壓縮量隨樁身長(zhǎng)度遞減，樁身壓縮量為零處點(diǎn)樁側(cè)阻力為零，零點(diǎn)以下樁身部分都不發(fā)揮樁側(cè)阻力。隨樁頂荷載不斷增大，樁身壓縮量為零的點(diǎn)繼續(xù)向樁身下部移動(dòng)，樁身側(cè)摩阻力從上到下逐步發(fā)揮，直到零點(diǎn)到達(dá)樁端，這時(shí)樁端阻力開(kāi)始發(fā)揮?？捎煤奢d傳遞法來(lái)描述荷載傳遞過(guò)程。

3.3水平荷載作用下橋梁樁基的受力特性

在高陡邊坡橋梁樁基中，會(huì)受到豎向荷載，因車輛制動(dòng)、風(fēng)荷載等引起橫向荷載也會(huì)影響。邊坡滑動(dòng)對(duì)樁體產(chǎn)生推力，樁前產(chǎn)生抵抗樁基位移抗力。

水平荷載作用下，樁身受到側(cè)向擠壓作用產(chǎn)生偏移，樁身偏移會(huì)使土體受到擠壓變形，使土體處于彈性，加大水平荷載，樁身側(cè)移增加，土體出現(xiàn)塑性屈服，荷載繼續(xù)增大，土體塑性屈服由土體上部向下部傳遞，直到全部屈服破壞。

樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、樁周土體性質(zhì)、樁徑、樁間距和樁身抗彎剛度影響樁基水平承載力。當(dāng)樁間距<4倍樁徑，雙樁結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)差，不能充分發(fā)揮雙樁承載性能;樁間距>8倍樁徑，雙樁間相互作用可忽略;樁間距在4～8倍時(shí)，前后樁可相互協(xié)調(diào)配合，分擔(dān)荷載，發(fā)揮土體抗力，有利于提高水平承載性能。

3.4傾斜荷載作用下樁基的受力特性

樁基很少受到單獨(dú)豎向或單獨(dú)水平荷載，一般是豎向和水平荷載同時(shí)作用。在傾斜荷載作用下，樁基會(huì)同時(shí)受到豎向和水平分量荷載，水平分量的荷載會(huì)導(dǎo)致樁基側(cè)移，而豎向荷載的作用會(huì)對(duì)水平荷載下樁基的側(cè)移和彎矩有加重作用，即“p-Δ”效應(yīng)，當(dāng)樁周土體性質(zhì)較差或者樁基自由段較長(zhǎng)時(shí)，“p-Δ”效應(yīng)產(chǎn)生的附加側(cè)向位移和彎矩不可忽略。因此傾斜荷載對(duì)樁基的影響不能簡(jiǎn)單地將豎向荷載和水平荷載影響疊加，傾斜荷載下樁基受力性狀比單獨(dú)受荷樁基受力狀況要復(fù)雜。

影響傾斜荷載承載力包括豎向和水平荷載承載力，如樁周土體性質(zhì)、樁身剛度、樁徑、樁長(zhǎng)、邊坡坡度、嵌巖深度、樁體自由段長(zhǎng)度、傾斜荷載角度。

（1）樁周土體剛度大、密度大傾斜荷載承載力高。

（2）樁徑大、樁更長(zhǎng)、自由段短承載力更高，當(dāng)樁徑和樁長(zhǎng)超出一定范圍時(shí)，樁徑和樁長(zhǎng)對(duì)樁基承載性能影響少。

總結(jié)

高陡邊坡橋梁樁基在豎向、水平及傾斜荷載下樁基受力特性、承載機(jī)理以及破壞模式。因地理位置特殊性，高邊坡橋梁樁基具有承重和阻滑雙重特性，加上各種荷載作用，使其受力更為復(fù)雜。

（1）豎向荷載承載力由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力共同承擔(dān)，樁側(cè)摩阻力逐步發(fā)揮且樁端阻力會(huì)促進(jìn)樁側(cè)阻力發(fā)揮。橫向荷載承載力由樁周土體抗力承擔(dān)，樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、樁周土體性質(zhì)、樁徑、樁間距和樁身抗彎剛度是影響樁基水平承載力主要因素。

（2）邊坡橋梁樁基與平地橋梁樁基不同，邊坡樁基會(huì)受到滑坡推力影響，滑坡推力和橫向荷載會(huì)使樁基產(chǎn)生較大橫向側(cè)移和撓曲變形，豎向荷載將會(huì)使此變形產(chǎn)生附加彎矩，此彎矩會(huì)增大樁基撓曲變形，加上樁基臨空面存在，增強(qiáng)了“p-Δ”效應(yīng)。

（3）傾斜荷載下樁基破壞模式是豎向和橫向荷載及其他加一起所有破壞模式的和。

高陡邊坡橋梁樁基受力狀況復(fù)雜，該課題仍需要做更深研究;在實(shí)際中，需用到群樁基礎(chǔ)，群樁基礎(chǔ)與雙樁基礎(chǔ)不同，其受力和承載模式更復(fù)雜特殊，需對(duì)橋梁群樁基礎(chǔ)深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1]李小英，杜鵬，任慶芳.承重阻滑樁受力特性分析[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012， 24（2）：5.