人工高陡邊坡大直徑灌注樁受力性能與數值模擬分析

萬丹丹，宿文姬，鄭志文，符詩存

（1.廣州南沙經濟技術開發(fā)區(qū)建設中心，廣州 511455；2.華南理工大學土木與交通學院，廣州 510641；3.廣東省地質環(huán)境監(jiān)測總站，廣州 510510）

0 引言

目前，國內外對人工高陡邊坡的樁基研究大多數集中于分析高承臺樁基在橫向荷載和樁側土體推力作用下的內部應力應變變化規(guī)律、撓曲變形和樁基周圍土體的位移變形等。對樁基的變形和樁土相互作用考慮的較為少見。由于樁基與土體的相互作用，使得人工高陡邊坡段大直徑灌注樁的受力特性研究更加值得關注。

楊博銘等人[1-4]借用數學模型，從預應力錨索抗滑樁的受力形式和施工特點等方面，對其進行滑坡穩(wěn)定性分析，得出了設計原則和理論計算方法，并研究了動態(tài)設計使其更加符合現(xiàn)實狀況。趙明華、楊明輝等人[5-10]計算出了樁頂沉降量的公式，并導出了按樁頂沉降量計算樁基承載力的方法，基于m法，采用冪級數方法求解，最終得出樁基內力及位移的有限差分解，從而更好地分析樁基的內力位移變形問題。雷勇[11]在分析了嵌巖樁的承載特性和受力機理的基礎上，建立了剪脹模型和以分維數表示的傳遞模型，得出了極限承載力的計算公式。朱良虎[12]文章對大直徑深長鉆孔灌注樁的受力特點和研究現(xiàn)狀進行了分析和總結。

然而，目前對于人工高陡邊坡大直徑灌注樁體系的受力承載機制缺乏較為系統(tǒng)的研究，對樁基的變形和樁土相互作用考慮的較為少見。因此，本文擬重點針對人工高陡邊坡區(qū)樁基受力性能和承載變形特性、受力與變形計算及不同因素對內力位移影響等方面進行研究，建立了樁基在邊坡上的受力模型，總結歸納豎向荷載等各個因素對人工高陡邊坡大直徑灌注樁受力性能的影響。

1 工程概況

粵東某人工高陡邊坡段采用大直徑灌注樁樁基，已知打入樁基后樁后坡體分為上下兩層，其物理力學參數如表1所示。

表1 人工高陡邊坡物理力學參數表Table 1 Physical and mechanical parameters of artificial high steep slope

2 建立幾何模型

針對人工高陡邊坡大直徑灌注樁的受力特點，同時考慮到樁基與土體的相互作用、接觸的非線性和巖土體的彈塑性，采用三維有限元數值模擬分析方法，對人工高陡邊坡大直徑灌注樁體系進行建模分析與計算。如圖1所示，模型水平方向長度60 m，豎直方向高40 m，方向沿z方向縱向延伸30 m，邊坡坡度為25°，樁基采用圓形截面，樁基直徑為1 m，樁基長度為18 m，其中樁基嵌入下層巖土體4 m，同時對邊坡周圍土體性質進行簡化，樁周巖土體分為兩層。樁基周圍土體取15倍樁徑，樁底厚度取12 m，邊坡的具體尺寸可見圖1所示，具體的網格劃分如圖2所示：

圖1 有限元模型幾何尺寸（m）Fig.1 Geometric dimension of finite element model（m）

圖2 網格劃分軸側圖Fig.2 Axis side view of mesh generation

3 人工高陡邊坡大直徑灌注樁體系承載性狀影響因素分析

3.1 豎向荷載的影響

為了研究樁頂所受豎向荷載對人工高陡邊坡大直徑灌注樁受力性能的影響，選取豎向荷載為1000~3000 kN（500 kN逐漸累加）的樁基進行有限元模擬分析，其他參數保持不變，不同荷載作用下各種對比圖如圖3至圖7所示：

圖3 不同豎向荷載作用下樁基沉降位移對比圖Fig.3 Comparison of settlement displacement of pile foundation under different vertical loads

圖4 不同豎向荷載作用下樁頂沉降位移圖Fig.4 Settlement displacement dDiagram of pile top under different vertical loads

圖5 不同荷載作用下樁基水平位移對比圖Fig.5 Comparison of horizontal displacement of pile foundation under different loads

圖7 不同荷載作用下樁基軸力對比圖Fig.7 Comparison of axial force of pile foundation under different loads

表2 有限元對照分析模型參數Table 2 Model parameters of finite element comparative analysis

圖6 不同荷載作用下樁基樁身摩擦力對比圖Fig.6 Comparison of pile friction under different loads

3.2 樁長的影響

為了研究樁基長度對人工高陡邊坡大直徑灌注樁受力性能的影響，選取樁長為8~20 m（2 m逐漸累加）的樁基進行有限元模擬分析，其他參數保持不變，從而得到不同樁長時各種對比圖（圖8~圖12）。

圖8 不同樁長時各個樁基沉降位移圖Fig.8 Settlement displacement diagram of each pile foundation with different pile lengths

圖9 樁長不同時樁頂沉降位移圖Fig.9 Settlement displacement diagram of pile top with different pile lengths

圖10 不同樁長時各個樁基水平位移對比圖Fig.10 Comparison of horizontal displacement of each pile foundation with different pile lengths

圖11 不同樁長時各個樁基樁身摩擦力對比圖Fig.11 Comparison of friction force of each pile foundation with different pile lengths

圖12 不同樁長時樁基軸力對比圖Fig.12 Comparison of axial force of pile foundation with different pile lengths

3.3 邊坡坡度的影響

為了研究人工高陡邊坡的邊坡坡度對人工高陡邊坡大直徑灌注樁受力性能的影響，選取邊坡坡度分別為25°~45°（5°逐漸累加）的樁基進行有限元模擬分析，其他參數保持不變，從而得到不同坡度時各種對比圖（圖13~圖16）。

圖13 不同坡度時各個樁基沉降位移對比圖Fig.13 Comparison of settlement displacement of each pile foundation under different slopes

圖14 不同坡度時各個樁基水平位移對比圖Fig.14 Comparison of horizontal displacement of each pile foundation under different slopes

圖15 不同坡度時各個樁基樁身摩擦力對比圖Fig.15 Comparison of friction force of Pile Foundation under different slopes

圖16 不同坡度時各個樁基軸力對比圖Fig.16 Comparison of axial force of each pile foundation under different slopes

3.4 樁徑的影響

為了研究樁基直徑對人工高陡邊坡大直徑灌注樁受力性能的影響，選取樁徑分別為1.0~1.8 m（0.1 m累加）的樁基進行有限元模擬分析，其他參數保持不變，從而不同樁徑時各種對比圖（圖17~圖20）。

圖17 不同樁徑時各個樁基沉降位移對比圖Fig.17 Comparison of settlement displacement of each pile foundation with different pile diameters

圖18 不同樁徑時各個樁基水平位移對比圖Fig.18 Comparison of horizontal displacement of each pile foundation with different pile diameters

圖20 不同樁徑時各個樁基軸力對比圖Fig.20 Comparison of axial force of each pile foundation with different pile diameters

圖19 不同樁徑時各個樁基樁身摩擦力對比圖Fig.19 Comparison of friction force of each pile foundation with different pile diameters

4 結論

（1）樁基在豎向荷載不斷增加的條件下，樁基的沉降位移和水平位移都在不斷增大，樁身摩擦力和樁基軸力也在不斷變大，而以上四種因素，樁身摩擦力最先達到極限，因此當不斷施加荷載時，應該首先考慮樁身摩擦力是否超過允許值，其次兼顧各種變形，防止因某一變形過大而導致樁基破壞。

（2）樁基在改變樁長時，樁基沉降位移、樁基水平位移和樁身摩擦力都是隨著樁長的增大而減小，樁基樁頂軸力無明顯變化，沿樁長的衰減速率變快。由此可得，樁基在邊坡上盡量應嵌入巖體層，這樣可以有效的減小樁基的水平位移、沉降位移和樁身摩擦力，從而可以減小樁基的變形，更加有利于樁基在邊坡上的承載。

（3）樁基在邊坡坡度不斷增加的情況下，樁基沉降基本上不斷增大，樁基水平位移成倍的增大，樁身摩擦力在上部土體變化無規(guī)律，下部土體在不斷減小，樁基軸力在不斷增大。因此，可見在選址時應盡量選擇坡度較緩的坡面處，可以減小樁基水平位移，防止樁基因水平位移過大而失穩(wěn)，影響樁基的受力能力。

（4）改變樁基的樁徑時，樁基的沉降位移因樁徑的增大而增大，而樁基的水平位移在上部土體隨著樁徑的增大而增大，下部土體沒有明顯變化，樁身摩擦力隨著樁徑的增大而增大，樁身軸力變化不明顯，因樁徑的變化帶來的樁基內力和位移并無明顯變化，且會造成材料浪費，所以在工程中，不推薦采用增大樁徑的方法來控制樁基的內力和位移變形。