深厚碎石土邊坡上特大拱橋直樁-斜樁組合群樁基礎(chǔ)承載性狀數(shù)值分析

曾應(yīng)祝 陳旖平 彭雄志 王剛巧

（1.核工業(yè)西南設(shè)計(jì)院，四川成都 610000；2.西南交通大學(xué)，四川成都 610031）

0 引言

我國西部山區(qū)地形陡峭險(xiǎn)峻，對(duì)于陡坡上的橋梁基礎(chǔ)，一方面來自橋梁荷載作用在基礎(chǔ)上，使得邊坡巖土體中的應(yīng)力變得復(fù)雜化，從而影響坡體穩(wěn)定性；另一方面，由于陡坡臨空面的存在，基樁兩側(cè)的巖土體不再是完全對(duì)稱的體系，其承載機(jī)理勢(shì)必與平地基樁有所區(qū)別而呈現(xiàn)特殊性[1-2]。

目前，國內(nèi)外對(duì)考慮邊坡條件下橋梁樁基承載性狀的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：

（1）對(duì)于邊坡條件下單樁的研究：趙明華根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提出傾斜荷載下樁后巖質(zhì)邊坡滑坡體推力按拋物線分布荷載的計(jì)算模型[3]；劉建華通過室內(nèi)試驗(yàn)，探討了不同組合荷載及加載方式下的基樁受力性狀[4-5]；楊泉在順層巖質(zhì)邊坡條件下，對(duì)大斷面斜樁基礎(chǔ)受荷性狀進(jìn)行了研究[6]；

（2）對(duì)于邊坡條件下樁柱式橋梁雙樁基礎(chǔ)的研究：趙明華根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，探討了不同坡度下基礎(chǔ)的破壞模式及承載機(jī)理[7]；

（3）對(duì)于邊坡條件下群樁基礎(chǔ)的研究：藺鵬臻通過數(shù)值模擬、有限差分法等手段對(duì)以豎向荷載為主的連續(xù)剛構(gòu)橋群樁基礎(chǔ)進(jìn)行受力分析[8]。

這幾個(gè)方面的情況說明，國內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)復(fù)雜荷載作用下斜坡橋梁樁基礎(chǔ)的承載性能、受力模式、內(nèi)力變形計(jì)算方法以及失效破壞模式進(jìn)行了研究。然而，目前對(duì)斜坡橋梁樁基礎(chǔ)的研究大多集中在直樁，或者單個(gè)斜樁，對(duì)于直樁-斜樁組合樁基礎(chǔ)研究鮮有報(bào)道；且研究大多集中在梁橋，以豎向荷載為主，而拱橋基礎(chǔ)需要承受較大的水平推力，既有研究缺乏對(duì)拱橋樁基水平荷載作用下樁基的分析。對(duì)于覆蓋層厚度較大的復(fù)雜邊坡條件下的拱橋群樁基礎(chǔ)，因其拱橋受力的獨(dú)特性和深厚覆蓋層邊坡的復(fù)雜性，既要考慮坡體推力對(duì)樁基的影響，又要考慮巨大的水平推力對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響。特別是對(duì)于直樁+斜樁的拱橋基礎(chǔ)形式，現(xiàn)在對(duì)其樁基承載性狀和陡坡穩(wěn)定性尚沒有足夠的了解和認(rèn)識(shí)。本文以四川省金陽縣德谷溝特大橋務(wù)科村岸坡和橋墩基礎(chǔ)為例，通過建立局部實(shí)地模型，采用Flac3D有限元差分計(jì)算軟件，對(duì)拱橋直樁-斜樁組合群樁基礎(chǔ)承載性狀進(jìn)行數(shù)值分析。

1 工程概況

擬建德谷溝特大橋位于涼山州金陽縣，橋梁采用上承式拱橋形式，凈跨徑230m。橋基位于陡坡上，其中右岸坡度為40°，邊坡覆蓋層厚度最大達(dá)65m。本文分析的主橋橋墩基礎(chǔ)位于40°的陡坡上，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)形式為直樁+斜樁群樁基礎(chǔ)，其中直樁直徑3m，布置為2行2列，樁長為71m。斜樁為馬蹄形，傾斜角15°，高為3.5m，寬為3m，樁長為64m。橋梁布置見圖1所示。

圖1 橋梁布置圖

2 陡坡拱橋樁基計(jì)算模型

2.1 建模計(jì)算

本文采用Flac3D有限元差分軟件進(jìn)行建模計(jì)算。為了完全模擬實(shí)際場(chǎng)地情況，先根據(jù)等高線地形圖生成模型表面，再根據(jù)地勘層面資料，劃分地層。模型區(qū)域確定的總體原則是既達(dá)到綜合反映邊坡的受力狀態(tài)，又能夠保證計(jì)算不受邊界條件的影響。根據(jù)實(shí)地條件確定的模型區(qū)域?yàn)椋核椒较颍▁方向）距離橋墩承臺(tái)120m左右；縱向（+y方向）延伸距離橋墩承臺(tái)125m，-y方向延伸距離橋墩承臺(tái)80m左右；豎向（z）延伸距離樁底73m；整體模型尺寸為X×Y×Z=238×206×199（m）。岸坡及橋梁樁基數(shù)值模型見圖2所示。

圖2 岸坡及橋梁樁基數(shù)值模型圖

2.2 材料參數(shù)

材料本構(gòu)的選擇與模型中材料的受力及變形特性相關(guān)。本次分析所涉及的材料包括邊坡巖土體、橋梁承臺(tái)、樁基等，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 主要材料計(jì)算參數(shù)

2.3 數(shù)值計(jì)算中邊坡及樁基礎(chǔ)上的荷載

根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料，承臺(tái)面在橋樁和上部結(jié)構(gòu)施工完成后主要承受來自拱腳和交接墩的力。其中來自拱腳處的豎向力Fz=53219kN、水平力Fx=24397kN、Fy=6490kN；彎 矩Mx=245663kN·m、My=156788kN·m、Mz=273518kN·m；來自交界墩處的豎向力Fz=18897kN、水平力Fx=1070kN、Fy=1527kN；彎 矩Mx=31006kN·m、My=23168kN·m、Mz=712kN·m。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

主要分析樁周土體變形性狀、基礎(chǔ)受力變形特性及運(yùn)用強(qiáng)度折減法計(jì)算陡坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。

3.1 橋樁及上部結(jié)構(gòu)施工完成后的模擬結(jié)果

荷載施加后岸坡豎向位移、水平位移分布見圖3～圖4所示。由圖3可以看出，豎向位移主要分布在樁基及樁周土中，其中承臺(tái)下方的土體變形最大，此后逐漸以圓弧狀向周圍遞減，樁周圍土體的豎向位移隨離基礎(chǔ)距離增大而不斷減?。蝗簶痘A(chǔ)從樁頂至樁底的豎向位移逐漸減少，由于彎矩的作用，第一排豎樁軸向位移最大，變形也最明顯，為12mm左右。

圖3 荷載施加后岸坡豎向位移分布圖

圖4 荷載施加后岸坡水平位移分布圖

承臺(tái)由于直接承受水平荷載和彎矩作用后發(fā)生一定變形，其中承臺(tái)頂面交界墩處產(chǎn)生3mm 的位移。承臺(tái)把荷載傳遞給樁基，使樁基的上部產(chǎn)生位移3～5mm，樁側(cè)土體抗力隨著樁基埋深增大而變大，從而在樁基埋深越深的位置所發(fā)生的水平位移越小。由圖4岸坡水平位移分布可以看出，靠近承臺(tái)兩側(cè)地表位置是土體受承臺(tái)擾動(dòng)的主要分布所在，可以發(fā)現(xiàn)由于坡體的下滑力使樁前土體，即坡腳方向有位移；但是樁后土體并沒有產(chǎn)生位移，說明樁基礎(chǔ)表現(xiàn)為一定的抗滑樁性質(zhì)。

3.2 邊坡整體穩(wěn)定性

岸坡土體在橋樁及其上部結(jié)構(gòu)竣工以后會(huì)發(fā)生一定程度的變形，承臺(tái)基礎(chǔ)附近是最大變形位移區(qū)域，為6mm左右，往坡腳處逐漸遞減，到1區(qū)域位移減小為3mm，再到2區(qū)域，由于坡度變陡，位移增大為4mm左右?？傮w來說，變形位移較小，無明顯的水平或豎向位移在坡腳處出現(xiàn)，存在位移的位置也僅為第一層碎石土表面區(qū)域，整體岸坡狀態(tài)穩(wěn)定?？偽灰茍D見圖5所示。

4 結(jié)束語

本文以四川省金陽縣德谷溝特大橋務(wù)科村岸坡和橋墩基礎(chǔ)為例，通過建立局部實(shí)地模型，采用Flac3D有限元差分計(jì)算軟件，數(shù)值計(jì)算中邊坡及樁基礎(chǔ)上的荷載，從深厚覆蓋層邊坡上的拱橋樁基受力變形以及坡體穩(wěn)定性方面，對(duì)直樁-斜樁組合群樁基礎(chǔ)承載性狀進(jìn)行數(shù)值分析，可得出以下結(jié)論：

（1）橋梁工程完成后，邊坡整體位移很小，土體變形主要集中在承臺(tái)及樁周土體，橋梁荷載對(duì)岸坡整體穩(wěn)定影響不大。群樁基礎(chǔ)在一定程度上起到抗滑樁作用。

（2）所有樁的樁身軸力隨深度增加逐漸遞減，側(cè)摩阻力在第一層土發(fā)揮不大，在樁身中下部才達(dá)到峰值。

（3）基礎(chǔ)變形以豎向位移為主，水平位移較小，豎向位移和水平位移都隨樁深增加而減小，其中第一排樁位移最大，豎向位移為12mm，水平位移為5mm。越靠近斜樁，水平位移越小，斜樁的設(shè)計(jì)形式能有效地抵抗水平變形。

（4）深厚覆蓋層邊坡表面碎石土容易形成潛在滑動(dòng)帶，且滑動(dòng)帶出現(xiàn)在坡前（坡腳方向）位置，邊坡支護(hù)應(yīng)注重加固支護(hù)基礎(chǔ)坡前（坡腳方向）區(qū)域。