基于有限元法的斜坡橋樁承載特性影響因素研究

摘 要：為研究斜坡橋樁承載特性的影響因素，本文應(yīng)用有限元軟件MIDAS GTS建立斜坡橋樁模型，研究了坡角、樁徑、橋樁埋置深度及橋樁位置對(duì)橋樁承載特性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)較高時(shí)，坡角增加對(duì)橋樁承載特性的影響較小，當(dāng)邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)或不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，會(huì)極大影響橋樁的極限承載力，橋樁埋置深度與樁徑的變化相似，樁徑和埋深增加會(huì)導(dǎo)致橋樁極限承載力增加，但是樁徑增至一定程度時(shí)，對(duì)極限承載力提升有限，橋樁位置對(duì)其極限承載力的影響較大，橋樁抗壓極限承載力隨橋樁與坡腳間水平距離增加而逐漸降低。

關(guān)鍵詞：邊坡；橋樁；承載特性；抗壓極限承載力

中圖分類號(hào)：TU 47" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

橋梁樁基因其承載力大、變形小、便于施工等優(yōu)點(diǎn)，在橋基邊坡工程中受到廣泛應(yīng)用。而影響橋樁承載特性的因素有很多，主要包括樁徑、樁長、橋樁埋置深度、橋樁彈性模量等，研究橋樁承載特性的影響因素對(duì)工程安全及施工質(zhì)量等具有重要意義。

針對(duì)橋樁承載特性的影響因素問題，已有眾多學(xué)者進(jìn)行了一系列研究。高璇[1]根據(jù)室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法分析了不同坡度、不同樁長對(duì)橋樁抗壓承載力的影響以及針對(duì)坡角為90°時(shí)的橋樁與邊坡距離對(duì)樁的承載特性的影響。張永杰等[2]以陡坡段雙樁-柱橋梁基礎(chǔ)為研究對(duì)象，通過理論方法得到了樁基承載力的簡化計(jì)算方法，并研究了樁長、樁徑等參數(shù)對(duì)樁基承載力的影響。林寶磊[3]、楊麗霞[4]、許白楊[5]等分析了橋樁樁徑、樁長以及橋樁彈性模量對(duì)橋樁承載力和變形的影響，并提出了樁基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

對(duì)邊坡坡角、樁徑、橋樁埋置深度及橋樁位置等對(duì)橋樁承載特性影響較大的因素來說，本文采用有限元軟件MIDAS GTS建立斜坡橋樁模型，綜合分析這4種因素對(duì)橋樁承載特性的影響，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)及施工提供參考。

1 有限元數(shù)值模型建立

通過MIDAS GTS軟件建立斜坡橋樁模型。模型邊坡厚度為30m，坡高為50m，邊坡由砂土和強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖組成，邊坡坡角為15°～60°。橋樁樁身采用C30混凝土澆筑，樁徑為0.5m～2m，埋置深度為20m～30m，橋樁位置設(shè)置在離坡腳水平距離10m～40m處，模型如圖1所示。模型中土體采用莫爾庫倫本構(gòu)模型，橋樁采用線彈性本構(gòu)模型，橋樁設(shè)置為1D線單元，巖石和橋樁參數(shù)見表1。模擬過程分為兩個(gè)分析步，第一步先使邊坡地應(yīng)力平衡，第二步加入橋樁，對(duì)樁頂逐級(jí)施加荷載。

2 斜坡橋樁極限承載力判定方法

2.1 邊坡穩(wěn)定性判定方法

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）[6]，對(duì)邊坡工程安全等級(jí)為一級(jí)的邊坡來說，當(dāng)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大于或等于邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)1.35時(shí)，邊坡為穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于1.35且大于1.05時(shí)，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)小于1.05且大于1.0時(shí)，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)小于1.0時(shí)，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 橋樁極限承載力的判定

根據(jù)《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）[7]，對(duì)緩變型Q-S曲線來說，應(yīng)根據(jù)樁頂總沉降量，取s=40mm所對(duì)應(yīng)的荷載值，當(dāng)樁徑大于800mm時(shí)，取s=0.05D所對(duì)應(yīng)的荷載值，對(duì)陡降型Q-S曲線來說，應(yīng)將其發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值作為橋樁的極限承載力。

3 結(jié)果分析

3.1 坡角對(duì)橋樁承載特性的影響

為了研究邊坡坡角對(duì)橋樁承載特性的影響，通過MIDAS建立斜坡橋樁模型，將橋樁樁徑設(shè)置為1m，橋樁埋置深度設(shè)置為25m，橋樁位置設(shè)置在離坡腳水平距離25m處，邊坡坡角分別設(shè)置為15°、30°、45°以及60°。對(duì)橋樁樁頂逐級(jí)施加荷載，得到不同坡角與荷載下樁頂位移的變化曲線及不同坡角的樁身軸力分布曲線（如圖2～圖6所示）。

從圖2可以得知，樁頂在荷載施加初期，橋樁樁頂沉降曲線近似為直線，表明橋樁為彈性變形，在相同荷載作用下，坡角增加對(duì)樁頂位移的影響并不明顯。隨著荷載逐漸增加，當(dāng)樁頂荷載為15000kN時(shí)，坡角為60°的橋樁樁頂位移率先發(fā)生突變，當(dāng)樁頂荷載約為18000kN時(shí)，另外3個(gè)坡角的橋樁樁頂沉降位移發(fā)生突變，三者位移突變節(jié)點(diǎn)位置相近，其中，坡角為60°的橋樁極限承載力明顯小于其余坡角的橋樁極限承載力。

采用強(qiáng)度折減法計(jì)算橋樁在極限荷載作用下不同坡角的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，再根據(jù)不同坡角的樁身軸力曲線圖可知，在相同荷載作用下，相同深度處60°邊坡上的橋樁軸力更大，其中，在樁端處橋樁軸力隨荷載變化最明顯，60°邊坡上的橋樁在荷載達(dá)到15000kN時(shí)，樁端承載力為5050kN，超過了樁端承載力，其余橋樁均在荷載超過18000kN時(shí)樁端承載力才發(fā)生突變，超過5000kN。通過強(qiáng)度折減法計(jì)算15°、45°和60°邊坡上的橋樁達(dá)到極限承載力時(shí)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，分別為2.73、1.28及1.04，其中，坡角為45°的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于1.35安全標(biāo)準(zhǔn)，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，坡角為60°的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.03，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，說明只有當(dāng)邊坡處于欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，才會(huì)對(duì)橋樁側(cè)摩阻力影響較大，極大降低了橋樁的抗壓極限承載力，當(dāng)邊坡處于基本穩(wěn)定或者穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，坡角增加對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響不顯著。

3.2 橋樁樁徑對(duì)橋樁承載特性的影響

為了研究橋樁樁徑對(duì)橋樁承載特性的影響，將模型邊坡坡角設(shè)置為45°，橋樁位置設(shè)置在離坡腳水平距離25m處，其埋置深度為25m，橋樁直徑設(shè)置為0.5m、1.0m、1.5m以及2.0m，再對(duì)橋樁樁頂逐級(jí)施加荷載，得到不同樁徑下橋樁樁頂荷載-位移的變化曲線和不同樁徑的樁身軸力曲線。如圖7～圖9所示。

由圖7可知，當(dāng)對(duì)樁頂施加的荷載較小時(shí)，橋樁樁頂沉降曲線呈線性變化，橋樁初始變形為彈性變形，樁徑改變對(duì)橋樁樁頂沉降位移變化影響不大，隨著荷載逐漸增加，不同樁徑的樁頂沉降位移開始出現(xiàn)差異，樁徑為0.5m時(shí)，橋樁沉降曲線與其余各組差異較為明顯，當(dāng)樁頂荷載達(dá)到15000kN時(shí)，橋樁樁頂位移曲線率先發(fā)生突變，表明樁徑為0.5m的橋樁達(dá)到了極限荷載，其余樁徑的樁頂位移曲線隨著樁徑增加依次發(fā)生突變。將樁徑為0.5m的沉降曲線與其余各組的沉降曲線進(jìn)行對(duì)比，可知樁徑太小會(huì)導(dǎo)致橋樁豎向極限承載力明顯降低，而橋樁樁徑較大時(shí)，對(duì)橋樁抗壓承載力的影響較為有限。

由圖8和圖9可知，橋樁樁身軸力隨著深度增加逐漸降低，表明橋樁主要是靠側(cè)摩阻力來承擔(dān)荷載，當(dāng)樁徑為0.5m，樁頂荷載達(dá)到18000kN時(shí)，橋樁樁端軸力變化較為明顯，表明此時(shí)側(cè)摩阻力已無法承擔(dān)樁頂荷載，樁身與土體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。

3.3 橋樁埋置深度對(duì)橋樁承載特性的影響

為了研究橋樁埋置深度對(duì)橋樁承載特性的影響，將模型坡角設(shè)置為45°，橋樁樁徑設(shè)置為1m，橋樁位置設(shè)置在離坡腳水平距離25m處，橋樁埋置深度分別設(shè)置為20m、25m、30m，再對(duì)橋樁樁頂逐級(jí)施加荷載，得到不同埋置深度的橋樁樁頂荷載位移曲線及橋樁樁身軸力曲線。如圖10～圖12所示。

橋樁在荷載較低時(shí)均發(fā)生彈性變形。在相同荷載的情況下，橋樁埋置深度越小，樁頂沉降量越大，且這種變化隨著荷載增加更加顯著，橋樁極限承載力也隨著橋樁埋置深度增加而變大。根據(jù)樁身軸力曲線可知，橋樁主要通過側(cè)摩阻力來承擔(dān)荷載，埋深20m的橋樁在15000kN荷載作用下，樁端軸力發(fā)生了突變，此時(shí)側(cè)摩阻力已無法承擔(dān)荷載，而埋深30m的橋樁在24000kN時(shí)樁端軸力才發(fā)生突變，當(dāng)橋樁埋置深度較淺時(shí)，樁土接觸面積較小，不利于發(fā)揮側(cè)摩阻力。

3.4 橋樁設(shè)置位置對(duì)橋樁承載特性的影響

為了研究橋樁設(shè)置對(duì)橋樁承載特性的影響，將模型坡角設(shè)置為45°，橋樁樁徑設(shè)置為1m，橋樁埋置深度設(shè)置為25m，將橋樁分別設(shè)置在離坡腳水平距離10m、25m以及40m處，得到不同位置下橋樁樁頂沉降位移曲線及樁身軸力變化曲線。如圖13～圖15所示。

橋樁初始沉降曲線呈現(xiàn)近似直線，沒有出現(xiàn)較為明顯的拐點(diǎn)。隨著加載級(jí)數(shù)逐漸增加，不同位置的橋樁樁頂沉降位移也出現(xiàn)差異，且樁頂沉降量的差異隨著荷載增加而逐漸增加，在離坡腳水平距離40m的橋樁沉降位移曲線先發(fā)生突變，然后水平距離為25m和10m的橋樁依次發(fā)生突變。根據(jù)樁身軸力曲線變化規(guī)律，在相同荷載作用下，相同深度處離坡腳水平距離越遠(yuǎn)，橋樁軸力越大，當(dāng)樁頂荷載達(dá)到16000kN時(shí)，離坡腳水平距離40m處的橋樁樁端軸力出現(xiàn)突變，而水平距離10m處橋樁在樁頂荷載達(dá)到21000kN時(shí)樁端軸力發(fā)生突變，表明橋樁受到的側(cè)摩阻力隨著離坡腳水平距離增加而變小。

4 結(jié)論

本文通過MIDAS GTS模擬不同因素對(duì)橋樁承載特性的影響，根據(jù)模擬結(jié)果得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。1）邊坡坡角對(duì)橋樁承載力存在影響，當(dāng)坡角較小時(shí)，邊坡穩(wěn)定性較高，坡角增加對(duì)橋樁承載力影響不大，當(dāng)邊坡處于欠穩(wěn)定或不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，坡角增加會(huì)導(dǎo)致橋樁所受到的側(cè)摩阻力變小，最大程度地減少橋樁的極限承載力。2）當(dāng)樁頂荷載較小時(shí)，樁頂沉降位移曲線呈線性變化，在相同荷載作用下，橋樁樁徑或埋置深度越大，樁頂沉降量越小，隨著荷載逐漸增加，樁徑為0.5m以及埋置深度為20m的橋樁樁頂位移曲線先發(fā)生突變，且這種位移曲線突變會(huì)隨著樁徑和埋置深度增加依次出現(xiàn)，樁徑和橋樁埋置深度增加會(huì)使橋樁表面與土體的接觸面積變大，導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力增加。3）橋樁位置變化對(duì)橋樁極限承載力的影響較為顯著，在相同級(jí)數(shù)荷載的加載作用下，橋樁離坡腳水平距離越遠(yuǎn)，樁頂沉降位移越大。橋樁抗壓極限承載力隨著離坡腳水平距離逐漸增加也在增加。

參考文獻(xiàn)

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