承重阻滑樁受力特性分析

李小英 杜 鵬 任慶芳

（三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002）

承重阻滑樁在山區高速公路建設及山區城鎮建設中應用廣泛，除了承受上部結構傳來的荷載（見圖1）以外，還受到樁后的橫向滑坡推力，其次是樁前土體抗力（由樁前土體剩余抗滑力、被動土壓力或彈性抗力中最小者決定）［1］，是受力狀態極為復雜的結構基礎形式之一.研究承重阻滑樁的受力變形特性及分析計算方法成為樁基工程設計又一新的課題.李彰明［2］結合工程實踐，實施了土質邊坡建筑樁基水平荷載試驗，研究了在水平力作用下樁基變形特征及承載力；于玉貞［3］為研究抗滑樁加固邊坡的地震響應和樁土相互作用規律，利用土工離心機及專用振動臺進行了砂土邊坡的動力離心機試驗；楊柏坡［4］研究了山坡上結構地震反應的特點；趙明華［5］采用p－y曲線法描述樁－巖（土）界面接觸非線性問題，建立了考慮多種因素的微分方程并得到了相應的有限差分解，實例分析表明，以該方法分析承重阻滑樁的內力及位移是可行的.直接采用整體有限元法分析承重阻滑樁在靜、動力荷載作用下受力特性的研究成果較少，本文基于樁－土相互作用分析方法，建立整體有限元分析模型，分析靜、動力荷載作用下承重阻滑樁的受力特性.

1 承重阻滑樁受力特性

本文采用了Plaxis有限元軟件模擬計算，其計算模型的幾何尺寸如圖2所示.承重阻滑樁距坡底的水平距離為111m.滑體和滑床采用15節點三角形單元模擬，承重阻滑樁采用梁單元來模擬，滑帶以及樁－土相互作用面用界面單元模擬.滑體、滑帶和滑床采用Mohr－Coulomb模型，承重阻滑樁采用線彈性模型，材料參數見表1.在有限元分析過程中，主要研究的對象為承重阻滑樁、滑體和滑帶，在這些部位可能出現強烈的應力集中或大變形，因此對此部分網格進行加密處理，如圖3所示.

圖1 承重阻滑樁受力分析圖

圖2 計算模型尺寸

圖3 計算模型有限元網格

表1 材料參數表

在靜力作用下，采用固定邊界，當考慮地震荷載時，采用粘性邊界.地震動輸入采用一致加速度輸入法，地震動采用El－Centro波，持時30s，時間間隔0.02s，加速度時程曲線及頻譜曲線如圖4所示.

圖4 El－Centro波

本文研究中設計了3大類工況：靜力單獨作用不考慮地下水（工況1～13）、靜力單獨作用并考慮地下水（工況14～16）、靜、動力作用并考慮地下水（工況15、17～20），見表2，水位以坡底為相對高程.模型計算時，靜力計算模擬設置兩道工序，第一工序激活承重阻滑樁，第二工序激活樁頂荷載；靜、動力計算模擬也設置兩道工序，第一工序計算靜力作用下樁的受力，第二工序計算動力荷載作用下樁的受力情況，通過計算，得出樁的內力.

表2 計算工況

2 承重阻滑樁受力變形特性分析

2.1 樁頂靜荷載對樁內力分布的影響

水平力單獨作用下樁內力分布如圖5所示，隨著作用力的增大，在樁受力段，由于推力作用，樁左側土體發生位移，致使樁的抗力作用逐漸減小，因而剪力逐漸增大，在嵌固段，在推力作用下，樁左側土體雖發生位移，但是很小，當作用力增加時，樁的抗力也逐漸增大，但剪力也是逐漸增大的，并且是先增大后減小，最大剪力值達到4.8×103kN，位于嵌固段的中間部位.樁在樁頂與嵌固底端彎矩為零，樁體的彎矩隨作用力的增大而逐漸增大，并且在受力段與嵌固段的接觸點最為明顯，最大彎矩為7.05×104kN·m，而且在水平力為1 000kN作用時比無水平力作用下增大約34%，但是，水平作用力對樁的軸力影響較小，并且靠近樁底處出現拉力.

圖5 水平力作用下樁內力變化特性

豎向力單獨作用下樁內力分布如圖6所示.隨著作用力的增大，樁所受剪力與彎矩變化甚微，剪力在嵌固段出現先增大后減小現象，彎矩在受力段與嵌固段的接觸點處達到最大值，而樁在受力段，由于滑體推力作用，樁左側土體發生位移，致使樁土間摩擦力逐漸減小，導致軸力隨作用力的增加逐漸增大.在嵌固段，樁左側土體發生位移甚微，當作用力增大時，雖然樁土之間的摩擦力逐漸增大，但樁內軸力也是逐漸增大的，并且在受力段與嵌固段的接觸點處，最大軸力為1.8×103kN，最小軸力為0.83×103kN，最大軸力約為最小的2.2倍，在無豎向力作用或豎向作用力偏小時，靠近樁底處有可能出現拉力.

圖6 豎向力對樁的影響

相同水平力和豎向力共同作用下樁內力如圖7所示.隨著作用力的增大，在樁受力段，由于推力作用，樁左側土體發生位移，致使樁的抗力作用逐漸減小，樁土間摩擦力逐漸減小，導致樁內剪力和軸力逐漸增大，而在嵌固段，樁左側土體發生位移甚微，當作用力增大時，雖然樁的抗力與樁土間的摩擦力逐漸增大，但樁內的剪力與軸力也是逐漸增大的，樁內彎矩也隨著作用力的增大而增大，并且彎矩在受力段與嵌固段的接觸點處達到最大，最大作用力下的彎矩為7.05×104kN·m，它約為最小作用力下彎矩的1.34倍.

圖7 水平力和豎向力共同作用時對樁的影響

2.2 地下水位對樁內力分布的影響

在水平力與豎向力都為1 000kN，同時作用于樁頂時，考慮水位為0、100m、200m、300m4種情況，不同地下水位樁內力圖如圖8所示，當水位為300m時，樁內產生較大剪力與彎矩，最大剪力值與彎矩值分別為7.0×103kN、9.98×104kN·m.與無地下水作用時相比，受力段與嵌固段相接處，剪力大約是無地下水位的1.5倍，彎矩約為無地下水作用時彎矩的1.4倍，而有地下水作用時，由于地下水的浮托作用，隨水位高程變化，樁內剪力與彎矩變化較小，并且遠大于無地下水作用時的情況，由此看來，地下水的存在，減小了樁土之間的摩擦力作用.

圖8 地下水位對樁的影響

2.3 地震荷載作用對樁內力分布的影響

考慮地下水位影響，在水位高程為200m及樁頂同時作用水平力與豎向力都為1 000kN情況下，輸入峰值強度不同的El－Centro波（頻譜、持時相同），樁內力如圖9所示.隨著輸入地震動峰值強度的增大，樁所受剪力與彎矩逐漸增大，在受力段與嵌固段相接處，最大地震動峰值強度情況下的彎矩為1.66×105kN·m，約為無地震動作用時的3.3倍，樁受力段與嵌固段的軸力也逐漸增大，并且在嵌固段變化較為明顯，最大軸力達到2.047×104kN.這是因為整體在地震荷載作用下，就相當于樁身受到一個水平力作用.

圖9 地震強度對樁的影響

3 結 論

本文基于樁－土相互作用分析方法，建立了整體有限元分析模型，分析了靜、動力荷載作用下承重阻滑樁的受力特性，結論如下：

1）不考慮地下水時，隨著作用力的增大，樁內力逐漸增大，尤其是受力段與嵌固段的接觸處.

2）考慮地下水作用時，由于水的浮托作用，減小了樁土之間的摩擦力，故有水作用時比無水作用樁內力增大.

3）在地震荷載作用下，隨著輸入地震動峰值強度的增大，樁所受剪力與彎矩逐漸增大，在受力段與嵌固段相接處，最大地震動峰值強度情況下的彎矩約為無地震動作用時的3.3倍，樁受力段與嵌固段的軸力也逐漸增大.由于整體在地震荷載作用下，就相當于樁身受到一個水平力作用，且土體上部結構與樁底附近在載荷作用下為受力主要工作區，對地震響應有較大貢獻.

［1］ 鄔龍剛，曹旭華，趙明華.承重阻滑樁受力影響因素分析［J］.公路工程，2009，34（2）：16－22.

［2］ 李彰明，全國全，劉 丹，等.土質邊坡建筑樁基水平荷載試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2004，23（6）：930－935.

［3］ 于玉貞，鄧麗軍.抗滑樁加固邊坡地震響應離心機模型試驗［J］.巖土工程學報，2007，29（9）：1320－1323.

［4］ 楊柏坡，楊笑梅.復雜場地結構地震反應的研究［J］.地震工程與工程振動，1997，17（2）：10－16.

［5］ 趙明華，鄔龍剛，劉建華.基于p－y曲線法的承重阻滑樁內力及位移分析［J］.巖石力學與工程學報，2007，26（6）：1220－1225.