橋梁樁基對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性影響研究

焦全民

（山西交通控股集團(tuán)有限公司 朔州高速公路分公司，山西 朔州 036000）

隨著《山西省“十三五”綜合交通運(yùn)輸體系規(guī)劃》的逐步推進(jìn)，到2020年，預(yù)計(jì)山西省內(nèi)公路通車?yán)锍踢_(dá)到15萬km，“三縱十二橫十二環(huán)”高速公路網(wǎng)全部通車運(yùn)營[1]，目前省內(nèi)多條高速公路重點(diǎn)項(xiàng)目正在進(jìn)行規(guī)劃和建設(shè)。山西地處黃土高坡，具有黃土地區(qū)溝壑縱橫、坡陡溝深的典型地質(zhì)地貌特征。在高速公路建設(shè)過程中，將大量采用橋梁樁基形式跨越溝谷地區(qū)。而黃土地區(qū)橋梁樁基施工對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響也得到了同行業(yè)從業(yè)人員的廣泛關(guān)注。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在樁基對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響方面進(jìn)行了一系列研究。Won等[2]基于有限差分軟件采用強(qiáng)度折減法計(jì)算了抗滑樁加固邊坡的安全系數(shù)，并與傳統(tǒng)極限平衡法進(jìn)行了比較。Ashour等[3]提出了一種考慮樁間距對(duì)樁土界面影響的數(shù)值計(jì)算方法，并基于此方法研究了樁徑、樁位以及樁間距對(duì)加固邊坡穩(wěn)定性的影響。王聰聰?shù)萚4]、蔣鑫等[5]采用數(shù)值計(jì)算軟件分析了樁體參數(shù)以及界面尺寸等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

本文以山西境內(nèi)某黃土邊坡上在建橋梁樁基為依托工程，研究不同土體強(qiáng)度、臨坡距以及坡度對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響，探明在上述參數(shù)影響下邊坡臨界滑移面及安全系數(shù)變化規(guī)律。

1 數(shù)值計(jì)算模型

依托工程現(xiàn)場(chǎng)地層主要為黃土，褐紅色，中密，稍濕，夾薄層粉質(zhì)黏土，含零星圓礫。天然含水率16.8%，天然重 18.0 kN/m3，相對(duì)密度 2.71，孔隙比0.76，塑限 16.4，液限 24。

根據(jù)依托工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用數(shù)值仿真軟件建立如圖1所示的已施作橋梁樁基的階梯狀邊坡數(shù)值計(jì)算模型。模型底部寬66 m，高45 m，厚4 m。模型底部固定，四周法向約束，頂部自由。考慮結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，取半樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，抗滑樁截面為邊長2 m的正方形，樁長30 m。邊坡土體采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，樁基采用線彈性模型，樁-土之間設(shè)置接觸面單元，接觸面單元的摩擦參數(shù)（即樁-土界面摩擦角和黏聚力）取為樁周土體摩擦參數(shù)的0.7倍。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型（單位：m）

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 土體強(qiáng)度

研究表明含水率對(duì)黃土內(nèi)摩擦角的影響較小，而對(duì)黏聚力影響較大[6-7]。數(shù)值計(jì)算時(shí)內(nèi)摩擦角取30°，黏聚力分別取 25 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa和60 kPa，以研究土體強(qiáng)度對(duì)已施作橋梁樁基的邊坡穩(wěn)定性影響。

圖2為基于強(qiáng)度折減理論計(jì)算出的邊坡臨界失穩(wěn)狀態(tài)下的塑性應(yīng)變?cè)隽吭茍D。塑性應(yīng)變?cè)隽吭谝欢ǔ潭壬戏从乘苄宰冃伟l(fā)展的快慢，塑性應(yīng)變?cè)隽吭酱螅砻鞔颂幵饺菀装l(fā)生滑動(dòng)破壞。因此邊坡不同位置處塑性應(yīng)變?cè)隽孔畲笾档倪B線在一定程度上可表示邊坡臨界滑移面。從圖中可看出，邊坡臨界滑移面近似呈圓弧形，滑移面出口在下邊坡坡腳位置，橋梁樁基的存在使得滑移面在樁基位置處出現(xiàn)一定的不連續(xù)性。當(dāng)土體強(qiáng)度較低時(shí)，臨界滑移面較淺，下邊坡首先發(fā)生滑移破壞。隨著土體強(qiáng)度增大，邊坡臨界滑移面逐漸向深處移動(dòng)，最終滑移面貫穿整個(gè)邊坡體。圖3為邊坡安全系數(shù)與土體強(qiáng)度的關(guān)系曲線，從圖中可看出，土體黏聚力越大，邊坡安全系數(shù)越大，基本呈正線性相關(guān)。

圖2 不同土體強(qiáng)度下邊坡臨界滑移面

圖3 不同強(qiáng)度參數(shù)下邊坡安全系數(shù)

2.2 臨坡距

臨坡距在一定程度上反映樁體承受樁前、樁后土壓力的不平衡程度。為研究橋梁樁基臨坡距對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響，分別取臨坡距為0 m、2 m、4 m、6 m、8 m進(jìn)行計(jì)算。

圖4為不同臨坡距下邊坡臨界失穩(wěn)時(shí)塑性剪切應(yīng)變?cè)隽糠植荚茍D。從圖中可以看出，當(dāng)臨坡距較小時(shí)，邊坡臨界滑移面貫通整個(gè)邊坡；當(dāng)臨坡距較大時(shí)，邊坡臨界滑移主要發(fā)生在階梯狀邊坡的下邊坡。圖5為不同臨坡距下邊坡安全系數(shù)變化曲線，從圖中可以看出隨臨坡距的增大邊坡安全系數(shù)先增大后減小。

圖4 不同臨坡距下邊坡臨界滑移面

圖5 不同臨坡距下邊坡安全系數(shù)

2.3 坡度

為研究坡度對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響，數(shù)值計(jì)算中上邊坡坡比取為2∶1，分別取下邊坡坡比為2∶1、4∶3、1∶1和1∶1.5進(jìn)行計(jì)算。

圖6為不同坡比下邊坡臨界失穩(wěn)時(shí)塑性剪切應(yīng)變?cè)隽糠植荚茍D。從圖中可以看出，當(dāng)坡度較大時(shí)，邊坡臨界滑移面主要出現(xiàn)在下邊坡；當(dāng)坡度較小時(shí)，邊坡臨界滑移貫通整個(gè)邊坡，且在上邊坡出現(xiàn)臨界滑移面。圖7為不同坡度下邊坡安全系數(shù)變化曲線，從圖中可以看出隨坡度的減小，邊坡安全系數(shù)逐漸增大。

圖6 不同坡角下邊坡臨界滑移面

圖7 不同坡比下邊坡安全系數(shù)

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)不同土體強(qiáng)度、臨坡距以及坡度下的橋梁樁基邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。數(shù)值模擬結(jié)果及相關(guān)結(jié)論如下：當(dāng)土體強(qiáng)度較小，臨坡距和坡度較大時(shí)，臨界滑移面主要發(fā)生在階梯狀邊坡的下邊坡，此時(shí)邊坡安全系數(shù)較小；隨土體強(qiáng)度增大，臨坡距以及坡度的減小，臨界滑移面逐漸向邊坡深處移動(dòng)，邊坡失穩(wěn)由淺層滑移轉(zhuǎn)化為深層滑移，最終貫通整個(gè)邊坡。