陡坡與橋梁樁基相互影響及穩(wěn)定性分析

曹博成

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

陡坡地段的樁基與平地普通樁基有所不同，主要表現(xiàn)在以下幾方面：樁基所處地理位置特殊，大多數(shù)樁都深入風(fēng)化巖層，根據(jù)受力特性又分為不同的類型；橋梁樁基不僅承受豎向荷載和水平荷載，還承受邊坡土體帶來(lái)的側(cè)向土壓力；樁體在使用過(guò)程中除了滿足承載力的要求，還要滿足抗滑穩(wěn)定性，因此在使用過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制樁體的沉降量和位移偏位。

1 陡坡段橋梁基樁受力特性

陡坡段的橋梁基樁受力特性與其他形式基礎(chǔ)不同，普通橋梁樁基主要承受豎向荷載和水平荷載，當(dāng)存在邊坡且坡腳與樁基位置很近時(shí)，橋梁樁基不僅承受豎向荷載和水平荷載還承受邊坡土體帶來(lái)的側(cè)向土壓力。為了更好地研究陡坡地段橋梁樁基的受力特性，認(rèn)為樁基承受豎向作用和水平作用時(shí)表現(xiàn)的是“主動(dòng)樁”的特性，而樁基承受側(cè)向土壓力時(shí)表現(xiàn)的是“被動(dòng)樁”的特性。

工程作業(yè)當(dāng)中，挖方地段通常需要在邊坡上方修建臨時(shí)便道以保證車輛的通行、施工作業(yè)的進(jìn)行以及土方的調(diào)配和遠(yuǎn)運(yùn)，這樣就會(huì)導(dǎo)致邊坡上部負(fù)荷較大，土體的下滑力增大，從而增加土體對(duì)樁基的側(cè)向壓力，因此樁基在側(cè)向土壓力和樁頂荷載組合共同作用下使樁身變形。

2 屈曲穩(wěn)定性

2.1 模型建立

文章通過(guò)有限元模型的建立來(lái)分析橋梁樁基的屈曲穩(wěn)定性。模型建立過(guò)程中，邊坡的傾斜角度為45°，邊坡的總長(zhǎng)設(shè)置為75m，垂直高度為50m。對(duì)樁基基礎(chǔ)穩(wěn)定性進(jìn)行分析之前應(yīng)對(duì)周邊土的初始應(yīng)力進(jìn)行調(diào)查，然后根據(jù)初始應(yīng)力建立分析模型，文章中確定的樁基周邊土性質(zhì)與樁的土體性質(zhì)相同，邊坡坡腳設(shè)置為45°，各層材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

模型建立過(guò)程中采用六節(jié)點(diǎn)模型，通過(guò)模型求解每個(gè)位置對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。得到相應(yīng)位置的應(yīng)力后，刪除樁基所在位置的土體單元，同時(shí)在該位置建立樁基的模型，然后將得到的應(yīng)力值導(dǎo)入，此時(shí)假設(shè)為樁基和土體的變形相協(xié)調(diào)。應(yīng)用分析軟件ADINA對(duì)建立的模型進(jìn)行屈曲穩(wěn)定性分析，分析模型如圖1所示。

圖1 屈曲穩(wěn)定性分析模型

ADINA軟件在對(duì)該模型進(jìn)行屈曲穩(wěn)定性分析時(shí)所采用的方法是特征值分析法，文章主要做法如下：對(duì)基樁頂面施加一個(gè)大小為1N的荷載，然后對(duì)模型分析求解荷載數(shù)值，軟件可以通過(guò)計(jì)算過(guò)程中的應(yīng)力和變形得到荷載因子，然后求解臨界荷載值（臨界荷載值=樁基頂面荷載×相對(duì)應(yīng)的荷載因子）。

樁-土體組合經(jīng)過(guò)屈曲穩(wěn)定性分析后得到最終的變形結(jié)果，通過(guò)圖形和數(shù)值的分析可得臨界荷載因子為6.689×108，根據(jù)以上計(jì)算公式可知此時(shí)的臨界荷載值為1N乘以荷載因子6.689×108，通過(guò)計(jì)算可得臨界荷載值約為6.689×108N。

2.2 影響因素

（1）彈性模量的影響。隨自由段長(zhǎng)度增大時(shí)臨界荷載的變化曲線如圖2所示。屈曲臨界荷載值隨自由段的增加而出現(xiàn)反比現(xiàn)象，即當(dāng)自由段長(zhǎng)度增加時(shí)，對(duì)應(yīng)的臨界荷載值呈下降的趨勢(shì)，穩(wěn)定計(jì)算長(zhǎng)度值呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。當(dāng)樁體埋入土體的深度h與樁的自身長(zhǎng)度l的比值大于0.62時(shí)，屈曲穩(wěn)定性受彈性模量E的影響不大，當(dāng)樁身屈曲點(diǎn)由坡體以上變化到坡面以下時(shí)，樁體水平地基抗力對(duì)基樁屈曲穩(wěn)定性的影響比樁身材料強(qiáng)度的影響大；當(dāng)埋入比小于0.62時(shí)，樁身的屈曲穩(wěn)定點(diǎn)位于自由段，基樁穩(wěn)定性受彈性模量的影響較為明顯。因此陡坡地段上的橋梁樁基在施工時(shí)應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)穆袢氡?，以保證樁基的穩(wěn)定性，防止發(fā)生樁基失穩(wěn)的現(xiàn)象。

圖2 臨界荷載變化圖

（2）樁徑的影響。樁徑作為橋梁樁體受力和變形的一個(gè)重要控制指標(biāo)，其對(duì)樁基的屈曲穩(wěn)定性也很敏感。樁徑分別為0.5d、1d、1.5d、2d時(shí)穩(wěn)定計(jì)算長(zhǎng)度隨自由段長(zhǎng)度變化曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著自由段長(zhǎng)度不斷增加，臨界荷載出現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)，且減小速率先緩慢減小，然后加速減小，最后急速下降。相應(yīng)的計(jì)算長(zhǎng)度變化則與臨界荷載變化相反，先緩慢增長(zhǎng)，然后增長(zhǎng)速率提升，最后增長(zhǎng)速率最快。由圖3可以分析出對(duì)應(yīng)的臨界長(zhǎng)徑比λ隨樁徑d的增大而減小。當(dāng)樁徑d取值分別為0.5倍、1倍、1.5倍、2倍、2.5倍時(shí)，屈曲臨界荷載比的數(shù)值比前一個(gè)數(shù)值增大倍數(shù)分別為5.11倍、2.01倍、1.26倍及0.79倍。通過(guò)增大數(shù)值變化可以看出屈曲臨界荷載比的增長(zhǎng)變化曲率呈“凸”形非線性。通過(guò)上述變化可以得出陡坡段橋梁基樁分析時(shí)，可通過(guò)臨界長(zhǎng)徑比λ與樁徑d的變化曲線來(lái)確定最穩(wěn)定的樁徑，從而使基樁的屈曲穩(wěn)定性得到有效提高。

圖3 穩(wěn)定計(jì)算長(zhǎng)度變化圖

（3）樁體嵌固深度影響。通過(guò)橋梁樁基屈曲穩(wěn)定性數(shù)值變化可以看出，臨界荷載值與嵌固深度呈正比變化，而穩(wěn)定計(jì)算長(zhǎng)度與嵌固深度成反比變化，且變化越來(lái)越小最終趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定計(jì)算長(zhǎng)度變化如圖4所示。當(dāng)嵌固深度為4m時(shí)，屈曲穩(wěn)定點(diǎn)的位置在自由段，但隨著嵌固段長(zhǎng)度的增加、自由段長(zhǎng)度的減小，屈曲穩(wěn)定點(diǎn)開(kāi)始向下移動(dòng)；當(dāng)嵌固段達(dá)到15m時(shí)，基樁臨界荷載值和穩(wěn)定計(jì)算長(zhǎng)度開(kāi)始出現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)。通過(guò)控制變量法來(lái)分析嵌固深度增加時(shí)臨界荷載趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。其他參數(shù)保持不變，嵌固深度從0m到16m每間隔4m增加，分別為0m、4m、8m、12m、16m，其臨界荷載值也逐漸增大，后者比前者分別增大155%、39%、26%和11%；當(dāng)嵌固深度達(dá)到16m時(shí)，每間隔4m增加，對(duì)應(yīng)的臨界荷載值逐漸遞減。通過(guò)以上變化規(guī)律可知，分析橋梁樁基的屈曲穩(wěn)定性時(shí)，嵌固深度可作為一個(gè)必要的影響因素，當(dāng)嵌固深度達(dá)到16m以上時(shí)，增加嵌固深度對(duì)屈曲穩(wěn)定性并沒(méi)有太大提高作用。

圖4 穩(wěn)定計(jì)算長(zhǎng)度變化圖

3 結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)陡坡地段的樁基穩(wěn)定性進(jìn)行分析得出以下結(jié)論：

（1）橋梁樁基不僅承受豎向荷載和水平荷載，還承受邊坡土體帶來(lái)的側(cè)向土壓力；

（2）陡坡地段應(yīng)合理選擇彈性模量，保證樁基的屈曲穩(wěn)定性；

（3）可通過(guò)臨界長(zhǎng)徑比λ與樁徑d的變化曲線來(lái)確定最穩(wěn)定的樁徑，從而使樁基的屈曲穩(wěn)定性得到有效提高；

（4）進(jìn)行橋梁樁基的屈曲穩(wěn)定性分析時(shí)，嵌固深度可作為一個(gè)必要的影響因素，一定范圍內(nèi)，屈曲穩(wěn)定性與嵌固深度成正比變化；當(dāng)嵌固深度達(dá)到16m以上時(shí)并沒(méi)有太大提高作用。