邊坡效應對橋梁樁基穩定性的影響分析

蔣一波 雷俊鋒 溫樹鑫

(1.中電建路橋集團有限公司，北京 100048； 2.中國水電建設集團十五工程局有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

隨著我國公路建設不斷向山區蔓延，越來越多的橋梁樁基修建在沖溝區域。沖溝區由于其地形地質水文條件的復雜性，以及樁基施工期間對巖土體環境的破壞，極易引發崩塌、滑坡等工程地質問題，給橋梁樁基造成安全隱患。其中，滑坡對橋梁樁基的不良影響最為顯著。事實上，沖溝區橋梁樁基不僅具有承載功能，還具有一定的抗滑作用，因此很有必要開展潛在滑坡體對沖溝區橋梁樁基功能的影響分析相關研究。

目前已有部分學者開展了關于潛在滑坡體對沖溝區橋梁樁基影響的研究，也取得了一系列研究成果，如于清楊[1]等運用有限元法，分析了滑坡體特征參數(滑坡體彈性模量、重度、抗剪強度)不同時，滑動面以上樁前推力及樁后剩余抗滑力的分布規律。李鐵洪[2]等提出了滑坡、巖堆、崩塌等偶然荷載作用下橋梁結構的簡化受力模型。車競[3]指出山區陡坡地段橋梁樁基的受力與平地樁相比有很大不同，會額外承受山體滑坡推力作用，于是豎向承載力設計時應考慮陡坡下滑力豎向分立外載荷的作用，對于深層滑坡，應以樁基抗剪及抗彎控制設計。楊文琦[4]研究了巖質邊坡對橋梁樁基礎的影響，并提出相關建議。

本文以四川G4216線仁壽經沐川至屏山新市(含馬邊支線)段高速公路中大梗上隧道出口段邊坡上的橋梁樁基為例，基于正交設計方法，利用FLAC3D軟件建立邊坡—樁基的三維數值模型，計算對比分析荷載組合、坡度、巖土性質和各巖層厚度各異時邊坡對于橋梁樁基的內力和位移的影響。

1 工程概況及正交試驗設計

正交試驗設計方案。正交試驗設計，是指研究多因素多水平的一種試驗設計方法。根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備均勻分散，齊整可比的特點。例如作一個三因素三水平的實驗，按全面實驗要求，須進行33=27種組合的實驗，且尚未考慮每一組合的重復數。若按L9(34)正交表安排實驗，只需作9次，顯然大大的減少了工作量。因而正交實驗設計在很多領域的研究中已經得到廣泛應用。本研究中一共有四個因素，每個因素取四個水平變量，按照“全面試驗法”將一共有44=256種實驗組合，而采用正交試驗法，則只需要做L16(45)=16次實驗，極大的減少了無用的計算量和工作量。

本次試驗通過變換不同邊坡工況探究其對橋梁樁基受力的影響，根據工程現場資料選取四因素四水平：

A.坡度:21.7°,26.7°,31.7°,36.7°。

B.邊坡各巖層厚度：1)3 m,5 m(樁打進三層巖層)；2)3 m,8.7 m(初始狀態樁打進三層巖層)；3)8 m，14 m(樁只打入兩層巖層)；4)21 m，13 m(樁只打入一層巖層)。

C.巖層性質(E，υ)見表1。

表1 巖層性質

D.荷載組合：V-x0.5e-8，V-z0.5e-7；

V-x0.5e-8，V-z1.5e-7；

V-x0.5e-8，V-z2.5e-7；

V-x0.5e-8，V-z3.5e-7。

本次試驗采用四因素四水平且不考慮交互作用，因此可以采用L16(44)表格,具體方案詳見表2。

2 數值模型建立及參數選取

2.1 數值模型建立

根據現場獲得材料可在該邊坡采用樁基礎，考慮了邊坡效應和圣維南原理之后邊坡的尺寸如下：邊坡x=340 m、邊坡z=113 m、邊坡y=226.5 m；樁基采用全埋入式，樁身位于坡中，埋入長度20 m。應用FLAC3D軟件進行數值模擬，將坡體地質情況進行簡化，從上至下分為三層：角礫層(垂直向5.3 m);粉砂質泥巖層(垂直向8.7 m)；粉砂層。邊坡模型如圖1所示。

2.2 模型本構與參數的確定

表2 四因素四水平正交表

由于本文所涉及的項目為邊坡工程且地質為巖石，因此可以選用摩爾—庫侖本構模型進行建模。

根據現場所得資料，可以確定主要參數包括：體積模量G、剪切模量K、內摩擦角ψ、粘聚力c。基于依托工程勘測資料，參數如表3所示。

表3 結構面參數取值范圍

由于第一層土的結合性較差和根據現場測得的數據可以確定內摩擦角取12°～20°，粘聚力取0.02 MPa～0.05 MPa；第二層結合性一般其內摩擦角取27°～35°，粘聚力取0.03 MPa～0.5 MPa；第三層結合性較好其內摩擦角取30°～45°，粘聚力取0.03 MPa～0.09 MPa。最終取值如表4所示。

表4 參數取值

3 計算結果及分析

以第9組為例，該組邊坡坡度為31.7°、邊坡巖層各層厚度、第一層3 m、第二層5 m。為了減少邊坡效應，根據圣維南原理將第一組的模型的尺寸取為(不考慮坡體部分)長×寬×高=340×235.955×30，坡體部分長165 m、寬226.5 m、高101.91 m。最終得到安全系數為14.000 35。相關云圖如圖2所示。

通過云圖對比發現樁基的水平位移和豎向位移自上而下漸小，這是由于樁基承受荷載后將荷載傳遞給周圍巖體，由于樁—土相互作用，激發巖體抵抗力阻礙樁基變形。在傾斜荷載作用下，處于偏壓狀態的樁基繞著自身的某一點或幾點發生撓曲變形。

4 因素敏感性分析

采用正交表設計試驗時，必須留有不排入因素或互作的空列，以作為誤差的估計值。方差分析見表5。

表5 方差分析表

由于通過方差分析的結果表明四個因素中荷載組合對樁基的水平位移影響最大，相對顯著，而其余三個因素對樁基的水平位移影響都不太明顯。

5 結語

本研究采用正交設計試驗的方法，研究了影響橋梁樁基穩定性的四種因素的主次關系，以坡度、邊坡各巖層厚度、巖層性質和荷載組合四種因素組成四因素四水平的正交試驗，利用FLAC3D軟件進行數據模擬，通過對比不同荷載組合、坡度、巖土性質和各層巖層厚度下邊坡對于橋梁樁基的內力和位移的影響，通過云圖對比發現樁基的水平位移和豎向位移自上而下漸小，這是由于樁基承受荷載后將荷載傳遞給周圍巖體，由于樁—土相互作用，激發巖體抵抗力阻礙樁基變形。在傾斜荷載作用下，處于偏壓狀態的樁基繞著自身的某一點或幾點發生撓曲變形。通過對所有模擬結果的綜合方差分析，得出四個因素中荷載組合對樁基的水平位移影響最大，相對顯著，而其余三個因素對樁基的水平位移影響都不太明顯。