黃土地區(qū)陡崖坡段樁基合理臨坡距研究

張 華，張正琦，程 高，田伯科

(1.中鐵七局集團第三工程有限公司，陜西 西安 710000；2.陜西鐵路工程職業(yè)技術學院，陜西 渭南 714000；3.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；4.長安大學 陜西省公路橋梁與隧道重點實驗室，陜西 西安 710064)

0 引 言

我國西部黃土地區(qū)屬山嶺重丘區(qū)，為適應其溝壑縱橫的地形特征，標準化、裝配化的中小跨徑山區(qū)公路梁式橋因施工周期短、經(jīng)濟效應顯著的優(yōu)點，在公路中所占比重大，優(yōu)勢突出[1]。考慮對生態(tài)環(huán)境和耕地資源的保護,西部山區(qū)高速公路橋梁橋墩和基礎常采用深度較大的樁柱一體式，導致下部結構樁址多立于陡坡上[2]，個別甚至直接立于陡崖之上，樁-土作用復雜，邊坡穩(wěn)定性問題敏感異常。將坡頂樁基與樁前坡頂?shù)木嚯x定義為臨坡距，受環(huán)境條件、設計認知和施工技術水平因素影響，陡崖處樁基常因臨坡距選取不當，造成崖頂樁基頂部樁土分離、土體開裂和邊坡滑移等現(xiàn)象，嚴重影響施工安全和工程質(zhì)量。開展黃土地區(qū)陡崖軟弱坡段樁基合理臨坡距研究，有助于研究陡崖坡段樁基的工作狀況及樁-土作用狀態(tài)，制定合理有效的邊坡穩(wěn)定防護措施，對提高山區(qū)樁基施工安全、保證施工質(zhì)量和中小跨徑裝配式梁橋在山區(qū)的推廣具有重要意義。

按山坡的縱向坡度，坡度大于25°可視為陡坡[3]。黃土陡坡區(qū)邊坡高度大、坡度陡,易發(fā)生黃土滑坡、崩塌等地質(zhì)災害[4]，國內(nèi)外專家學者對陡坡地段樁基的安全防護也做了很多研究。S.M ZOMORODIAN等[5]得出通過增加樁基埋深和坡頂樁身臨坡距離，減小土體坡度和樁體表面摩擦剛度可以增大樁側(cè)阻力論；段瑞芳等[6]研究認為臨坡距和邊坡系數(shù)對斜坡樁基豎向承載力的影響互成耦合關系，且均正相相關；程劉勇等[7]得出斜坡樁基水平承載力與坡度呈負相關、與臨坡距呈正相關，同級荷載下，樁身水平位移隨臨坡距增大而減小；欒娟等[8]研究表明樁基極限承載力與斜坡坡度呈反比關系，隨臨坡距增大樁側(cè)摩阻力增加，而樁端阻力變化不大；鄭軼軼[9]研究認為，固深度和設樁位置會對邊坡破壞形式產(chǎn)生較大影響,抗滑樁的位置直接影響邊坡安全系數(shù)的和破壞形式,推薦最佳設樁位置為邊坡的中下部；劉士乙等[10]通過研究認為以峰值強度作為破壞點，采用有限元極限平衡法評價坡體的穩(wěn)定性，可以克服應用極限平衡法高估土體的強度的缺點,適用于考慮漸進破壞的穩(wěn)定分析。

現(xiàn)有成果側(cè)重于對斜坡抗滑樁樁基承載力的研究分析，對土體的破壞和穩(wěn)定分析研究較少。對于垂直邊坡，樁側(cè)土體不對稱性明顯，力學模型實現(xiàn)難度大。為此，筆者擬圍繞垂直坡段邊坡穩(wěn)定性，以樁身至樁前臨坡距離為參數(shù)，利用ABAQUS建立非線性有限元模型，采用強度折減法分析不同臨坡距對邊坡穩(wěn)定性、土體位移和樁土接觸狀態(tài)的影響，歸納總結土體達到極限穩(wěn)定狀態(tài)時的塑性分布和樁土接觸特征，以便于有針對性地制定高陡邊坡穩(wěn)定加固方案。

1 工程實例

某特大橋上部結構為40 m裝配式預應力混凝土連續(xù)箱梁，K179+250～K179+780段主要為黃土臺塬沖溝地貌，下部結構為樁柱一體式，樁徑多為2 m,該標段6#墩設于80°陡崖坡頂處，工程地質(zhì)縱斷面如圖1。

圖1 工程地質(zhì)縱斷面(單位：m)

由于樁基臨坡距選擇不當，樁基頂部出現(xiàn)樁間土體開裂、成樁后邊坡位移過大的現(xiàn)象，如圖2。

圖2 樁基坡頂土體開裂

2 非線性有限元模型

針對因樁址臨坡距選擇不當造成的問題，需以臨坡距為參數(shù)建立樁土模型，分析臨坡距對該陡崖段樁土作用的影響。由對稱性取1/2樁間距范圍建立三維樁土有限元模型，采用強度折減法進行分析，得到不同臨坡距對邊坡穩(wěn)定性、土體位移和樁土接觸狀態(tài)的影響，從而評價邊坡穩(wěn)定性和樁土作用狀態(tài)。

模型分析中有5點基本假定:①土層均為均質(zhì)、各向同性彈塑性體；②樁基視為均質(zhì)、各向同性彈性體；③不考慮施工因素對樁周土體影響；④達到極限狀態(tài)時,只考慮樁周的土體破壞，樁身不發(fā)生破壞；⑤樁土接觸面界面摩擦因數(shù)在分析過程中保持不變。

2.1 邊坡及樁基參數(shù)

根據(jù)依托工程地質(zhì)勘查資料和現(xiàn)場實際情況，邊坡尺寸參數(shù)確立如圖3，考慮計算效率由對稱性取3.4 m(1/2樁間距)范圍建立三維樁土有限元模型,如圖3。

圖3 模型示意

陡崖上層土質(zhì)為Q3eol黃土，深27 m，持力層土質(zhì)為Q2al+ql粉質(zhì)黏土，深48 m，依據(jù)工程地質(zhì)勘查資料結合《工程地質(zhì)手冊》[11]，材料物理參數(shù)如表1。

2.3 本構模型與模擬

鋼筋混凝土樁基材料采用線彈性本構模擬，線彈性本構能較好模擬鋼筋混凝土樁基的受力性能。樁周土體采用實用簡便的Mohr-Coulomb彈塑性屈服準則模擬，Mohr-Coulomb彈塑性本構積累了大量的試驗資料和工程應用經(jīng)驗，且結果符合較好，比較適合模擬單調(diào)荷載下顆粒狀材料的剪切破壞，能更好描述土體[12-13]。

有限元強度折減法是通過不斷對土體材料的強度參數(shù)(黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ)進行折減，直到邊坡達到臨界失穩(wěn)狀態(tài)，對應的折減系數(shù)定義為安全系數(shù)。折減抗剪強度參數(shù)如式(1)，式(2)：

cm=c0/Fr

(1)

φm=arctan(tanφ0/Fr)

(2)

式中：Fr為強度折減系數(shù)；c0、cm分別為土體折減前、后的黏聚力；φ0、φm分別為土體折減前、后的內(nèi)摩擦角。

為了得到一個平衡穩(wěn)定的折減起點，分析開始將強度提高到原來的3.3倍，即安全系數(shù)從0.3開始，到2中止。通過邊坡彈塑性分析中分析時步的增加，借助場變量與計算時步和材料參數(shù)之間建立關系，來更新材料參數(shù)確定當前的折減系數(shù)，邊坡失穩(wěn)時的折減系數(shù)即邊坡的最終安全系數(shù)[14]，以特征部位的位移出現(xiàn)拐點作為邊坡失穩(wěn)判據(jù)[15]。

2.4 界面關系與邊界條件

樁-土界面接觸模型由樁與樁周土體界面的法向接觸和切向摩擦組成，樁體剛度較大作為主面，樁周土體作為從面，其中摩擦系數(shù)μ=tan(0.75φ)[16]。限制坡體底部各平動自由度，土體側(cè)面和坡背、坡腳下土臺僅限制法向平動自由度，釋放其它方向的約束。對樁和土施加重力荷載[17]。

2.5 單元類型與網(wǎng)格劃分

基于ABAQUS，樁和土體均采用C3D8八結點線性六面體實體單元模擬。采用結構化網(wǎng)格劃分技術，劃分情況如圖3。

3 結果與分析

為掌握臨坡距和陡崖邊坡穩(wěn)定性關系，分析樁-土作用建立后強度折減過程中，不同臨坡距對邊坡安全系數(shù)、土體位移和樁土接觸狀態(tài)的影響。

3.1 樁周土體位移與邊坡穩(wěn)定

計算中止時的整體位移等值線云如圖4。由圖4可知，不同臨坡距下，成樁邊坡位移等值線云圖處于同一量綱范圍內(nèi)。隨著樁基臨坡距的增大，邊坡土體的整體位移變小，臨坡距由1倍樁徑(D)增大到2倍時尤為明顯，臨坡距為4D以上時趨于不變。圖4中位移等值線單位為mm。

圖4 土體位移等值線

極限狀態(tài)時邊坡塑性應變等值線云如圖5。由圖5可知，高陡邊坡屬于天然不利地段，由于坡度過陡、高差過大，邊坡滑動面相較于較緩坡位置靠上且滑動面形狀較陡。臨坡距為1D～3D時，樁體處于邊坡滑動面內(nèi)，土體最大塑性應變處在樁前接觸位置，隨著臨坡距的增加塑性應變有減小趨勢；臨坡距為5D時，樁體位置基本離開了坡體滑動面；臨坡距為5D以上時，塑性應變等值線云圖幾乎不再變化。圖5中應變等值的變形為με。

圖5 土體塑性應變等值線

臨坡距-邊坡安全系數(shù)關系曲線如圖6。由圖6可知，陡崖邊坡具有天然不利性，其邊坡安全系數(shù)小于1；當臨坡距為3D以下時，因樁基位置處于天然邊坡滑動面上，樁基對邊坡起到一定抗滑加固的作用，邊坡安全系數(shù)較天然邊坡大；臨坡距接近4D時，樁體位置緊鄰天然邊坡滑動面，對邊坡有一定的擾動作用，邊坡安全系數(shù)略低于天然邊坡；隨著臨坡距的進一步增大，樁基位置離天然坡體滑動面越來越遠。

圖6 臨坡距-邊坡安全系數(shù)關系曲線

3.2 樁土接觸狀態(tài)

臨坡距從小到大(從D到6D)邊坡強度折減后，樁頂土體的脫開變形(5倍放大)狀況如圖7。由圖7可知，樁體上部產(chǎn)生了彎曲變形，下部呈現(xiàn)較好的錨固狀態(tài)，局部有反彎點出現(xiàn)，變形模式符合典型的長樁變形；樁前土體產(chǎn)生了向下的失穩(wěn)滑動變形，局部土體與樁體脫開，臨坡距為4D以后脫開變形趨于穩(wěn)定，4D以下時樁基臨坡距越小，樁周土體脫開變形越嚴重。

圖7 土體脫開變形

為定量描述極限狀態(tài)下樁周土體的脫開變形情況，提取樁周土壓力隨樁長變化曲線如圖8。由圖8(a)可知，樁周接觸壓力為零，說明樁前土體與樁體之間是脫開的。隨著臨坡距從小到大，樁前土體脫開范圍先減小后趨于不變。臨坡距為1D時，距坡頂頂面約20 m范圍內(nèi)樁，前土體與樁體之間脫開，并隨臨坡距從D到6D增大，樁前土體脫開深度依次減少了7.95%、9.63%、11.18%、0.1%、0.06%。

由圖8(b)可知，臨坡距的變化，不影響土壓力沿樁身的變化規(guī)律，樁前土壓力隨著埋深先變大后變小再增大，樁后土壓力的的總體變化趨勢為經(jīng)過先變小后變大的兩個谷峰段后再減小，臨坡距離為3D以上時，樁后土壓力隨樁長變化曲線形狀幾乎一致。隨著臨坡距增大，樁前最大土壓力位置不斷上升，這是由于隨著臨坡距增大，離邊坡潛在滑動面越來越遠，樁對于坡體滑動面的限制作用越來越小。

4 結 論

筆者以臨坡距為參變量采用強度折減法進行了陡坡樁土作用實體有限元分析，得到樁基臨坡距對邊坡穩(wěn)定性、土體位移和樁土接觸狀態(tài)等影響規(guī)律。具體結論如下：

1)隨著樁基臨坡距的增大，邊坡土體的整體位移變小，臨坡距由1D增大到2D時尤為明顯，臨坡距為4D以上時趨于不變。

2)高陡邊坡屬于天然不利地段，邊坡安全系數(shù)小于1，邊坡滑動面相較于較緩坡所處坡體位置靠上且滑動面形狀較陡。臨坡距為3D以下時，由于樁基位置處于天然邊坡滑動面上，樁基對邊坡起到一定抗滑加固的作用，邊坡安全系數(shù)相比天然邊坡較大；臨坡距大于5D時，邊坡安全系數(shù)愈來愈接近于天然邊坡。

3)隨著臨坡距從小到大，樁前土體的脫開深度在不斷減小，脫開范圍先減小后趨于不變。隨著臨坡距的增大，離邊坡潛在滑動面越來越遠，樁對于坡體滑動面的限制作用越來越小，樁前最大土壓力位置不斷上升。