深厚碎石土邊坡上特大拱橋直樁-斜樁組合群樁基礎承載性狀數值分析

曾應祝 陳旖平 彭雄志 王剛巧

（1.核工業西南設計院，四川成都 610000；2.西南交通大學，四川成都 610031）

0 引言

我國西部山區地形陡峭險峻，對于陡坡上的橋梁基礎，一方面來自橋梁荷載作用在基礎上，使得邊坡巖土體中的應力變得復雜化，從而影響坡體穩定性；另一方面，由于陡坡臨空面的存在，基樁兩側的巖土體不再是完全對稱的體系，其承載機理勢必與平地基樁有所區別而呈現特殊性[1-2]。

目前，國內外對考慮邊坡條件下橋梁樁基承載性狀的研究主要集中在以下幾個方面：

（1）對于邊坡條件下單樁的研究：趙明華根據現場試驗提出傾斜荷載下樁后巖質邊坡滑坡體推力按拋物線分布荷載的計算模型[3]；劉建華通過室內試驗，探討了不同組合荷載及加載方式下的基樁受力性狀[4-5]；楊泉在順層巖質邊坡條件下，對大斷面斜樁基礎受荷性狀進行了研究[6]；

（2）對于邊坡條件下樁柱式橋梁雙樁基礎的研究：趙明華根據室內試驗，探討了不同坡度下基礎的破壞模式及承載機理[7]；

（3）對于邊坡條件下群樁基礎的研究：藺鵬臻通過數值模擬、有限差分法等手段對以豎向荷載為主的連續剛構橋群樁基礎進行受力分析[8]。

這幾個方面的情況說明，國內外已有學者對復雜荷載作用下斜坡橋梁樁基礎的承載性能、受力模式、內力變形計算方法以及失效破壞模式進行了研究。然而，目前對斜坡橋梁樁基礎的研究大多集中在直樁，或者單個斜樁，對于直樁-斜樁組合樁基礎研究鮮有報道；且研究大多集中在梁橋，以豎向荷載為主，而拱橋基礎需要承受較大的水平推力，既有研究缺乏對拱橋樁基水平荷載作用下樁基的分析。對于覆蓋層厚度較大的復雜邊坡條件下的拱橋群樁基礎，因其拱橋受力的獨特性和深厚覆蓋層邊坡的復雜性，既要考慮坡體推力對樁基的影響，又要考慮巨大的水平推力對坡體穩定性的影響。特別是對于直樁+斜樁的拱橋基礎形式，現在對其樁基承載性狀和陡坡穩定性尚沒有足夠的了解和認識。本文以四川省金陽縣德谷溝特大橋務科村岸坡和橋墩基礎為例，通過建立局部實地模型，采用Flac3D有限元差分計算軟件，對拱橋直樁-斜樁組合群樁基礎承載性狀進行數值分析。

1 工程概況

擬建德谷溝特大橋位于涼山州金陽縣，橋梁采用上承式拱橋形式，凈跨徑230m。橋基位于陡坡上，其中右岸坡度為40°，邊坡覆蓋層厚度最大達65m。本文分析的主橋橋墩基礎位于40°的陡坡上，基礎設計形式為直樁+斜樁群樁基礎，其中直樁直徑3m，布置為2行2列，樁長為71m。斜樁為馬蹄形，傾斜角15°，高為3.5m，寬為3m，樁長為64m。橋梁布置見圖1所示。

圖1 橋梁布置圖

2 陡坡拱橋樁基計算模型

2.1 建模計算

本文采用Flac3D有限元差分軟件進行建模計算。為了完全模擬實際場地情況，先根據等高線地形圖生成模型表面，再根據地勘層面資料，劃分地層。模型區域確定的總體原則是既達到綜合反映邊坡的受力狀態，又能夠保證計算不受邊界條件的影響。根據實地條件確定的模型區域為：水平方向（x方向）距離橋墩承臺120m左右；縱向（+y方向）延伸距離橋墩承臺125m，-y方向延伸距離橋墩承臺80m左右；豎向（z）延伸距離樁底73m；整體模型尺寸為X×Y×Z=238×206×199（m）。岸坡及橋梁樁基數值模型見圖2所示。

圖2 岸坡及橋梁樁基數值模型圖

2.2 材料參數

材料本構的選擇與模型中材料的受力及變形特性相關。本次分析所涉及的材料包括邊坡巖土體、橋梁承臺、樁基等，相關參數見表1。

表1 主要材料計算參數

2.3 數值計算中邊坡及樁基礎上的荷載

根據工程設計資料，承臺面在橋樁和上部結構施工完成后主要承受來自拱腳和交接墩的力。其中來自拱腳處的豎向力Fz=53219kN、水平力Fx=24397kN、Fy=6490kN；彎 矩Mx=245663kN·m、My=156788kN·m、Mz=273518kN·m；來自交界墩處的豎向力Fz=18897kN、水平力Fx=1070kN、Fy=1527kN；彎 矩Mx=31006kN·m、My=23168kN·m、Mz=712kN·m。

3 計算結果與分析

主要分析樁周土體變形性狀、基礎受力變形特性及運用強度折減法計算陡坡的穩定安全系數。

3.1 橋樁及上部結構施工完成后的模擬結果

荷載施加后岸坡豎向位移、水平位移分布見圖3～圖4所示。由圖3可以看出，豎向位移主要分布在樁基及樁周土中，其中承臺下方的土體變形最大，此后逐漸以圓弧狀向周圍遞減，樁周圍土體的豎向位移隨離基礎距離增大而不斷減小；群樁基礎從樁頂至樁底的豎向位移逐漸減少，由于彎矩的作用，第一排豎樁軸向位移最大，變形也最明顯，為12mm左右。

圖3 荷載施加后岸坡豎向位移分布圖

圖4 荷載施加后岸坡水平位移分布圖

承臺由于直接承受水平荷載和彎矩作用后發生一定變形，其中承臺頂面交界墩處產生3mm 的位移。承臺把荷載傳遞給樁基，使樁基的上部產生位移3～5mm，樁側土體抗力隨著樁基埋深增大而變大，從而在樁基埋深越深的位置所發生的水平位移越小。由圖4岸坡水平位移分布可以看出，靠近承臺兩側地表位置是土體受承臺擾動的主要分布所在，可以發現由于坡體的下滑力使樁前土體，即坡腳方向有位移；但是樁后土體并沒有產生位移，說明樁基礎表現為一定的抗滑樁性質。

3.2 邊坡整體穩定性

岸坡土體在橋樁及其上部結構竣工以后會發生一定程度的變形，承臺基礎附近是最大變形位移區域，為6mm左右，往坡腳處逐漸遞減，到1區域位移減小為3mm，再到2區域，由于坡度變陡，位移增大為4mm左右。總體來說，變形位移較小，無明顯的水平或豎向位移在坡腳處出現，存在位移的位置也僅為第一層碎石土表面區域，整體岸坡狀態穩定。總位移圖見圖5所示。

4 結束語

本文以四川省金陽縣德谷溝特大橋務科村岸坡和橋墩基礎為例，通過建立局部實地模型，采用Flac3D有限元差分計算軟件，數值計算中邊坡及樁基礎上的荷載，從深厚覆蓋層邊坡上的拱橋樁基受力變形以及坡體穩定性方面，對直樁-斜樁組合群樁基礎承載性狀進行數值分析，可得出以下結論：

（1）橋梁工程完成后，邊坡整體位移很小，土體變形主要集中在承臺及樁周土體，橋梁荷載對岸坡整體穩定影響不大。群樁基礎在一定程度上起到抗滑樁作用。

（2）所有樁的樁身軸力隨深度增加逐漸遞減，側摩阻力在第一層土發揮不大，在樁身中下部才達到峰值。

（3）基礎變形以豎向位移為主，水平位移較小，豎向位移和水平位移都隨樁深增加而減小，其中第一排樁位移最大，豎向位移為12mm，水平位移為5mm。越靠近斜樁，水平位移越小，斜樁的設計形式能有效地抵抗水平變形。

（4）深厚覆蓋層邊坡表面碎石土容易形成潛在滑動帶，且滑動帶出現在坡前（坡腳方向）位置，邊坡支護應注重加固支護基礎坡前（坡腳方向）區域。