陡坡段橋梁基樁承載機理及受力變形特性分析

摘要 文章從豎向、橫向和傾斜偏心荷載作用下三個角度，將山區(qū)陡坡段基樁與平地基樁的承載機理和受力特性進行對比，進而研究陡坡段基樁的承載機理，分析其受力和變形特性。研究結果表明，山區(qū)陡坡段基樁橫向承載力應考慮陡坡引起的折減效應，以及樁后的主動土壓力。

關鍵詞 陡坡段基樁；受力變形特性；陡坡效應

中圖分類號 U433.15 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）16-0119-03

0 引言

基樁受力分析研究的重點內(nèi)容是樁基的受荷承載機理及其變形特性。目前，對于邊坡抗滑樁等平地橫向受荷樁，不少學者已經(jīng)進行了深入系統(tǒng)的探討，分析和設計已經(jīng)相對完善。然而，近年來，越來越多的高速公路和高速鐵路開始在中國西部山區(qū)的崇山峻嶺中修建，為避免對山體造成過多破壞，維持周邊生態(tài)，山區(qū)道路常采用半路半橋或者全高架的方式，橋梁基樁不可避免地建在一些陡峭的山坡上。山區(qū)陡坡段的橋梁樁基，由于地形和地貌相對復雜，樁周土地分布不均，受荷條件比較苛刻，其承載機理與受力特性不同于常見的平地樁基，受力分析方法也有所不同。

將陡坡段樁基與平地樁基的承重機理和受力特性分別從豎向、橫向和傾斜偏心荷載的作用下進行比較，然后研究陡坡段樁基的受力和變形特性。

1 樁基豎向承載特性

1.1 基樁豎向荷載傳遞機理

承受豎向荷載的基樁在全長范圍內(nèi)受壓，這時基樁周圍的巖（土）與基樁發(fā)生相對位移，對基樁產(chǎn)生摩擦阻力；若豎向荷載大，樁側阻力不足以抵抗豎向荷載，則樁端開始產(chǎn)生阻力，持力層起作用，此時樁頂?shù)某两蛋兜膲嚎s以及持力層的沉降[1]。通常情況下，基樁承載力是由摩擦力（樁側阻力）和樁端阻力（支撐力）在荷載施加過程中，首先出現(xiàn)在樁端的阻力，再出現(xiàn)在下端的阻力。荷載施加初期，基樁上部在豎向作用下發(fā)生壓縮，樁身相對周邊土體出現(xiàn)相對移動從而產(chǎn)生摩擦阻力。當荷載較小時，基樁的壓縮和摩擦阻力僅存在上部某一區(qū)域，而且在此區(qū)域內(nèi)隨深度增加而逐漸減少為零。隨著荷載的不斷增加，基樁因受壓縮而產(chǎn)生摩擦阻力的區(qū)域不斷增加，上部土層也不斷進入塑性階段，軸力不斷向下傳遞，直至持力層開始產(chǎn)生樁端阻力，此時摩擦阻力達到最大并保持不變，荷載增量受到樁端阻力的作用。

1.2 豎向荷載下基樁破壞模式

樁基豎向受荷時，其承載能力不僅受到樁身材料強度、樁體直徑及長度等影響，還與樁端支撐情況、樁周土體強度密切相關。其破壞形態(tài)歸納起來主要表現(xiàn)為樁身屈曲破壞（Buckling failure）、樁底持力層的整體剪切破壞，以及樁底土層刺入破壞三種。

基樁屈曲破壞類似于細長柱，樁基強度由樁體材料的強度決定。穿越軟土的端承樁，常因樁周軟土體約束不足，特別是細長端承樁或下穿泥質(zhì)土層嵌巖樁等，容易造成此類破壞。

下穿層抗剪強度低、持力層抗剪強度高的高強短樁，在樁頂荷載不斷增加時，樁底易出現(xiàn)滑動面形成滑動楔形體，表現(xiàn)為整體剪切破壞，此時不能激發(fā)樁周土體的摩擦阻力。基樁豎向承載力取決于持力層的承載力，樁的荷載—沉降曲線較陡，破壞荷載容易確定。因此，樁底荷載較大，樁底整體剪切破壞多見于沉入樁或鉆孔的短樁。

樁周土（巖）體均勻的深埋長樁，容易在豎向荷載的作用下發(fā)生刺入破壞，這類樁樁側摩擦阻力承擔了大部分的豎向荷載，而樁尖阻力很小。荷載—沉降曲線根據(jù)樁周土地的柔弱程度，存在兩種不同的情況：基樁周圍土體或巖體較硬時，由基樁周圍土體的抗剪切強度決定了Q-S曲線較陡，拐點清晰；一般以樁基結構容許沉降時所對應的荷載作為其極限承載力，當基樁周圍是抗剪切強度較弱的軟質(zhì)土體時，其荷載沉降曲線發(fā)展緩慢，沒有明確的拐點，破壞荷載也不明顯。

1.3 豎向荷載下基樁承載力

基樁在破壞、失穩(wěn)或過大變形前，所能承受的最大荷載稱為基樁承載力。確定基樁承載力需考慮樁身材料的極限強度、樁周巖體或土體的力學性質(zhì)，以及容許變形（包括豎向沉降和水平位移）等。目前工程實踐中，通常采用規(guī)范經(jīng)驗公式、半理論半經(jīng)驗法和靜荷載實驗法確定基樁的極限承載力。

常規(guī)的普通簡單受荷樁，可以采用規(guī)范經(jīng)驗公式確定基樁承載力。我國的一些規(guī)范，如《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB 50007—2011）、《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTG 3363—2019）、《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》（TB 10093—2017）、《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ94—2008）等，均根據(jù)經(jīng)驗給出了單樁豎向承載力的計算公式。

半理論半經(jīng)驗法是根據(jù)事先假定的樁尖持力土層的破壞形式，在計算樁周摩擦阻力的同時，以剛塑性體極限平衡理論為基礎，推導樁尖持力土層的最大承載力，再與樁周摩擦阻力疊加即可得到單樁的豎向承載力。這種半理論半經(jīng)驗的方法，受限于參數(shù)的合理性，結果波動大，缺乏精確性，但在樁基工程的設計和計算上還是有一定的指導意義。

與經(jīng)驗法和理論法相比，靜荷載試驗是確定樁基承載力的最直接可信的方法，常用的加載方法有慢速維持荷載方法、快速保持荷載方法和循環(huán)加載方法等。應用最多且最常用的是慢速維持荷載方法，各級荷載依次裝在樁頂并保證足夠長的荷載維持時間，使每級荷載下的樁基都充分完成沉降，并在加載至Q-S（荷載－沉降）曲線出現(xiàn)陡降（樁基破壞）后進行分級卸載。

2 基樁橫向承載特性

2.1 基樁橫向受力特性

山區(qū)公路橋梁基樁通常需要承受由風、地震及車輛制動等因素產(chǎn)生的橫向荷載。基樁在橫向荷載的作用下，相對于豎向荷載，其受力及變形特性將表現(xiàn)得更加復雜，此時樁土為抵抗水平荷載而發(fā)生共同變形。

由于基礎水平反力水平位移所致，樁側土體在橫向荷載小于樁周淺層土體屈服強度時，表現(xiàn)為彈性受壓；當表層樁側土體隨水平荷載不斷增加而產(chǎn)生塑性變形，樁側較深的土體也不斷參與受力，此時淺層樁周土體處于塑性屈服狀態(tài)，而深層土體處于彈性壓縮階段；當水平荷載不斷增加時，可能出現(xiàn)兩種情況：樁長范圍內(nèi)的土體全部進入塑性狀態(tài)，或者基樁材料本身被破壞，此時可以認為基樁達到水平荷載極限狀態(tài)（Limit state）。從工程經(jīng)驗來看，相對于豎向荷載，基樁橫向荷載的承受能力要小很多。

2.2 基樁橫向受力破壞模式

目前，根據(jù)基樁的剛度和入土深度，將樁的破壞方式分為兩種：一種是短樁的剛性破壞，另一種是長樁的柔性破壞。

2.2.1 剛性短樁破壞模式

剛性短樁破壞方式可分為兩種情況：樁頂自由（free）和樁頂嵌固（partial fixing）。

樁頂處于自由狀態(tài)時，如抗滑樁，此時剛性短樁不會出現(xiàn)撓曲變形，而在橫向荷載作用下繞著某點轉動，樁側土體會因共同變形而產(chǎn)生水平抵抗荷載阻止剛性短樁的轉動趨勢。在水平荷載不斷增加的情況下，基樁的橫向承載力決定了樁側巖土體的強度，樁頂和樁尖周圍的土體逐漸發(fā)生了塑性屈服，這種屈服會擴散到旋轉中心。

如樁頂有承臺，嵌固的樁頂與承臺共同產(chǎn)生水平位移，當水平位移過大時，樁側土體在橫向荷載作用下發(fā)生塑性屈服，喪失承載能力。

2.2.2 柔性長樁破壞模式

樁頂處于自由狀態(tài)時，柔性長樁在橫向荷載作用下表現(xiàn)為撓曲變形，產(chǎn)生水平位移及轉角，水平荷載越大則樁身最大彎曲截面的位置越深。柔性長樁在橫向荷載作用下出現(xiàn)破壞時，樁側土體不會像剛性短柱那樣出現(xiàn)樁長全范圍的土體屈服，僅在樁頂附近的淺層土體出現(xiàn)塑性屈服破壞（plastic yielding）。樁可能因為過度彎曲或者土體屈服而喪失承載能力。因此，樁的抗彎能力、土體的水平抗力共同決定了柔性長樁的水平承載力。

樁頂嵌固（partial fixing）的柔性長樁，在水平位移較大的情況下，樁身容易出現(xiàn)塑性鉸，與受荷能力和基樁材料的強度有很大關系。

2.3 基樁橫向受力變形分析

由基樁撓曲微分方程可知，基樁所處土層的地基水平抗力決定了基樁橫向受力及變形的特性。如何準確確定抗地基水平能力，是基樁橫向受力分析的重點。

目前，常用的地基水平抗力確定方法和內(nèi)力變形計算方法有彈性地基反力法（M法）、P-Y曲線法、應變楔形法（SW法）。彈性分析法由于土體彈性模量不容易確定，只能進行定性分析，實際工程應用不多。P-Y曲線法雖然應用較多，但仍然存在較多不足之處：過多依賴經(jīng)驗參數(shù)，適用面較窄；為了計算方便，把樁土作用簡化成一維離散的非線性彈簧模型，從而忽略土體的空間連續(xù)性[2-4]；未能充分考慮樁體特征，忽略了樁頂約束環(huán)境、樁身截面形狀和抗彎剛度的影響。應變楔形法克服了P-Y曲線法的部分缺陷，充分考慮了樁體特性和樁周土體的空間連續(xù)性，但在應變楔形模型分析方法中，不是唯一的P-Y曲線，而是隨土質(zhì)和樁體性質(zhì)的不同而變化，并不依賴經(jīng)驗參數(shù)和現(xiàn)場試驗。

3 基樁在傾斜偏心荷載作用下受力變形特點

山區(qū)橋梁基樁既有豎向荷載又有橫向荷載，其合力表現(xiàn)為傾斜偏心荷載。在傾斜偏心荷載作用下，橫向荷載使基樁發(fā)生水平側彎，而豎向荷載則使基樁產(chǎn)生附加彎矩，即“P-Δ效應”，兩者相互影響，但不能簡單疊加[5]。特別是基樁或側向約束力較弱的地基土，在自由段較長時，這種效應更為明顯。在分析承受傾斜偏心荷載的基樁時，應將豎向及橫向荷載同時考慮，根據(jù)樁身邊界條件，如樁尖土層、樁頂約束和樁周土體等情況建立受力模型，準確模擬確定樁尖阻力、樁周阻力以及樁側土體的壓力與抗力。其破壞模式有兩種情況：由于地基水平抗力且基樁材料強度薄弱而引起的屈曲破壞，過大的豎向沉降或水平位移。

4 陡坡段橋梁樁基受力特性

4.1 基樁豎向受荷時與邊坡的共同作用

山區(qū)陡坡段橋梁基樁多為端承樁，樁尖位于穩(wěn)定巖層內(nèi)，從下往上依次為弱、中、強風化層及上部土層；山區(qū)橋梁基樁常用沖孔或者鉆孔，孔壁凹凸不平，比較粗糙。因此，成樁以后，樁身混凝土與周邊巖體相互咬合，共同受力。豎向荷載作用時，首先起作用的是樁體混凝土與周圍巖體之間的黏結力；隨著荷載的增加，樁體與孔壁慢慢滑移，并對孔壁造成擠壓，使樁體與孔壁之間的摩擦阻力陡增；荷載不斷增加，孔壁凸起的巖層將會發(fā)生剪切破壞[6]。由此可以看出，孔壁粗糙程度、巖層抗剪強度以及周邊圍壓三個因素共同影響樁周阻力的發(fā)揮。對于山區(qū)陡坡段橋墩基樁，陡坡外側土體臨空、圍壓不足，應考慮摩擦阻力折減。

4.2 陡坡段基樁橫向受力分析

山區(qū)陡坡段橋梁樁基強度受地形環(huán)境、施工擾動及降水等條件影響會有所降低，設計中應根據(jù)基樁所處位置的土層、邊坡角度，在一定深度范圍進行折減，即考慮陡坡效應對基樁強度的負面影響。陡坡效應的深度影響范圍h=n×d×tanα，其中n為橫向影響系數(shù)，d為樁徑，α為坡角。

深度超過h的部分，不考慮陡坡效應，類似平地基樁將樁周巖土體視為半無限對稱空間。橫向影響系數(shù)n的大小與樁周土地情況密切相關，土質(zhì)邊坡一般取3～5；巖質(zhì)邊坡因受巖石性質(zhì)、走向、節(jié)理情況以及基樁承載形式多方因素影響，其取值范圍波動較大[7]，應根據(jù)現(xiàn)場或者當?shù)亟?jīng)驗取值。

陡坡中的基樁位置各異，受力狀況不盡相同。當基樁位于坡頂時，只需在設計時對坡面外側基樁的抗水平力做相應的減低處理即可；但基樁在坡腰位置時，既要考慮陡坡效應引起的橫向地基水平抗力折減，也不能忽視樁后土體的附加壓力。

研究表明：當位于坡腰的基樁在橫向荷載作用下造成邊坡破壞時，樁后土體形成楔形應力區(qū)，樁頂水平位移較坡頂基樁更為顯著，樁后土壓與擋土墻和抗滑樁的主動土壓類似。理論上，可假定抗滑樁或擋墻后的主動土壓力為三角形分布，通過Coulomb或Rankine理論進行求解，但部分試驗表明，墻后土壓力的分布方式與擋墻或者抗滑樁的移動模式（平移或旋轉）有關，往往在分布上表現(xiàn)為非線性。但是，常規(guī)的非線性分布主動土壓力的理論計算方法結果誤差較大，主要是因為這種方法沒有考慮側向土壓力系數(shù)，因此無法求解土壓力的有效高度，同時也忽略了內(nèi)摩擦角、土—墻界面摩擦角以及橫向應力等因素的影響，而僅以平均垂直應力代替上方土層產(chǎn)生的影響，與實際情況存在差異。

有鑒于此，有學者提出利用墻后水平半無限空間的土楔形模型，為充分考慮內(nèi)摩擦角、土—墻界面摩擦角以及橫向應力的影響，將土壓力的水平土壓力系數(shù)和有效高度視為土—墻界面的摩擦角與內(nèi)摩擦角的函數(shù)，后來將此方法用于分析抗滑樁的樁后土體壓力及其分布，以探討土—墻界面的水平土壓力系數(shù)。此外，Ashour和Ardalan[8]提出，在邊坡抗滑樁工程中，可以通過應變楔形法分析樁后土體的滑坡推力，以及非極限狀態(tài)下的邊坡變形對基樁側向的土受壓。

5 結論

（1）山區(qū)橋梁基樁受到豎向荷載和橫向荷載共同作用，受力復雜，應綜合考慮橫向荷載引起的水平側彎以及豎向荷載作用下產(chǎn)生的附加彎矩，即“P-Δ效應”，特別是基樁處于軟弱土層且自由端較長時。

（2）陡坡段基樁坡外側圍壓不足，使得樁身橫向約束減弱，導致其豎向承載能力下降。所以在豎向荷載作用下，應考慮臨空側由于圍壓不足導致其承載力下降；橫向荷載作用下的基樁還應考慮坡度效應的影響，位于坡頂時須考慮橫向受荷承載力的折減，位于坡腰時除此之外，還應考慮樁后土體主動土壓力的影響。樁后土體的主動土壓力可以采用應變楔形法進行分析。

參考文獻

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