基于有限元法的斜坡橋樁承載特性影響因素研究

摘 要：為研究斜坡橋樁承載特性的影響因素，本文應用有限元軟件MIDAS GTS建立斜坡橋樁模型，研究了坡角、樁徑、橋樁埋置深度及橋樁位置對橋樁承載特性的影響。結果表明，當邊坡穩定性系數較高時，坡角增加對橋樁承載特性的影響較小，當邊坡處于欠穩定狀態或不穩定狀態時，會極大影響橋樁的極限承載力，橋樁埋置深度與樁徑的變化相似，樁徑和埋深增加會導致橋樁極限承載力增加，但是樁徑增至一定程度時，對極限承載力提升有限，橋樁位置對其極限承載力的影響較大，橋樁抗壓極限承載力隨橋樁與坡腳間水平距離增加而逐漸降低。

關鍵詞：邊坡；橋樁；承載特性；抗壓極限承載力

中圖分類號：TU 47" " " " " 文獻標志碼：A

橋梁樁基因其承載力大、變形小、便于施工等優點，在橋基邊坡工程中受到廣泛應用。而影響橋樁承載特性的因素有很多，主要包括樁徑、樁長、橋樁埋置深度、橋樁彈性模量等，研究橋樁承載特性的影響因素對工程安全及施工質量等具有重要意義。

針對橋樁承載特性的影響因素問題，已有眾多學者進行了一系列研究。高璇[1]根據室內模型試驗和數值模擬方法分析了不同坡度、不同樁長對橋樁抗壓承載力的影響以及針對坡角為90°時的橋樁與邊坡距離對樁的承載特性的影響。張永杰等[2]以陡坡段雙樁-柱橋梁基礎為研究對象，通過理論方法得到了樁基承載力的簡化計算方法，并研究了樁長、樁徑等參數對樁基承載力的影響。林寶磊[3]、楊麗霞[4]、許白楊[5]等分析了橋樁樁徑、樁長以及橋樁彈性模量對橋樁承載力和變形的影響，并提出了樁基礎的優化設計方案。

對邊坡坡角、樁徑、橋樁埋置深度及橋樁位置等對橋樁承載特性影響較大的因素來說，本文采用有限元軟件MIDAS GTS建立斜坡橋樁模型，綜合分析這4種因素對橋樁承載特性的影響，為相關工程設計及施工提供參考。

1 有限元數值模型建立

通過MIDAS GTS軟件建立斜坡橋樁模型。模型邊坡厚度為30m，坡高為50m，邊坡由砂土和強風化泥質粉砂巖組成，邊坡坡角為15°～60°。橋樁樁身采用C30混凝土澆筑，樁徑為0.5m～2m，埋置深度為20m～30m，橋樁位置設置在離坡腳水平距離10m～40m處，模型如圖1所示。模型中土體采用莫爾庫倫本構模型，橋樁采用線彈性本構模型，橋樁設置為1D線單元，巖石和橋樁參數見表1。模擬過程分為兩個分析步，第一步先使邊坡地應力平衡，第二步加入橋樁，對樁頂逐級施加荷載。

2 斜坡橋樁極限承載力判定方法

2.1 邊坡穩定性判定方法

根據《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2013）[6]，對邊坡工程安全等級為一級的邊坡來說，當邊坡穩定性系數大于或等于邊坡穩定安全系數1.35時，邊坡為穩定狀態，當邊坡穩定性系數小于1.35且大于1.05時，邊坡處于基本穩定狀態，當穩定性系數小于1.05且大于1.0時，邊坡處于欠穩定狀態，當穩定性系數小于1.0時，邊坡處于不穩定狀態。

2.2 橋樁極限承載力的判定

根據《建筑樁基檢測技術規范》（JGJ 106—2014）[7]，對緩變型Q-S曲線來說，應根據樁頂總沉降量，取s=40mm所對應的荷載值，當樁徑大于800mm時，取s=0.05D所對應的荷載值，對陡降型Q-S曲線來說，應將其發生明顯陡降的起始點對應的荷載值作為橋樁的極限承載力。

3 結果分析

3.1 坡角對橋樁承載特性的影響

為了研究邊坡坡角對橋樁承載特性的影響，通過MIDAS建立斜坡橋樁模型，將橋樁樁徑設置為1m，橋樁埋置深度設置為25m，橋樁位置設置在離坡腳水平距離25m處，邊坡坡角分別設置為15°、30°、45°以及60°。對橋樁樁頂逐級施加荷載，得到不同坡角與荷載下樁頂位移的變化曲線及不同坡角的樁身軸力分布曲線（如圖2～圖6所示）。

從圖2可以得知，樁頂在荷載施加初期，橋樁樁頂沉降曲線近似為直線，表明橋樁為彈性變形，在相同荷載作用下，坡角增加對樁頂位移的影響并不明顯。隨著荷載逐漸增加，當樁頂荷載為15000kN時，坡角為60°的橋樁樁頂位移率先發生突變，當樁頂荷載約為18000kN時，另外3個坡角的橋樁樁頂沉降位移發生突變，三者位移突變節點位置相近，其中，坡角為60°的橋樁極限承載力明顯小于其余坡角的橋樁極限承載力。

采用強度折減法計算橋樁在極限荷載作用下不同坡角的邊坡穩定性系數，再根據不同坡角的樁身軸力曲線圖可知，在相同荷載作用下，相同深度處60°邊坡上的橋樁軸力更大，其中，在樁端處橋樁軸力隨荷載變化最明顯，60°邊坡上的橋樁在荷載達到15000kN時，樁端承載力為5050kN，超過了樁端承載力，其余橋樁均在荷載超過18000kN時樁端承載力才發生突變，超過5000kN。通過強度折減法計算15°、45°和60°邊坡上的橋樁達到極限承載力時的邊坡穩定性系數，分別為2.73、1.28及1.04，其中，坡角為45°的邊坡穩定性系數小于1.35安全標準，邊坡處于基本穩定狀態，坡角為60°的邊坡穩定性系數為1.03，邊坡處于欠穩定狀態，說明只有當邊坡處于欠穩定和不穩定狀態時，才會對橋樁側摩阻力影響較大，極大降低了橋樁的抗壓極限承載力，當邊坡處于基本穩定或者穩定狀態時，坡角增加對樁側摩阻力的影響不顯著。

3.2 橋樁樁徑對橋樁承載特性的影響

為了研究橋樁樁徑對橋樁承載特性的影響，將模型邊坡坡角設置為45°，橋樁位置設置在離坡腳水平距離25m處，其埋置深度為25m，橋樁直徑設置為0.5m、1.0m、1.5m以及2.0m，再對橋樁樁頂逐級施加荷載，得到不同樁徑下橋樁樁頂荷載-位移的變化曲線和不同樁徑的樁身軸力曲線。如圖7～圖9所示。

由圖7可知，當對樁頂施加的荷載較小時，橋樁樁頂沉降曲線呈線性變化，橋樁初始變形為彈性變形，樁徑改變對橋樁樁頂沉降位移變化影響不大，隨著荷載逐漸增加，不同樁徑的樁頂沉降位移開始出現差異，樁徑為0.5m時，橋樁沉降曲線與其余各組差異較為明顯，當樁頂荷載達到15000kN時，橋樁樁頂位移曲線率先發生突變，表明樁徑為0.5m的橋樁達到了極限荷載，其余樁徑的樁頂位移曲線隨著樁徑增加依次發生突變。將樁徑為0.5m的沉降曲線與其余各組的沉降曲線進行對比，可知樁徑太小會導致橋樁豎向極限承載力明顯降低，而橋樁樁徑較大時，對橋樁抗壓承載力的影響較為有限。

由圖8和圖9可知，橋樁樁身軸力隨著深度增加逐漸降低，表明橋樁主要是靠側摩阻力來承擔荷載，當樁徑為0.5m，樁頂荷載達到18000kN時，橋樁樁端軸力變化較為明顯，表明此時側摩阻力已無法承擔樁頂荷載，樁身與土體發生相對滑動。

3.3 橋樁埋置深度對橋樁承載特性的影響

為了研究橋樁埋置深度對橋樁承載特性的影響，將模型坡角設置為45°，橋樁樁徑設置為1m，橋樁位置設置在離坡腳水平距離25m處，橋樁埋置深度分別設置為20m、25m、30m，再對橋樁樁頂逐級施加荷載，得到不同埋置深度的橋樁樁頂荷載位移曲線及橋樁樁身軸力曲線。如圖10～圖12所示。

橋樁在荷載較低時均發生彈性變形。在相同荷載的情況下，橋樁埋置深度越小，樁頂沉降量越大，且這種變化隨著荷載增加更加顯著，橋樁極限承載力也隨著橋樁埋置深度增加而變大。根據樁身軸力曲線可知，橋樁主要通過側摩阻力來承擔荷載，埋深20m的橋樁在15000kN荷載作用下，樁端軸力發生了突變，此時側摩阻力已無法承擔荷載，而埋深30m的橋樁在24000kN時樁端軸力才發生突變，當橋樁埋置深度較淺時，樁土接觸面積較小，不利于發揮側摩阻力。

3.4 橋樁設置位置對橋樁承載特性的影響

為了研究橋樁設置對橋樁承載特性的影響，將模型坡角設置為45°，橋樁樁徑設置為1m，橋樁埋置深度設置為25m，將橋樁分別設置在離坡腳水平距離10m、25m以及40m處，得到不同位置下橋樁樁頂沉降位移曲線及樁身軸力變化曲線。如圖13～圖15所示。

橋樁初始沉降曲線呈現近似直線，沒有出現較為明顯的拐點。隨著加載級數逐漸增加，不同位置的橋樁樁頂沉降位移也出現差異，且樁頂沉降量的差異隨著荷載增加而逐漸增加，在離坡腳水平距離40m的橋樁沉降位移曲線先發生突變，然后水平距離為25m和10m的橋樁依次發生突變。根據樁身軸力曲線變化規律，在相同荷載作用下，相同深度處離坡腳水平距離越遠，橋樁軸力越大，當樁頂荷載達到16000kN時，離坡腳水平距離40m處的橋樁樁端軸力出現突變，而水平距離10m處橋樁在樁頂荷載達到21000kN時樁端軸力發生突變，表明橋樁受到的側摩阻力隨著離坡腳水平距離增加而變小。

4 結論

本文通過MIDAS GTS模擬不同因素對橋樁承載特性的影響，根據模擬結果得到以下幾點結論。1）邊坡坡角對橋樁承載力存在影響，當坡角較小時，邊坡穩定性較高，坡角增加對橋樁承載力影響不大，當邊坡處于欠穩定或不穩定狀態時，坡角增加會導致橋樁所受到的側摩阻力變小，最大程度地減少橋樁的極限承載力。2）當樁頂荷載較小時，樁頂沉降位移曲線呈線性變化，在相同荷載作用下，橋樁樁徑或埋置深度越大，樁頂沉降量越小，隨著荷載逐漸增加，樁徑為0.5m以及埋置深度為20m的橋樁樁頂位移曲線先發生突變，且這種位移曲線突變會隨著樁徑和埋置深度增加依次出現，樁徑和橋樁埋置深度增加會使橋樁表面與土體的接觸面積變大，導致樁側摩阻力增加。3）橋樁位置變化對橋樁極限承載力的影響較為顯著，在相同級數荷載的加載作用下，橋樁離坡腳水平距離越遠，樁頂沉降位移越大。橋樁抗壓極限承載力隨著離坡腳水平距離逐漸增加也在增加。

參考文獻

[1]高璇.陡坡地段橋梁嵌巖樁基豎向承載特性模型試驗研究[D].西安：長安大學，2011.

[2]張永杰，夏旖琪，馮夏庭，等.陡坡段雙樁-柱基礎簡化計算方法及影響因素分析[J].巖土力學，2017，38（6）：1705-1715.

[3]林寶磊.載荷試驗在基樁承載力檢測中的應用研究[J].信息系統工程，2024（1）：125-128.

[4]楊麗霞，許國.樁基礎豎向承載力力學特性及影響因素研究[J].中國新技術新產品，2024（5）：114-116.

[5]許白楊，楊珂，范金海，等.長徑比與樁側土體模量變化對灌注樁豎向承載特性影響分析[J].市政技術，2024，42（4）：54-61，77.

[6]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑邊坡工程技術規范：GB 50330—2013[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2013.

[7]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑樁基檢測技術規范：JGJ 106-2014[S].北京：中國建筑工業出版社，2008.