張 華，張正琦，程 高，田伯科

(1.中鐵七局集團(tuán)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(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；3.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；4.長安大學(xué) 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(yīng)其溝壑縱橫的地形特征，標(biāo)準(zhǔn)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(jì)效應(yīng)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(hù),西部山區(qū)高速公路橋梁橋墩和基礎(chǔ)常采用深度較大的樁柱一體式，導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)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(fù)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(shè)計認(rèn)知和施工技術(shù)水平因素影響，陡崖處樁基常因臨坡距選取不當(dāng)，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(yán)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(hù)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(zāi)害[4]，國內(nèi)外專家學(xué)者對陡坡地段樁基的安全防護(hù)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(rèn)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(guān)系，且均正相相關(guān)；程劉勇等[7]得出斜坡樁基水平承載力與坡度呈負(fù)相關(guān)、與臨坡距呈正相關(guān)，同級荷載下，樁身水平位移隨臨坡距增大而減??；欒娟等[8]研究表明樁基極限承載力與斜坡坡度呈反比關(guān)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(rèn)為，固深度和設(shè)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(shè)樁位置為邊坡的中下部；劉士乙等[10]通過研究認(rèn)為以峰值強(qiáng)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(yīng)用極限平衡法高估土體的強(qiáng)度的缺點,適用于考慮漸進(jìn)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(xué)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(qiáng)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(jié)土體達(dá)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(jié)構(gòu)為40 m裝配式預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)為樁柱一體式，樁徑多為2 m,該標(biāo)段6#墩設(shè)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(dāng)，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(dāng)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(qiáng)度折減法進(jìn)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(dá)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(jié)合《工程地質(zhì)手冊》[11]，材料物理參數(shù)如表1。

2.3 本構(gòu)模型與模擬

鋼筋混凝土樁基材料采用線彈性本構(gòu)模擬，線彈性本構(gòu)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(zhǔn)則模擬，Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)積累了大量的試驗資料和工程應(yīng)用經(jīng)驗，且結(jié)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(qiáng)度折減法是通過不斷對土體材料的強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ)進(jìn)行折減，直到邊坡達(dá)到臨界失穩(wěn)狀態(tài)，對應(yīng)的折減系數(shù)定義為安全系數(shù)。折減抗剪強(qiáng)度參數(shù)如式(1)，式(2)：

cm=c0/Fr

(1)

φm=arctan(tanφ0/Fr)

(2)

式中：Fr為強(qiáng)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(qiáng)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(guān)系，來更新材料參數(shù)確定當(dāng)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(guān)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(jié)點線性六面體實體單元模擬。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，劃分情況如圖3。

3 結(jié)果與分析

為掌握臨坡距和陡崖邊坡穩(wěn)定性關(guān)系，分析樁-土作用建立后強(qiáng)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(yīng)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(yīng)變處在樁前接觸位置，隨著臨坡距的增加塑性應(yīng)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(yīng)變等值線云圖幾乎不再變化。圖5中應(yīng)變等值的變形為με。

圖5 土體塑性應(yīng)變等值線

臨坡距-邊坡安全系數(shù)關(guān)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(dāng)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(jìn)一步增大，樁基位置離天然坡體滑動面越來越遠(yuǎn)。

圖6 臨坡距-邊坡安全系數(shù)關(guān)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(qiáng)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(yán)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(yuǎn)，樁對于坡體滑動面的限制作用越來越小。

4 結(jié) 論

筆者以臨坡距為參變量采用強(qiáng)度折減法進(jìn)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(jié)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(yuǎn)，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。