李程旭

(湖南華罡規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司， 湖南 長沙 410076)

修建在軟弱滑坡體上的橋墩，其樁基既要承受橋墩及上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向荷載，還要承受滑坡體橫向位移產(chǎn)生的水平荷載。為提高樁基水平承載能力，常用抗滑樁來限制邊坡滑坡體的橫向位移，減小橋基所受水平荷載。針對抗滑樁加固邊坡巖體的研究很多，如李浩等采用數(shù)值模擬方法，分析了臨界破壞時抗滑樁樁身內(nèi)力及土體力學(xué)特性；雷達(dá)等通過前后排抗滑樁加固滑坡橋基的振動臺模型試驗，揭示了土體和樁基的動力特性；趙明華等針對圓形樁建立樁間土拱計算模型，分析了土體參數(shù)對樁間距的影響；馬俊偉等運用分形理論，研究了抗滑樁加固斜坡失穩(wěn)過程中坡面位移場的演化規(guī)律；李柏春根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了抗滑樁施工中邊坡的變形。該文通過建立三維實體有限元模型，探究在市政邊坡路堤加載條件下抗滑樁邊坡及橋基的受力和變形規(guī)律，為類似工程設(shè)計提供參考。

1 計算原理及方法

1.1 樁土相互作用理論

Terzaghi活動門板試驗(見圖1)證明樁體間的土顆粒與樁體上的土顆粒之間會產(chǎn)生相對位移，樁體間的土顆粒將部分自重通過土體間的摩擦作用傳遞到樁體，從而在樁土間產(chǎn)生土拱效應(yīng)。抗滑樁通過土拱效應(yīng)承擔(dān)大部分滑坡體的下滑分力，從而增大邊坡安全系數(shù)，達(dá)到加固效果。樁土應(yīng)力比n是衡量樁、土應(yīng)力分配的主要指標(biāo)，可用下式表示：

圖1 活動門板試驗示意圖

n=δp/δs

(1)

式中：δp為樁體所受橫向應(yīng)力；δs為土體所受橫向應(yīng)力。

1.2 計算模型及參數(shù)

某邊坡高58 m，長144 m。上部路堤填土高度為20 m，分10次填筑完畢，每層填筑高度為2 m。橋墩樁基直徑為1 m，樁間距為1.5 m×2.5 m，樁長度為30 m。前排抗滑樁截面尺寸為2 m×4 m，長度33 m；后排抗滑樁尺寸為2 m×3 m，長度19 m，抗滑樁樁端放置在基巖上(見圖2)。

圖2 某邊坡橋梁樁基、抗滑樁橫剖面圖(單位：m)

建立該邊坡有限元模型，模型共包括35 419個網(wǎng)格單元(見圖3)。模型底部為固定端約束，表面為自由邊界。邊坡加載直接采用激活路堤填土單元形式，橋墩樁基礎(chǔ)及抗滑樁均采用彈性強度準(zhǔn)則，其余土體采用M-C彈性強度準(zhǔn)則。橋墩樁基礎(chǔ)采用樁結(jié)構(gòu)單元，其余材料采用三維實體單元，材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1。樁基與土體的接觸采用界面單元模擬，樁側(cè)摩阻力及樁端承載力根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》取值，樁端彈簧剛度根據(jù)砂巖基床系數(shù)確定為6 280 000 kN/m，樁基礎(chǔ)接觸面參數(shù)見表2。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

表2 樁界面參數(shù)

圖3 邊坡的模型網(wǎng)格

1.3 計算工況

設(shè)置3種計算工況(見表3)。在橋墩樁身及抗滑樁表面沿埋深設(shè)置11個監(jiān)測點。

表3 工況設(shè)計

2 加固效果分析

2.1 橋墩及抗滑樁位移

工況一下邊坡、橋墩橫向位移分別見圖4、圖5。由圖4、圖5可知：邊坡加載對邊坡穩(wěn)定性的影響較大，隨著邊坡頂部路堤的加載，邊坡表面黏土向下滑移，最大位移達(dá)79 mm；橋墩樁基在黏土地層中發(fā)生35 mm橫向位移，隨著樁體埋深的增加，樁基的橫向位移減小。

圖4 工況一下邊坡橫向位移云圖(單位：m)

圖5 工況一下橋墩橫向位移云圖(單位：m)

工況二下邊坡橫向位移見圖6，不同工況下橋墩樁頂橫向位移見圖7。由圖6、圖7可知：工況二下邊坡黏土的最大橫向位移減小為64 mm，說明設(shè)置前排抗滑樁能有效限制橋墩上部黏土的滑移。僅設(shè)置后排抗滑樁時，橋墩樁基在加載結(jié)束后最大橫向位移為32 mm，略小于工況一時位移；設(shè)置前排抗滑樁時，橋墩樁基最大橫向位移僅10 mm，設(shè)置前排抗滑樁對限制土體位移的效果最好。

圖6 工況二下邊坡橫向位移云圖(單位：m)

圖7 不同工況下橋墩樁頂橫向位移

2.2 橋墩樁基及抗滑樁應(yīng)力

不同工況下橋墩樁基彎矩見圖8。由圖8可知：在埋深13 m處即黏土與礫石土層交界位置，橋墩樁基產(chǎn)生較大負(fù)彎矩。工況二時，樁基負(fù)彎矩值最小，為1 157 kN·m；工況一、工況三時，樁基彎矩值較大，分別為2 363 kN·m、2 094 kN·m?？梢?，設(shè)置前排抗滑樁對橋墩的減載效果最佳。

圖8 不同工況下橋墩樁基彎矩

不同工況下樁土位移差見圖9。由圖9可知：隨著路堤填筑高度的增加，工況二時樁土位移差大幅提高，而工況三時樁土位移差增長不明顯。

圖9 不同工況下樁土位移差

不同工況下抗滑樁所受橫向壓力見圖10，樁后土體所受橫向壓力見圖11。由圖10、圖11可知：路堤填筑完成后，工況二、工況三時抗滑樁所受橫向應(yīng)力分別為200 kPa、100 kPa，前排抗滑樁所受推力隨著填筑高度的增加增幅較明顯；工況二時樁后土體所受橫向應(yīng)力大幅增加，工況三時樁后土體所受推力沒有明顯變化。說明設(shè)置前排抗滑樁可在土體中形成理想的土拱效應(yīng)，改善橋墩樁基受力狀況。

圖10 不同工況下抗滑樁所受橫向壓力

圖11 不同工況下樁后土體所受橫向壓力

3 結(jié)論

(1) 邊坡加載對橋梁樁基影響較明顯，路堤加載完成后，邊坡表面黏土層發(fā)生滑移，最大位移達(dá)79 mm；橋墩樁基最大橫向位移達(dá)35 mm，最大彎矩為2 363 kN·m，對橋墩樁基進(jìn)行減載加固十分必要。

(2) 前排抗滑樁可在土體中產(chǎn)生較理想的土拱效應(yīng)，有效限制橋墩上部黏土的位移，改善橋墩受力，橋墩最大橫向位移減小為10 mm，最大彎矩減小為1 157 kN·m。

(3) 后排抗滑樁處于滑坡黏土下部，不能有效約束土體位移，難以達(dá)到對橋墩樁基的減載效果?？够瑯蹲詈迷O(shè)置在被保護(hù)結(jié)構(gòu)上方、土體發(fā)生位移最大處。