超高填方邊坡中橋梁樁基的受力特性分析

陳　偉，陳海斌

（廣東省建筑設計研究院，廣東　廣州　510010）

超高填方邊坡中橋梁樁基的受力特性分析

陳偉，陳海斌

（廣東省建筑設計研究院，廣東廣州510010）

通過對廣州東部固體資源再生中心超高填方邊坡中橋梁樁基的受力特性分析，總結了在超高填方邊坡中進行橋梁樁基設計的方法，為位于特殊地質條件的樁基設計積累了經驗。

Midas/GTS；超高填方邊坡；樁基；受力特性分析

0　引言

伴隨著城市規模不斷擴大，土地資源日益稀缺，大型的建筑物逐漸向城市周邊發展，諸如垃圾焚燒廠和填埋廠等均選址在山區地帶，地形地貌相當復雜。對周邊配套的交通建設，如道路橋梁等提出了越來越高的要求，橋梁樁基經常位于復雜的地質條件中，需要橋梁設計人員對此做出正確的分析。

1　工程概述

擬建廣州東部固體資源再生中心位于蘿崗區九龍鎮，整個項目均在山區修建，地形地貌相當復雜。由于廠區建設場地的需求，需對現狀山體填方外擴約100 m，填方高度高達60 m，而環一路高架橋正好處于廠區外圍高填方邊坡上方，橋梁跨徑組合12×35 m（預制小箱梁）+33.5 m（鋼箱梁）= 453.5 m，其中C1、C2、C10～C14軸樁基位于填方邊坡上（見圖1）。方案設計橋梁基礎采用兩根直徑為2.2 m的鉆孔灌注樁。橋梁立面如圖2所示，C2軸橋梁橫斷面如圖3所示，填方邊坡各土層參數見表1。

圖1　廠區和橋梁平面圖（單位：m）

圖2　橋梁立面圖（單位：m）

圖3　C2軸橋梁橫斷面圖（單位：m）

表1　各土層主要物理力學性質指標統計表

對于超高填方邊坡中的樁基，設計時首先應考慮邊坡的穩定性問題。該填方邊坡采用10 m一級分級填筑，坡率采用1∶1.5，填筑過程分層采用HDPE單向拉伸塑料土工格柵筋帶加固。經核算，邊坡穩定性滿足要求。其次就是考慮根據邊坡和樁基的施工順序進行樁基受力的受力特性分析，保證樁基的安全性。

關于邊坡與樁基的施工順序問題，存在兩種可能：

（1）先填土后施工樁基：此方法是在需要填土的區域內進行分層填土壓實到坡頂的位置后，自然沉降一定時間后，再進行樁基的施工。其優點在于邊坡在樁基施工時已經完成大部分的工后沉降，邊坡位移對樁基的影響相對較小，且樁基施工時，可以收集到邊坡施工過程中填方土體參數和監測數據，相應調整邊坡土體的設計參數，對樁基的設計分析進行調整。邊坡施工完后，后期的樁基施工工藝技術也較為成熟。其缺點在于整個項目的施工工期長，后期的樁基施工對填方邊坡的土體造成擾動，對于超高填方邊坡的安全性帶來一定程度的安全隱患。

（2）先施工樁基，橋墩與填方邊坡施工同步進行。此方法是先完成填方邊坡底標高下的樁基施工，然后在分級施工填方邊坡的同時分段現澆橋墩。其優點在于橋梁的下部結構與填方邊坡幾乎同步進行施工，在一定程度上縮短了工期，提高了經濟效益。其缺點在于后期填筑的邊坡對前期施工的樁基和橋墩影響較大，樁基和橋墩將承受較大的土壓力，不斷累積的水平位置在后期可能無法糾偏，填方邊坡在壓實的過程中對樁基和橋墩亦會產生較大負摩阻力，影響樁基豎向承載力和橋墩的強度。施工過程中也存在邊坡、樁基和橋墩施工交叉作業互相影響的不利因素。

從邊坡和橋梁安全、投資、施工難度、工期等方面綜合比較分析了兩種施工順序，設計時采用了先填土完成邊坡后施工樁基的方案。

2　樁基受力特性分析

2.1土體的屈服準則

本文所用有限元分析程序采用初應變法，并引用摩爾庫侖準則作為彈性-粘塑性模型的屈服準則。摩爾-庫侖準則［1］廣泛應用于巖土材料的理論與實踐中。它表明材料的抗剪強度與作用于該平面上的正應力有關，巖土材料的破壞面不是最大剪應力作用平面，而是與最大主應力作用平面夾角45°+φ/2的平面，當作用在該面上的正應力σ和剪應力τ滿足摩爾-庫侖屈服表達式時，將發生剪切破壞，即式（1）：

2.2超高填方邊坡的穩定性分析

本文采用Midas/GTS巖土分析軟件中的邊坡模塊對超高填方邊坡進行穩定性分析，邊坡滑移帶位移云圖見圖4。計算得到的穩定系數為1.363，滿足要求。

圖4　邊坡滑移帶位移云圖

2.3樁基有限元模型

本文采用Midas/GTS巖土分析軟件建立樁基有限元分析模型，分別模擬了樁基所處位置的中風化巖、強風化巖、砂礫土層、填方邊坡和樁基。各土層采用二維平面單元進行模擬，樁基采用梁單元進行模擬，有限元模型如圖5所示。工后沉降采用30%的自重進行模擬。

圖5　邊坡樁基有限元模型

2.4計算結果

2.4.1樁頂水平位移和豎向位移

計算得到的樁基水平位移和豎向位移如圖6和圖7所示。樁頂水平位移為65 mm，豎向位移為7 mm。

圖6　樁基水平位移（單位：mm）

2.4.2單樁豎向抗壓承載力（考慮負摩阻）

根據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）計算由于樁周土沉降引起樁側負摩阻力，中性點取在強風化巖層與樁基相交處。對于端承樁按式（2）驗算樁基承載力：

式中：Nk為荷載效應標準組合軸心豎向力作用下，樁基的平均豎向力；Qng為負摩阻力引起基樁的下拉荷載；Ra為單樁豎向承載力特征值，按式（3）計算。

計算得到的 Nk=14 000 kN，Qng=32 666 kN，Ra=65 000 kN，滿足式（2）的要求。

圖7　樁基豎向位移（單位：mm）

2.4.3樁身裂縫和強度驗算

2.4.3.1裂縫驗算

樁身彎矩圖和軸力圖分別如圖8和圖9所示。樁徑d=2.2 m，樁基計算寬度為0.9（d+1）=2.88 m，樁基最大彎矩為3 459×2.88=9 961.92 kN·m，軸力為9 200 kN，計算得到的裂縫寬度為0.127 mm，滿足要求。

圖8　樁身彎矩圖（單位：kN·m）

圖9　樁基軸力圖（單位：kN）

2.4.3.2抗彎強度驗算

樁基最大彎矩為12 000 kN·m，對應軸力為9 200 kN，計算得到的截面抗力為2.27e+04 kN，滿足要求。

2.4.3.3抗剪強度驗算

計算得到的樁身剪力圖見圖10所示。樁身抗剪強度設計值為1 810 kN，樁基抗剪強度按《混凝土設計規范》（GB 50010-2010）計算。抗剪強度：其中b=1.76r=1 936 mm，αcv=0.7，f1=1.71 MPa，fyv= 280 MPa，Asv=157 mm，s=100 mm，h0=1.6r=1 760 mm，計算得到Vcs=4 852 kN＞1 810 kN，滿足要求。

圖10　樁身剪力圖（單位：kN）

3　結論及建議

通過廣州東部固體資源再生中心超高填方邊坡中的橋梁樁基設計分析，得出如下結論和建議：

（1）超高填方邊坡中橋梁樁基設計時，因土層參數對樁基的受力特性影響較大，應通過土工實驗等方法明確土層參數。

（2）超高填方邊坡中橋梁樁基設計時，為避免土拱效應，樁基應盡量采用單排樁，且樁基中心連線的方向盡量與邊坡滑動方向一致，以減少土體對樁基的作用。

（3）樁基受力分析時應考慮邊坡水平位移和沉降的影響。

（4）超高填方邊坡中橋梁樁基施工時，應盡量采用旋挖樁或鉆孔樁，減少樁基施工過程中對邊坡土體的擾動，并在施工過程中加強邊坡監測，確保邊坡的穩定性。

［1］李廣信.高等土力學［M］.北京：清華大學出版社，2004.

U443.15

B

1009-7716（2016）07-0126-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.037

2016-03-18

陳偉（1977-），男，福建龍巖人，高級工程師，從事道橋設計工作。