陡坡段樁柱式橋梁的基樁受力分析與施工研究

張克智（中鐵二十一局集團第五工程有限公司，重慶400025）

陡坡段樁柱式橋梁的基樁受力分析與施工研究

張克智
（中鐵二十一局集團第五工程有限公司，重慶400025）

隨著社會經濟的不斷發展，陡坡段樁柱式橋梁的基樁也被廣泛應用于西部山區。但是，與平原地區不同，西部山區的地形和環境等較為復雜，這就使得其陡坡段樁柱式橋梁基樁的承載力容易受多方面因素的影響，從而給該類工程建設帶來了一定的難度。因此，加強對其受力情況與施工的研究尤為重要。論文通過分析基樁的承載特性，設計了相應的簡化受力模型，進而對其水平位移與受力情況進行了具體推導。再通過列舉某山區的實際工程，來對其滑坡推力、基樁內力、樁端末平衡彎矩、進行實際的計算與驗證。由此可知，加強對陡坡段樁柱式橋梁基樁的防護、加固與維修，能夠有效促進橋梁工程的順利進行，并確保其使用過程中的安全性。

陡坡段；受力分析；樁柱式橋梁；施工；基樁

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.007

1　引言

隨著我國有關西部建設政策的實施，更多的高速公路與鐵路也隨之延伸到山區。但是，與東部和中部地區不同，西部山區具有特殊的水文地質環境。因此，在進行西部高速公路和鐵路建設時，有關施工單位和技術人員時常要解決一些路段縱坡坡度較大、坡面變化復雜和地面高差較大的問題。此外，在選擇路線時，為有效保護環境，減少以上問題發生嚴重情況，橋梁基樁時常會建立于陡坡上，這就更增加了其設計與施工的難度。因此，加強對其受力情況與施工的分析與研究具有重要意義。

2　陡坡段樁柱式橋梁基樁的破壞模式

從一定程度上講，陡坡段樁柱式橋梁基樁一方面要承受豎向的承載力，另一方面還要承受一定的水平荷載[1]。在水平荷載作用下，陡坡段樁柱式橋梁基樁的破壞模式主要與樁周巖土體強度、樁頂與樁端的約束條件和基樁的抗彎剛度等有關。因此，在進行基樁設計計算時，為減少工程隱患，節約工程材料，必須慎重考慮這些因子的取值。

在進行水平受荷樁的設計計算時，對于不同類型的樁，要具體分析其相應的破壞模式。根據水平受荷樁--土變形系數和基樁長度的乘積，可將水平受荷樁分為彈性長樁、半剛性樁和剛性短樁[2]。因此，其相應的破壞模式也有以下3種類型。

1）彈性長樁

在不考慮樁頂的情況下，相對于土體來說，基樁呈柔性，通過水平推力的作用，樁身會出現嚴重的撓曲變形。在樁頂嵌固時，一方面樁頂會出現較大的反彎矩，另一方面反彎矩會沿著深度逐漸轉化為正彎矩，進而會出現兩個最大的彎矩截面。當樁身彎矩超過樁周土體或其截面抗彎承載力時，就會破壞彈性長樁。

2）半剛性樁

具體來說，它在樁頂自由時，通過水平推力作用，會使基樁發生撓曲變形。半剛性樁破壞模式主要有斷樁破壞和樁周土體破壞，其遭到破壞的成因：（1）樁周土體發生塑性變形；（2）配筋不足。

3）剛性短樁

在相同條件下，剛性短樁會沿著某一轉動中心產生剛體轉動。由于轉動中心以上和以下的土體都會產生水平抗力，并且方向相反，就會出現一轉動力矩。因此，樁周土破壞就是剛性短樁的破壞模式。在樁頂嵌固時，在水平推力作用下，由于基樁自身抗彎承載力無法承載樁頂彎矩，就會使基樁遭到破壞。

3　陡坡段樁柱式橋梁基樁的受力分析

3.1基樁的承載特性

3.1.1在其自身承載特性方面

除承受上部結構荷載外，陡坡段樁柱式橋梁基樁還要承載來自側向分布推力的作用[3]。因為邊坡自身和施工工程中所存在的一些問題，陡坡段樁柱式橋梁基樁會影響邊坡自身的穩定性，會出現橋位處邊坡滑動等情況，甚至會在邊坡內部出現潛在的滑動面。因此，除承受橋梁上部結構傳遞下來的組合荷載外，樁柱式橋梁基樁還要承受邊坡外側巖土體對基樁的水平抗力和來自邊坡滑動引起的樁側土壓力。此外，在有關的施工過程中，一方面需要在樁基上側邊坡上架設起重機、架橋機等重型施工設備，另一方面還需要開設施工便道。這就使得邊坡的滑動變形在一定程度上發展增大，更加劇了基樁受力狀況的復雜性。

3.1.2在簡化受力模型方面

在上覆風化程度較高的巖土層建設陡坡段樁柱式橋梁基樁時，根據橋梁各部分之間的相互作用，可將其分為3段，即嵌巖段、承載段和墩柱段[4]。其中：墩柱段重點是要承載來自上部結構的組合荷載；承載段一方面要承載來自自由段的荷載，另一方面也要承載由于坡巖土體變形而帶來的剩余下滑力和地基抗力；嵌巖段重點是要承載來自承載段的組合荷載和地基抗力。

3.2基樁的設計計算

3.2.1計算分析過程

由于陡坡段樁柱式橋梁基樁的受力狀況比較復雜，進行基本假定，有利于進行理論分析、計算和實際工程的應用。

1）滑坡推力分布函數（見表1）

在計算高陡巖質邊坡段樁柱式橋梁基樁的內力時，為確定巖質邊坡的潛在滑動面，首先要對巖體中斷層、裂紋、夾層和節理等進行假定分析；其次，再對坡體推力的大小及其分布情況進行計算;最后，可通過現場實測推力數據得到推力大小和形狀。已知，樁后滑坡推力分布函數p(z)的計算公式(1)為：

式中，ζ、η和p0均為待定系數；z為該樁段頂點與計算點之間的距離。若ζ=0，η=0，p0≠0，則其為矩形；若ζ=0，p0=0，η≠0，則其為三角形；若ζ=0，η≠0，p0≠0則其為梯形；若p0=0，ζ≠0，η≠0，則其為拋物線形。

表1　滑坡推力分布函數

2)地基坑力

若其樁周巖土體抗力沿深度呈線性分布，則分布函數計算公式(2)為：

式中，K(z)為地基坑力系數，kN/m4;x為基樁水平位移，m;b1為基樁有效計算寬度，m。假設,用C表示地基坑力分項系數，kN/m4;m表示地基坑力比例系數,kN/m4；則承載段地基坑力系數K(z)=mz；嵌巖段地基坑力系數K(z)=mz+C。

3）假設

假設基樁變形都在彈性變形階段，并忽略樁身自重和樁側摩阻力。

3.2.2受力分析解答過程

1）建立方程

以承載段為例，根據上述假定分析，可建立與該樁段某一微元體有關的內力分析平衡微分方程。對基樁微元的受力分析如圖1所示。

圖1　基樁微元受力分析圖

圖中,M、P、Q分別為基樁微元體的樁頂彎矩、水平荷載和豎向荷載。

在基樁微元體下端的中點取矩，有：

略去二階微分，對式（3）求導，有：

根據

令

式中，E為樁的彈性模量，kPa;I為樁的慣性矩，m4。

把式（5）、式（6）帶入式（4），有：

2）建立邊界條件微分方程

具體來說，樁頂的邊界條件包括樁頂自由、樁頂彈嵌、樁頂嵌固和樁頂鉸支。其邊界條件微分方程如下。

（1）樁頂自由

式中，EIp為樁身抗彎剛度；M0為樁頂偏心彎矩；Q0為樁頂水平分力；x′、x″、x″′為樁身位移，λ為修正系數。

（2）樁頂彈嵌

式中，φ為內摩擦角。

1.4 統計學方法 采用SPSS 22.0統計軟件進行數據分析。計量資料以x±s表示，組間比較采用t檢驗；計數資料以百分比表示，采用χ2檢驗。以P<0.05為差異有統計學意義。

（3）樁頂嵌固：

(4)樁頂鉸支

(5)樁端嵌固

式中，l為樁在局部沖刷線以下的橋梁跨徑。

4　陡坡段樁柱式橋梁基樁的施工

4.1工程概況

以南方一山區高架橋施工建設為例。

該高架橋全長549.89m，所處區域地形起伏較大，穿行于山坡和山谷之間，左側是一條河流，右側是山嶺谷丘的原始地貌，路線緊靠河北岸，通行條件比較困難。其橋臺是樁柱式；中心樁號為k154+550；上部構造是預應力混凝土T梁；下部構造由樁基礎和預應力蓋梁獨柱式橋墩組成。根據實地勘察可知，該橋梁所處地層有（強風化和中風化）壓碎巖、亞黏土和塊石土。根據對橋梁和路線設計線的觀測和推算可知，其地面高差為5~8m，中心線距離5.25m，山體局部坡度是43.6~56.7°。

4.2具體分析與計算

根據該橋梁的實際工程概況，選用三角形分布的方法來計算與工程有關的參數。計算結果為：滑坡推力p(z) =180kN/m；柱長1.0m；墩柱高l1=16.0m；承載段l2=4.0m；嵌巖段長l3=6.0m。已知樁身材料是C20混凝土，其截面是直徑為2.8m的圓形，彈性模量是28.0GPa；墩柱截面尺寸為2.6m× 2.0m；滑動面以上地基抗力比例系數，m1=500kN/m4其以下地基抗力比例系數m2=8000kN/m4；偏心彎矩是958kN·m；水平荷載為165kN；柱頂豎向荷載為12800kN。根據上述計算方法計算該橋梁工程，可算出樁身水平位移和其內力結果。通過分析可知，與之前相比，隧道和支護都符合設計和施工規范，并都處于穩定狀態。

5　結語

綜上所述，與水平地面的基樁不同，陡坡段樁柱式橋梁基樁的受力情況容易受多種因素的影響。因此，為有效降低陡坡段樁柱式橋梁基樁的受力，減少基樁破損等情況的發生，確保整個橋梁的質量與安全，必須具體分析并計算陡坡段樁柱式橋梁基樁的受力，找出主要影響其穩定性的因素，從而有效地對其進行加固處理。

【1】王黛,尹平保,寧夏元.陡坡段樁柱式橋梁基樁受力分析及工程應用[J].公路工程,2012（4）:73-77.

【2】劉闖.陡坡段樁柱式橋梁基樁受力分析與應用實踐[J].中國水運, 2014（4）:249-250.

【3】趙明華,楊超煒,楊明輝.基于有限桿單元法的陡坡段橋梁基樁受力分析[J].中國公路學報,2014（6）:51-58.

【4】成瀅,羅忠濤,尹平保.山區樁柱式橋梁基樁破壞模式和受力分析[J].交通科學與工程,2013（3）:28-33.

StressAnalysisandConstructionof Pile FoundationatSteepSlopeSectionofBridge

ZHANGKe-zhi
（ChinaRailway twenty-oneBureau Group Fifth EngineeringCo.Ltd.,Chongqing 400025,China）

Thenew period,with thecontinuousdevelopmentofsociety,thepileatsteep slopesectionofbridgehasbeenw idelyused and western mountainous areas.But,Different from plain area,the western mountains terrain and the environment is more complex, whichmakesthesteepslopesectionofpilecolumnbridgepilebearingcapacityareeasily influencedbymany,which to theconstruction of the project brought a certain degree of difficulty.Therefore,it is particularly important to strengthen the study of its stress and construction.Throughanalysisofpile load bearing characteristics,design thecorrespondingsimplifiedmechanicalmodel,and on the horizontal displacementand stressofconcrete is.Followed by listing somewhere in themountainsofpractical engineering,to thrust, pile internal force,pile end moment equilibrium,the actual calculation and verification of the landslides in the.And thus it may be known,strengthenprotectionofsteepslopesectionofpilecolumnbridgepile,reinforcementandmaintenance,caneffectivelypromote thesmoothprogressofthebridgeengineering,and toensuretheuseofsafety.

steepslope;forceanalysis；pilecolumnbridge;construction;pile

U443.15

A

1007-9467（2016）11-0036-03

張克智（1975～），男，甘肅隴西人，高級工程師，從事土木工程設計與研究。

2016-06-21