黃土地區(qū)斜陡坡對群樁基礎(chǔ)承載力的影響

王旭東, 郝憲武, 吳文濤

(長安大學 公路學院, 陜西 西安 710064)

隨著我國“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的提出,西部地區(qū)路網(wǎng)建設(shè)進一步完善,在西部黃土溝壑地區(qū)修建的橋梁不斷增多[1].由于黃土溝壑地形的特殊性,加之氣候、施工、載荷等各種因素的綜合影響,使得橋梁結(jié)構(gòu)修建后,諸多橋梁樁基呈現(xiàn)高陡坡布置、樁基沖刷外露、有效樁長減少、樁基局部裂縫等特點.與平坡地區(qū)的群樁基礎(chǔ)相比,陡坡地區(qū)上的群樁基礎(chǔ)有其自身特點,平坡地區(qū)的樁周圍土體一般被認為是半無限空間體,但因陡坡上樁基周圍土體分布的不對稱性,不能看作半無限空間體[2-5].側(cè)摩阻力很難在邊坡附近的土體中起作用,導(dǎo)致樁基礎(chǔ)承載能力降低.

目前國內(nèi)外針對陡坡樁基主要以單樁研究為主,馮忠居等[6]在綜合考慮黃土沖溝區(qū)斜坡對樁基影響的基礎(chǔ)上,運用自主研發(fā)的實驗平臺,分析了樁基在黃土地區(qū)的受力機理,并給出工程建議.龔先兵等[7]通過室內(nèi)模型承載試驗,對不同坡度下高陡坡橫坡段橋梁樁基的載荷傳遞規(guī)律、內(nèi)力分布規(guī)律及樁側(cè)土壓力分布規(guī)律進行研究.Ellis等[8]在二維有限元分析中,通過建立“連接單元”考慮樁-土之間的相互作用,取得了良好效果.高璇[9]采用模型試驗的方法,研究了不同坡度、不同樁長下的樁基承載能力.在黃土地區(qū)平坡群樁承載特性的研究方面,丁小軍等[10]運用模型實驗的方法,對黃土地區(qū)群樁基礎(chǔ)的極限承載能力及其影響因素進行研究,分析了不同角樁間距下的群樁基礎(chǔ)承載性能和沉降變形特征.Kelesoglu等[11]通過建立軟土地基中群樁樁基有限元模型,對堆載影響下的樁基位移和內(nèi)力進行分析并與試驗數(shù)據(jù)進行對比,結(jié)果表明有限元模擬結(jié)果良好.高永貴[12]進行了黃土地區(qū)中低承臺群樁基礎(chǔ)承載力的實驗研究,得出了黃土地區(qū)中低承臺群樁基礎(chǔ)豎向承載力經(jīng)驗公式.

綜上所述,目前對陡坡樁基豎向承載力的研究成果及工程經(jīng)驗大多針對單樁,對群樁基礎(chǔ)的研究主要集中于平坡樁基,鮮有對黃土地區(qū)陡坡群樁基礎(chǔ)數(shù)值分析的研究報道.為此,本文以陜西省黃土高原腹地某連續(xù)剛構(gòu)橋梁下部群樁基礎(chǔ)為工程依托,運用數(shù)值模擬方法,在考慮各土層之間相互作用的同時,考慮樁-土之間的相互作用,進一步分析黃土地區(qū)陡坡對群樁基礎(chǔ)承載力的影響,為黃土地區(qū)橋梁群樁基礎(chǔ)設(shè)計提供參考.

1 工程概況

本文所選工程位于西部黃土溝壑地區(qū),該地區(qū)地勢變化較大,地貌以陡坡、陡坎為主.地層主要由Q3、Q2黃土及T2t強-中砂巖構(gòu)成[13].該連續(xù)剛構(gòu)橋群樁基礎(chǔ)位于縱向單坡型陡坡,坡度為60°,臨坡距為4 m,該連續(xù)剛構(gòu)橋下部橋墩結(jié)構(gòu)采用空心薄壁墩,基礎(chǔ)采用4樁承臺布置,樁與承臺剛性連接,采用C30混凝土,承臺尺寸4 m×4 m×1.6 m,樁長L=16 m,樁徑D=1 m,在橋梁上部結(jié)構(gòu)修建過程中,不斷監(jiān)測樁基沉降量變化情況,測得樁頂最終沉降量約為1.8 cm,上部載荷總重約為6 500 kN.基礎(chǔ)布置及尺寸如圖1所示.

圖1 群樁基礎(chǔ)布置圖(單位:cm)Fig.1 Layout of pile group foundation(unit: cm)(a)—正視圖; (b)—俯視圖.

2 數(shù)值模擬

運用三維有限差分軟件FLAC3D進行數(shù)值模擬分析,FLAC3D作為巖土領(lǐng)域的專用軟件,其擁有豐富的材料本構(gòu)庫,可以較為準確地模擬土體的力學特性.樁-土相互作用是樁基礎(chǔ)工作的前提,在黃土陡坡地區(qū),土體單側(cè)缺失造成樁基所處的受力環(huán)境十分復(fù)雜,通過建立三維空間模型,能更準確地模擬樁-土之間的相互作用,從而實現(xiàn)分析受力特性的目的.根據(jù)陡坡群樁基礎(chǔ)的受力機理,綜合考慮陡坡、群樁基礎(chǔ)、外載荷的共同作用,計算分析時采用如下假定[14]:

1) 土層為各向同性均質(zhì)彈塑性材料;

2) 承臺、樁基均為各向同性均質(zhì)彈性體;

3) 當接近極限載荷時,樁周土體產(chǎn)生破壞,鋼筋混凝土樁自身不產(chǎn)生破壞;

4) 建立樁-土之間的耦合彈簧,耦合彈簧參數(shù)保持不變.

2.1 群樁基礎(chǔ)承載能力影響因素

陡坡地形對群樁基礎(chǔ)承載能力的影響主要體現(xiàn)在坡度、臨坡距、樁長、樁徑等因素,其中坡度、坡長對樁基承載能力的影響最為顯著,本文針對坡度、臨坡距2個因素對黃土地區(qū)群樁基礎(chǔ)豎向承載能力的影響進行數(shù)值模擬分析,選定坡度分別為0°、30°、45°、75°、90°;選定臨坡距分別為D、2D、4D、6D、8D;分別考慮在同一臨坡距,不同坡度及同一坡度,不同臨坡距這2種情況下對樁基承載能力的影響,總結(jié)其影響規(guī)律,為黃土地區(qū)陡坡群樁基礎(chǔ)設(shè)計提供參考.

2.2 計算模型的建立

1) 數(shù)值分析模型.土體計算范圍的選取對計算結(jié)果有著重要影響,為保證選取的土體范圍超出樁-土相互作用的影響,通過試算及參考他人研究成果后[15],選取群樁基礎(chǔ)底部1.5倍樁長,樁側(cè)50倍樁徑的土體進行分析.土體采用實體單元建模,通過設(shè)置土體參數(shù)模擬不同土層的力學特性,樁基采用樁結(jié)構(gòu)單元進行模擬,該結(jié)構(gòu)單元通過建立與土體之間的耦合彈簧,較準確地模擬實際土體中樁基的力學行為.陡坡群樁基礎(chǔ)有限差分計算模型如圖2所示.

圖2 陡坡群樁基礎(chǔ)有限差分模型(單位:m)

2) 材料本構(gòu)模型.土層采用Mohr-Coulomb準則的彈塑性本構(gòu)模型模擬,該本構(gòu)模型能較好地描述土體的力學特性,在巖土領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[16].樁基和承臺采用各向同性彈性本構(gòu)模型,該本構(gòu)模型可以更好地模擬混凝土在拉伸和低應(yīng)力下的力學性能.樁-土接觸模擬依賴于在結(jié)構(gòu)單元和實體元件之間設(shè)置的耦合彈簧,耦合彈簧分為切向耦合彈簧和法向耦合彈簧,通過分別設(shè)置其參數(shù),可以較好地反應(yīng)樁基與土體之間的相互作用.

2.3 計算模型參數(shù)選取

1) 樁土計算參數(shù).根據(jù)工程地質(zhì)勘查報告并結(jié)合《工程地質(zhì)手冊》[17]和工程經(jīng)驗,土體計算參數(shù)選取如表1所示.因不考慮鋼筋混凝土的拉壓破壞,樁基與承臺均視為各向同性的彈性體,采用彈性本構(gòu)模型進行模擬,承臺與樁基參數(shù)選取為:彈性模量3×104MPa、泊松比0.3、重度25 kN·m-3.

表1 土體計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of soil

2) 樁-土接觸面耦合參數(shù).接觸彈簧參數(shù)的選取參考了Randolph[18]和Loganathan[19]等提出的樁-土相互作用的經(jīng)驗公式,接觸彈簧的法向剛度Kn和切向剛度Ks由式(1)和式(2)導(dǎo)出.

式中:Ep為樁基的彈性模量;G為土體剪切模量.

樁-土接觸面參數(shù)的選取見表2.

表2 接觸面耦合參數(shù)Table 2 Coupling parameters of contact surface

3 陡坡群樁基礎(chǔ)承載特性

3.1 極限承載力確定

樁基P(載荷)-S(沉降)曲線是樁基與土體相互作用最直觀的體現(xiàn),對于摩擦樁或大直徑樁,其P-S曲線多呈緩變型,可將沉降量作為樁基極限承載力控制指標,該沉降量取值一般不能超過4～6 cm[20].又因橋梁上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)不均勻沉降變形較為敏感,需要基礎(chǔ)具有較高的安全冗余度,綜合考慮以上因素,以不影響橋梁結(jié)構(gòu)正常使用為前提,本文將樁基沉降量為4 cm時所對應(yīng)的載荷作為群樁基礎(chǔ)的豎向極限承載力.

3.2 坡度對群樁基礎(chǔ)承載力的影響

極限承載力計算采用分步施加的方式進行,共施加載荷為15 kN,分為15步施加,每級加載1 kN.在臨坡距為D和4D時,計算不同坡度下群樁基礎(chǔ)的P-S曲線,結(jié)果如圖3所示.

圖3 不同坡度下群樁基礎(chǔ)P-S曲線Fig.3 P-S curves of pile groups under different slopes(a)—臨坡距D; (b)—臨坡距4D.

從圖3可以看出,在相同載荷作用下樁基沉降位移隨坡度的增加而逐漸增大,且隨著坡度的增加,位移增大趨勢越來越快,樁基承載能力逐漸降低.臨坡距為D時,不同坡度下群樁基礎(chǔ)豎向極限承載力PMAX、樁側(cè)摩阻力PC、樁端摩阻力PD的數(shù)值及樁側(cè)摩阻力特征值(PC/Pmax)、樁端摩阻力特征值(PD/Pmax)見表3,其對比圖如圖4、圖5所示.

表3 不同坡度下樁基承載特性Table 3 Characteristic values of pile bearing capacity

圖4 坡度變化對樁基承載能力的影響

圖5坡度變化對摩阻力的影響

Fig.5Influenceofslopechangeonfrictionalresistance

從圖4、圖5可以看出,由于樁側(cè)土體的缺失效應(yīng),造成樁基側(cè)摩阻力無法充分發(fā)揮,導(dǎo)致群樁基礎(chǔ)承載能力降低,且當坡度大于45°時,側(cè)摩阻力占樁基承載能力的比例迅速下降,端摩阻力占樁基承載能力的比例迅速上升,但由于側(cè)摩阻力損失明顯,樁基承載能力隨坡度增加呈下降趨勢.當坡度為90°時,側(cè)摩阻力占比不足50%.因此,坡度對群樁基礎(chǔ)承載力的影響不可忽略,且當坡度大于45°時,坡度對承載能力的影響顯著增加.在工程實踐中,需注意高陡坡對群樁基礎(chǔ)的影響.以上結(jié)果的詳細分析如下.

當坡度為30°時,樁基承載能力較平坡時下降12.05%,樁側(cè)摩阻力較平坡時下降17.65%,側(cè)摩阻力占樁基承載力的比例下降為70%,端摩阻力占樁基承載力的比例上升為30%.

坡度為45°時,樁基承載能力較平坡時下降14.43%,樁側(cè)摩阻力較平坡時下降24.70%,側(cè)摩阻力占樁基承載力的比例下降為66%,端摩阻力占樁基承載力的比例上升為34%.

坡度為60°時,樁基承載能力較平坡時下降20.20%,樁側(cè)摩阻力較平坡時下降37.22%,側(cè)摩阻力占樁基承載力的比例下降為59%,樁端摩阻力占樁基承載力的比例上升為41%.

坡度為75°時,樁基承載能力較平坡時下降27.27%,樁側(cè)摩阻力較平坡時下降49.57%,側(cè)摩阻力占樁基承載力的比例下降為52%,樁端摩阻力占樁基承載力的比例上升為48%.

坡度為90°時,樁基承載能力較平坡時下降33.90%,樁側(cè)摩阻力較平坡時下降63.87%,側(cè)摩阻力占樁基承載力的比例下降為43%,樁端摩阻力占樁基承載力的比例上升為57%.

3.3 臨坡距對群樁基礎(chǔ)承載力的影響

與平坡地區(qū)相比,黃土溝壑地區(qū)陡坡處樁基因樁周土體的缺失效應(yīng),造成側(cè)摩阻力無法充分發(fā)揮,尤其當坡度大于45°時,群樁基礎(chǔ)承載力明顯降低.因此,在考慮坡度影響的基礎(chǔ)上,分別在坡度為60°、75°、90°時,選取5種不同的臨坡距來計算分析其對群樁基礎(chǔ)承載能力的影響.在同一坡度、不同臨坡距下,群樁基礎(chǔ)P-S曲線如圖6所示.將不同臨坡距下的樁基特征值匯總?cè)绫?所示.總結(jié)臨坡距對樁基摩阻力的影響規(guī)律,結(jié)果如圖7所示.

圖6 不同臨坡距時群樁基礎(chǔ)承載特性Fig.6 Bearing characteristics of pile group foundation with different slope distance(a)—60°陡坡; (b)—75°陡坡; (c)—90°陡坡.

從圖6可以看出,在同一坡度時,群樁基礎(chǔ)承載能力隨臨坡距的增加而增加,且隨著臨坡距的增加,樁基沉降變化越來越緩慢.臨坡距對樁基承載能力的影響,隨著坡度增加而逐漸加大.

表4 不同臨坡距下樁基承載特性Table 4 Characteristic values of pile bearing capacity under different slope distance

圖7 臨坡距對摩阻力的影響Fig.7 Influence of slope distance on frictional resistance(a)—60°陡坡; (b)—75°陡坡; (c)—90°陡坡.

從圖7可以看出,隨著臨坡距增加,樁端摩阻力呈減小趨勢,樁側(cè)摩阻力呈增大趨勢.當坡度為60°時,側(cè)摩阻力在臨坡距達到4D后迅速增加;當坡度為75°、90°時,側(cè)摩阻力均呈線性增加.說明當坡度大于75°時,臨坡距對樁基承載能力的影響更為敏感.對于以上結(jié)果的詳細分析如下.

當坡度為60°,臨坡距從D增加到8D時,樁基承載能力較前者分別增加4.62%、3.74%、5.10%、3.03%,臨坡距對群樁基礎(chǔ)承載能力的影響最大達到5%;當臨坡距為8D時,樁基承載能力較平坡時虧損6.17%.

當坡度為75°,臨坡距從D增加到8D時,樁基承載能力較前者分別增加5.94%、5.20%、6.49%、6.26%,臨坡距對群樁基礎(chǔ)承載能力的影響均在5%以上;當臨坡距為8D時,樁基承載能力較平坡時虧損8.58%.

當坡度為90°,臨坡距從D增加到8D時,樁基承載能力較前者分別增加6.56%、11.31%、12.70%、3.70%,臨坡距對樁基承載能力的影響最大達到12.70%;當臨坡距為8D時,樁基承載能力較平坡時虧損7.65%.

4 結(jié) 語

以黃土地區(qū)某橋下部群樁基礎(chǔ)為依托,研究坡度、臨坡距對群樁基礎(chǔ)承載力的影響,得到以下結(jié)論.

1) 在同一臨坡距時,樁基承載力與坡度負相關(guān),隨坡度增加,樁基承載力最大降幅達30%.在工程實踐中,需注意高陡坡對群樁基礎(chǔ)的影響.

2) 在同一坡度時,樁基承載力與臨坡距正相關(guān),隨著坡度增加,臨坡距對承載能力的影響更加顯著.在工程應(yīng)用中,可通過增加臨坡距的方式 滿足經(jīng)濟性和安全性的要求.

3) 坡度對側(cè)摩阻力的影響較臨坡距對側(cè)摩阻力的影響更為顯著,且當坡度大于45°時,側(cè)摩阻力下降明顯.

4) 坡度及臨坡距的存在改變了樁周土體的力學特性,使群樁基礎(chǔ)的承載能力較平坡時有明顯不同,應(yīng)特別注意坡度及臨坡距對群樁基礎(chǔ)承載能力的影響.