斜坡橋臺樁基豎直承載能力數值分析

唐 朝 陽

(福建省公路管理局，福建 福州 350007)

1 概述

實際工程中，橋梁多采用樁基礎，且往往將樁端嵌入穩定的巖層中，從而形成嵌巖樁。但是樁端嵌入巖層到底多少長度比較合適，即有關嵌巖樁的嵌巖深度問題，在工程界和學術界研究的還不夠清楚，尤其是斜坡嵌巖樁。麻曄等[1]結合自己的經驗提出了最佳的巖石深度。胡杰等[2]通過分析旋挖鉆孔灌注樁和沖擊鉆孔灌注樁兩種施工方法在泥質粉砂巖地區的實際應用，總結出成熟的經驗及合理的參數。唐志等[3]為了獲得可靠的樁基設計參數，針對工程設計采用的嵌巖樁開展了錨樁法試樁試驗。王永藝等[4-6]運用三維有限元軟件對斜坡嵌巖樁豎直、水平和雙向承載特性展開了研究。

2 斜坡嵌巖樁有限差分法分析

2.1 參數的選擇

樁體的材料選用C30鋼筋混凝土參數，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.2，密度為2 500 kg/m3，巖體為中風化砂巖，其物理力學參數為：粘聚力為0.3 MPa，內摩擦角為26°，變形模量為700 MPa，泊松比為0.28，密度為2 260 kg/m3。為研究坡度、嵌巖樁深度、樁徑等參數對斜坡嵌巖樁水平承載力的影響規律，設計好計算方案見表1。模型的計算邊界條件選擇10D影響范圍，模型幾何尺寸如圖1所示。

表1 模型計算參數

2.2 接觸面

鉆孔灌注樁通常在孔壁形成一定粗糙度的凹凸槽，而由于施工因素的作用和影響，樁—巖接觸面設置過于粗糙或光滑都不能準確模擬樁身受荷后的本構關系，本文樁—巖接觸區域樁側與樁側的巖體的接觸采用分界面模擬。FLAC3D的分界面具有摩擦角、粘聚力、剪脹角、法向剛度和切向剛度、抗壓強度以及抗剪強度等參數。

2.3 模型邊界條件

模型為二維實體模型，網格均勻分布。模型底面為固定邊界，側面邊界為水平位移約束，圖2為有限差分網格劃分圖。

2.4 數值模擬加載方式

本文通過以下方式開展數值模擬：1)模型施加自重，然后開挖掉樁單元，進行自重應力平衡，此過程模擬鉆孔過程；2)激活樁單元，給樁單元施加自重應力，樁底和樁側施加與巖體的約束，此過程模擬樁澆筑過程；3)位移場清零，對樁頂分級施加荷載，此過程模擬樁承受水平荷載作用。

3 嵌巖樁豎直承載能力分析

3.1 不同工況下斜坡嵌巖樁承載能力計算

3.2 不同影響因素對斜坡嵌巖樁的影響

從表2,圖3可以看出，隨著坡度的增加，承載力呈現先增加后減少的趨勢，其中在坡度15°時達到承載力最大值。其中樁徑為1.25 m時，嵌巖深度h=6D時，隨著坡度的增加，樁承載力從10.3 MPa先增加到11.7 MPa，后又減少到10.2 MPa；嵌巖深度h=7D時，隨著坡度的增加，樁承載力從11.1 MPa先增加到12.2 MPa，后又減少到11.3 MPa；嵌巖深度h=8D時，隨著坡度的增加，樁承載力從11.8 MPa先增加到12.6 MPa，后又減少到12 MPa；嵌巖深度h=9D時，隨著坡度的增加，樁承載力從12.5 MPa先增加到13.2 MPa，減少到12.6 MPa后又增加到13.1 MPa。

表2 不同工況下樁的承載力

從表2,圖4可以看出，隨著嵌巖深度的增加，承載力逐漸增加，在嵌巖深度h=9D時達到最大值。其中樁徑為1.25 m，坡度為0°時，隨著嵌巖深度的增加，樁承載力從10.3 MPa增加到12.5 MPa；坡度為15°時，隨著嵌巖深度的增加，樁承載力從11.7 MPa增加到13.2 MPa；坡度為30°時，隨著嵌巖深度的增加，樁承載力從10.8 MPa先增加到12.6 MPa；坡度為45°時，隨著嵌巖深度的增加，樁承載力從10.2 MPa增加到13.1 MPa。

從表2,圖5可以看出，隨著樁徑的增加，承載力逐漸減少，在樁徑為1.25 m處達到最大值，斜坡嵌巖樁的承載力大部分比平地樁承載力更大。其中嵌巖深度h=6D，坡度為0°時，隨著樁徑的增加，樁承載力從10.3 MPa減少到8.4 MPa；坡度為15°時，隨著樁徑的增加，樁承載力從11.7 MPa減少到10.3 MPa；坡度為30°時，隨著樁徑的增加，樁承載力從10.8 MPa減少到 9.7 MPa；坡度為45°時，隨著樁徑的增加，樁承載力從10.2 MPa減少到9.7 MPa，后又增加到10.2 MPa，減少到9.2 MPa。

3.3 討論

文獻[5]對樁徑為2 m，坡度為0°,15°,30°,45°和嵌巖深度為6D,7D,8D,9D的斜坡嵌巖樁進行了數值計算。本文計算結果與文獻[5]三維模型數值計算結果進行比較，見表3。從表3可以發現，坡度為0°時，隨著嵌巖深度從6D增加到9D，本文計算承載力為8.4 MPa～11.2 MPa，文獻[5]計算承載力為12.35 MPa～15.40 MPa，文獻[5]計算承載力比本文計算結果大37.5%～47.0%；坡度為15°時，隨著嵌巖深度從6D增加到9D，本文計算承載力為10.3 MPa～11.9 MPa，文獻[5]計算承載力為12.01 MPa～14.76 MPa，文獻[5]計算承載力比本文計算結果大16.7%～24.0%；坡度為30°時，隨著嵌巖深度從6D增加到9D，本文計算承載力為9.7 MPa～11.8 MPa，文獻[5]計算承載力為11.33 MPa～13.10 MPa，文獻[5]計算承載力比本文計算結果大11.01%～16.8%；坡度為45°時，隨著嵌巖深度從6D增加到9D，本文計算承載力為9.2 MPa～11.8 MPa，文獻[5]計算承載力為10.98 MPa～12.71 MPa，文獻[5]計算承載力比本文計算結果大7.71%～19.3%。計算結果表明，本文二維模型計算的承載力偏小，對工程而言計算結果安全系數更高。

表3 本文二維模型計算結果與文獻[5]三維模型計算結果比較

4 結論

本文通過有限差分法數值計算了斜坡嵌巖樁承載力，得到以下結論：

1)受豎向荷載的斜坡嵌巖樁設計時，應綜合考慮斜坡坡度、樁徑和嵌巖深度等因素對樁的承載力的影響。

2)隨著坡度的增加，承載力呈現先增加后減少的趨勢，其中在坡度15°時達到樁承載力最大值。隨著嵌巖深度的增加，樁承載力逐漸增加，在嵌巖深度h=9D時達到最大值。隨著樁徑的增加，樁承載力逐漸減少，在樁徑為1.25 m處達到最大值。斜坡嵌巖樁的承載力大部分比平地樁承載力更大。

3)本文采用二維有限差分模型進行計算，計算承載力結果偏小，對工程建設來說更安全。