高陡邊坡中橋梁樁基的內力與變形研究

張宇辰

摘 要：隨工程建設高速發展，山區交通基礎設施建設開發，一些復雜交通工程須建立在陡峭的邊坡上，其選擇高架橋或半路半橋形式利于環保及邊坡穩定，橋梁通常選擇樁基礎-高墩橋梁的形式。本文研究分析高邊坡在堆載、豎向荷載、水平荷載及傾斜荷載作用下樁基承載機理和力學特性，分析荷載對樁基承載和受力狀況、樁身變形影響度，探討樁周土性質、樁身剛度、嵌巖深度對邊坡段橋梁樁基變形和內力的影響。

關鍵詞：高陡邊坡;橋梁樁基;受力變形

1前言

隨經濟社會高速發展，我國基礎建設加快，國家大力開發深山老區，一些復雜公路鐵路交通工程需采用高架橋或半路半橋形式，穿山越嶺的工程隨中國交通的發展已司空見慣，此類橋梁樁基礎需要建立在高邊坡上，其受力和承載較復雜，不能簡單把邊坡上的橋梁樁基看成平地樁基，也不能看成抗滑樁。因邊坡存在，樁周土體不能再視為半無限空間體，樁基側摩阻力和樁前抗力都會受到不同程度影響。邊坡上單樁基礎與雙樁基礎會出現很大差異，因系梁存在，橋梁前后樁基所表現出來的承載和受力特性也會不同，系梁可調整前后排樁荷載分布和彎曲變形，樁基臨坡面土體缺失情況不同會導致其樁基前后排樁的樁側阻力發揮不同。邊坡段橋梁樁基研究已成為難題。山區邊坡段橋梁樁基除受地形影響，其所受荷載也較復雜，樁基要承受來自上部結構和自身荷載，還因風力、車輛制動、地震、坡面堆載等因素引起荷載，這些荷載作用的大小和方向皆有不確定性，且相互組合后，會更復雜。對于樁基承載機理、受力特性、荷載傳遞規律并沒有一套能夠指導工程實踐的完整理論體系。故針對邊坡段橋梁樁基特點，研究邊坡段橋梁樁基承載機理、受力特性，提出可指導設計施工理論體系有重大意義。

2邊坡穩定性及滑坡推力研究

2.1邊坡穩定性分析法

邊坡穩定性分析可分為確定性和不確定性分析，確定性法包括極限平衡和數值分析法。

隨計算機科學技術發展，數值分析廣泛運用。邊坡穩定不確定性分析方法種類繁多，在未來，不確定性分析法將成為重要分析途徑。數值分析能對復雜邊坡條件進行全方面考慮，既能分析邊坡穩定性，又能掌握邊坡應力應變狀態，可對邊坡變形和破壞機理認識更深。

2.2滑坡推力計算法

（1）首先求解全截面上全滑坡總推力，按在該橫截滑動方向截面上滑體厚度不同分配出各段每米寬推力大小;

（2）在平行滑動方向上分段，每段代表斷面上每米寬滑坡推力都可求出，綜合各段推力能求解出全滑坡推力。

（3）滑坡推力分布

一般認為滑坡推力分布主要有三角形、矩形和梯形三種。部分學者認為滑坡推力分布及其合力作用點位置受滑坡的類型、滑動面形狀、部位、地層性質、抗滑結構變形情況及地基系數等綜合因素的影響，但主要與滑坡體結構和抗滑結構物的受力變形有關?？够瑯对趯嶋H受力時其真實滑坡推力分布應為拋物線性形。

3邊坡上橋梁樁基承載機理

邊坡橋梁樁基的承載機理及受力狀態與平地樁或邊坡抗滑樁不同，邊坡橋梁樁基受到結構上部荷載和邊坡推力作用，具有承重和阻滑雙重功能。邊坡橋梁樁基受到豎向和橫向荷載，又受到傾斜荷載，各荷載組合作用并不等于荷載間簡單疊加。

3.1豎向荷載作用下樁基受力特性

樁基豎向承載力由樁側阻力和樁端阻力組成。豎向荷載作用承臺，承臺傳遞樁體，樁身受到荷載擠壓產生豎向位移，土體將產生抵抗土體向下位移趨勢，產生土體摩擦力，該摩擦力會承擔一部分上部傳遞荷載，使樁身軸力變小，樁體壓縮變形從上往下，樁體側摩阻力也從上往下。樁身位移轉遞到樁端，樁端產生豎向位移，樁端阻力隨即產生，隨荷載增大，樁端阻力增大，樁端阻力所占承載力比例也增大，并最終趨于穩定比例。樁側阻力先于樁端阻力發揮，樁側阻力由樁身上部往下部逐漸發揮，當荷載足夠大的時候才會產生樁端阻力。樁側和樁端阻力位移部位不同。樁側阻力發揮與樁長、樁徑、樁周土體性狀、樁體剛度、樁土相對位移等有關。

3.2樁土間工作性狀

豎向荷載作用承臺，承臺傳遞樁基，樁身受到上部荷載產生壓縮變形，樁體壓縮變形致樁體向下位移，產生土體摩擦力，樁側摩阻力會抵消樁頂豎向荷載和樁身自重，樁身軸力隨著樁身長度遞減，在荷載范圍內，樁身一定深度下軸力為零。樁身壓縮量隨樁身長度遞減，樁身壓縮量為零處點樁側阻力為零，零點以下樁身部分都不發揮樁側阻力。隨樁頂荷載不斷增大，樁身壓縮量為零的點繼續向樁身下部移動，樁身側摩阻力從上到下逐步發揮，直到零點到達樁端，這時樁端阻力開始發揮。可用荷載傳遞法來描述荷載傳遞過程。

3.3水平荷載作用下橋梁樁基的受力特性

在高陡邊坡橋梁樁基中，會受到豎向荷載，因車輛制動、風荷載等引起橫向荷載也會影響。邊坡滑動對樁體產生推力，樁前產生抵抗樁基位移抗力。

水平荷載作用下，樁身受到側向擠壓作用產生偏移，樁身偏移會使土體受到擠壓變形，使土體處于彈性，加大水平荷載，樁身側移增加，土體出現塑性屈服，荷載繼續增大，土體塑性屈服由土體上部向下部傳遞，直到全部屈服破壞。

樁身結構強度、樁周土體性質、樁徑、樁間距和樁身抗彎剛度影響樁基水平承載力。當樁間距<4倍樁徑，雙樁結構協調差，不能充分發揮雙樁承載性能;樁間距>8倍樁徑，雙樁間相互作用可忽略;樁間距在4～8倍時，前后樁可相互協調配合，分擔荷載，發揮土體抗力，有利于提高水平承載性能。

3.4傾斜荷載作用下樁基的受力特性

樁基很少受到單獨豎向或單獨水平荷載，一般是豎向和水平荷載同時作用。在傾斜荷載作用下，樁基會同時受到豎向和水平分量荷載，水平分量的荷載會導致樁基側移，而豎向荷載的作用會對水平荷載下樁基的側移和彎矩有加重作用，即“p-Δ”效應，當樁周土體性質較差或者樁基自由段較長時，“p-Δ”效應產生的附加側向位移和彎矩不可忽略。因此傾斜荷載對樁基的影響不能簡單地將豎向荷載和水平荷載影響疊加，傾斜荷載下樁基受力性狀比單獨受荷樁基受力狀況要復雜。

影響傾斜荷載承載力包括豎向和水平荷載承載力，如樁周土體性質、樁身剛度、樁徑、樁長、邊坡坡度、嵌巖深度、樁體自由段長度、傾斜荷載角度。

（1）樁周土體剛度大、密度大傾斜荷載承載力高。

（2）樁徑大、樁更長、自由段短承載力更高，當樁徑和樁長超出一定范圍時，樁徑和樁長對樁基承載性能影響少。

總結

高陡邊坡橋梁樁基在豎向、水平及傾斜荷載下樁基受力特性、承載機理以及破壞模式。因地理位置特殊性，高邊坡橋梁樁基具有承重和阻滑雙重特性，加上各種荷載作用，使其受力更為復雜。

（1）豎向荷載承載力由樁側摩阻力和樁端阻力共同承擔，樁側摩阻力逐步發揮且樁端阻力會促進樁側阻力發揮。橫向荷載承載力由樁周土體抗力承擔，樁身結構強度、樁周土體性質、樁徑、樁間距和樁身抗彎剛度是影響樁基水平承載力主要因素。

（2）邊坡橋梁樁基與平地橋梁樁基不同，邊坡樁基會受到滑坡推力影響，滑坡推力和橫向荷載會使樁基產生較大橫向側移和撓曲變形，豎向荷載將會使此變形產生附加彎矩，此彎矩會增大樁基撓曲變形，加上樁基臨空面存在，增強了“p-Δ”效應。

（3）傾斜荷載下樁基破壞模式是豎向和橫向荷載及其他加一起所有破壞模式的和。

高陡邊坡橋梁樁基受力狀況復雜，該課題仍需要做更深研究;在實際中，需用到群樁基礎，群樁基礎與雙樁基礎不同，其受力和承載模式更復雜特殊，需對橋梁群樁基礎深入研究。

參考文獻

[1]李小英，杜鵬，任慶芳.承重阻滑樁受力特性分析[J].三峽大學學報：自然科學版，2012， 24（2）：5.