抗滑樁設置位置對邊坡上橋墩的加固效果分析

李程旭

(湖南華罡規劃設計研究院有限公司， 湖南 長沙 410076)

修建在軟弱滑坡體上的橋墩，其樁基既要承受橋墩及上部結構傳遞的豎向荷載，還要承受滑坡體橫向位移產生的水平荷載。為提高樁基水平承載能力，常用抗滑樁來限制邊坡滑坡體的橫向位移，減小橋基所受水平荷載。針對抗滑樁加固邊坡巖體的研究很多，如李浩等采用數值模擬方法，分析了臨界破壞時抗滑樁樁身內力及土體力學特性；雷達等通過前后排抗滑樁加固滑坡橋基的振動臺模型試驗，揭示了土體和樁基的動力特性；趙明華等針對圓形樁建立樁間土拱計算模型，分析了土體參數對樁間距的影響；馬俊偉等運用分形理論，研究了抗滑樁加固斜坡失穩過程中坡面位移場的演化規律；李柏春根據監測數據，分析了抗滑樁施工中邊坡的變形。該文通過建立三維實體有限元模型，探究在市政邊坡路堤加載條件下抗滑樁邊坡及橋基的受力和變形規律，為類似工程設計提供參考。

1 計算原理及方法

1.1 樁土相互作用理論

Terzaghi活動門板試驗(見圖1)證明樁體間的土顆粒與樁體上的土顆粒之間會產生相對位移，樁體間的土顆粒將部分自重通過土體間的摩擦作用傳遞到樁體，從而在樁土間產生土拱效應?？够瑯锻ㄟ^土拱效應承擔大部分滑坡體的下滑分力，從而增大邊坡安全系數，達到加固效果。樁土應力比n是衡量樁、土應力分配的主要指標，可用下式表示：

圖1 活動門板試驗示意圖

n=δp/δs

(1)

式中：δp為樁體所受橫向應力；δs為土體所受橫向應力。

1.2 計算模型及參數

某邊坡高58 m，長144 m。上部路堤填土高度為20 m，分10次填筑完畢，每層填筑高度為2 m。橋墩樁基直徑為1 m，樁間距為1.5 m×2.5 m，樁長度為30 m。前排抗滑樁截面尺寸為2 m×4 m，長度33 m；后排抗滑樁尺寸為2 m×3 m，長度19 m，抗滑樁樁端放置在基巖上(見圖2)。

圖2 某邊坡橋梁樁基、抗滑樁橫剖面圖(單位：m)

建立該邊坡有限元模型，模型共包括35 419個網格單元(見圖3)。模型底部為固定端約束，表面為自由邊界。邊坡加載直接采用激活路堤填土單元形式，橋墩樁基礎及抗滑樁均采用彈性強度準則，其余土體采用M-C彈性強度準則。橋墩樁基礎采用樁結構單元，其余材料采用三維實體單元，材料的物理力學參數見表1。樁基與土體的接觸采用界面單元模擬，樁側摩阻力及樁端承載力根據JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》取值，樁端彈簧剛度根據砂巖基床系數確定為6 280 000 kN/m，樁基礎接觸面參數見表2。

表1 材料的物理力學參數

表2 樁界面參數

圖3 邊坡的模型網格

1.3 計算工況

設置3種計算工況(見表3)。在橋墩樁身及抗滑樁表面沿埋深設置11個監測點。

表3 工況設計

2 加固效果分析

2.1 橋墩及抗滑樁位移

工況一下邊坡、橋墩橫向位移分別見圖4、圖5。由圖4、圖5可知：邊坡加載對邊坡穩定性的影響較大，隨著邊坡頂部路堤的加載，邊坡表面黏土向下滑移，最大位移達79 mm；橋墩樁基在黏土地層中發生35 mm橫向位移，隨著樁體埋深的增加，樁基的橫向位移減小。

圖4 工況一下邊坡橫向位移云圖(單位：m)

圖5 工況一下橋墩橫向位移云圖(單位：m)

工況二下邊坡橫向位移見圖6，不同工況下橋墩樁頂橫向位移見圖7。由圖6、圖7可知：工況二下邊坡黏土的最大橫向位移減小為64 mm，說明設置前排抗滑樁能有效限制橋墩上部黏土的滑移。僅設置后排抗滑樁時，橋墩樁基在加載結束后最大橫向位移為32 mm，略小于工況一時位移；設置前排抗滑樁時，橋墩樁基最大橫向位移僅10 mm，設置前排抗滑樁對限制土體位移的效果最好。

圖6 工況二下邊坡橫向位移云圖(單位：m)

圖7 不同工況下橋墩樁頂橫向位移

2.2 橋墩樁基及抗滑樁應力

不同工況下橋墩樁基彎矩見圖8。由圖8可知：在埋深13 m處即黏土與礫石土層交界位置，橋墩樁基產生較大負彎矩。工況二時，樁基負彎矩值最小，為1 157 kN·m；工況一、工況三時，樁基彎矩值較大，分別為2 363 kN·m、2 094 kN·m?？梢?，設置前排抗滑樁對橋墩的減載效果最佳。

圖8 不同工況下橋墩樁基彎矩

不同工況下樁土位移差見圖9。由圖9可知：隨著路堤填筑高度的增加，工況二時樁土位移差大幅提高，而工況三時樁土位移差增長不明顯。

圖9 不同工況下樁土位移差

不同工況下抗滑樁所受橫向壓力見圖10，樁后土體所受橫向壓力見圖11。由圖10、圖11可知：路堤填筑完成后，工況二、工況三時抗滑樁所受橫向應力分別為200 kPa、100 kPa，前排抗滑樁所受推力隨著填筑高度的增加增幅較明顯；工況二時樁后土體所受橫向應力大幅增加，工況三時樁后土體所受推力沒有明顯變化。說明設置前排抗滑樁可在土體中形成理想的土拱效應，改善橋墩樁基受力狀況。

圖10 不同工況下抗滑樁所受橫向壓力

圖11 不同工況下樁后土體所受橫向壓力

3 結論

(1) 邊坡加載對橋梁樁基影響較明顯，路堤加載完成后，邊坡表面黏土層發生滑移，最大位移達79 mm；橋墩樁基最大橫向位移達35 mm，最大彎矩為2 363 kN·m，對橋墩樁基進行減載加固十分必要。

(2) 前排抗滑樁可在土體中產生較理想的土拱效應，有效限制橋墩上部黏土的位移，改善橋墩受力，橋墩最大橫向位移減小為10 mm，最大彎矩減小為1 157 kN·m。

(3) 后排抗滑樁處于滑坡黏土下部，不能有效約束土體位移，難以達到對橋墩樁基的減載效果?？够瑯蹲詈迷O置在被保護結構上方、土體發生位移最大處。