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(tuán)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(tuán)第五工程有限公司，重慶400025）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，陡坡段樁柱式橋梁的基樁也被廣泛應(yīng)用于西部山區(qū)。但是，與平原地區(qū)不同，西部山區(qū)的地形和環(huán)境等較為復(fù)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(lèi)工程建設(shè)帶來(lái)了一定的難度。因此，加強(qiáng)對(duì)其受力情況與施工的研究尤為重要。論文通過(guò)分析基樁的承載特性，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的簡(jiǎn)化受力模型，進(jìn)而對(duì)其水平位移與受力情況進(jìn)行了具體推導(dǎo)。再通過(guò)列舉某山區(qū)的實(shí)際工程，來(lái)對(duì)其滑坡推力、基樁內(nèi)力、樁端末平衡彎矩、進(jìn)行實(shí)際的計(jì)算與驗(yàn)證。由此可知，加強(qiáng)對(duì)陡坡段樁柱式橋梁基樁的防護(hù)、加固與維修，能夠有效促進(jìn)橋梁工程的順利進(jìn)行，并確保其使用過(guò)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(guó)有關(guān)西部建設(shè)政策的實(shí)施，更多的高速公路與鐵路也隨之延伸到山區(qū)。但是，與東部和中部地區(qū)不同，西部山區(qū)具有特殊的水文地質(zhì)環(huán)境。因此，在進(jìn)行西部高速公路和鐵路建設(shè)時(shí)，有關(guān)施工單位和技術(shù)人員時(shí)常要解決一些路段縱坡坡度較大、坡面變化復(fù)雜和地面高差較大的問(wèn)題。此外，在選擇路線時(shí)，為有效保護(hù)環(huán)境，減少以上問(wèn)題發(fā)生嚴(yán)重情況，橋梁基樁時(shí)常會(huì)建立于陡坡上，這就更增加了其設(shè)計(jì)與施工的難度。因此，加強(qiáng)對(duì)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(qiáng)度、樁頂與樁端的約束條件和基樁的抗彎剛度等有關(guān)。因此，在進(jìn)行基樁設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，為減少工程隱患，節(jié)約工程材料，必須慎重考慮這些因子的取值。

在進(jìn)行水平受荷樁的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，對(duì)于不同類(lèi)型的樁，要具體分析其相應(yīng)的破壞模式。根據(jù)水平受荷樁--土變形系數(shù)和基樁長(zhǎng)度的乘積，可將水平受荷樁分為彈性長(zhǎng)樁、半剛性樁和剛性短樁[2]。因此，其相應(yīng)的破壞模式也有以下3種類(lèi)型。

1）彈性長(zhǎng)樁

在不考慮樁頂?shù)那闆r下，相對(duì)于土體來(lái)說(shuō)，基樁呈柔性，通過(guò)水平推力的作用，樁身會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的撓曲變形。在樁頂嵌固時(shí)，一方面樁頂會(huì)出現(xiàn)較大的反彎矩，另一方面反彎矩會(huì)沿著深度逐漸轉(zhuǎn)化為正彎矩，進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)最大的彎矩截面。當(dāng)樁身彎矩超過(guò)樁周土體或其截面抗彎承載力時(shí)，就會(huì)破壞彈性長(zhǎng)樁。

2）半剛性樁

具體來(lái)說(shuō)，它在樁頂自由時(shí)，通過(guò)水平推力作用，會(huì)使基樁發(fā)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(fā)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(huì)沿著某一轉(zhuǎn)動(dòng)中心產(chǎn)生剛體轉(zhuǎn)動(dòng)。由于轉(zhuǎn)動(dòng)中心以上和以下的土體都會(huì)產(chǎn)生水平抗力，并且方向相反，就會(huì)出現(xiàn)一轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)，在水平推力作用下，由于基樁自身抗彎承載力無(wú)法承載樁頂彎矩，就會(huì)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(jié)構(gòu)荷載外，陡坡段樁柱式橋梁基樁還要承載來(lái)自側(cè)向分布推力的作用[3]。因?yàn)檫吰伦陨砗褪┕すこ讨兴嬖诘囊恍﹩?wèn)題，陡坡段樁柱式橋梁基樁會(huì)影響邊坡自身的穩(wěn)定性，會(huì)出現(xiàn)橋位處邊坡滑動(dòng)等情況，甚至?xí)谶吰聝?nèi)部出現(xiàn)潛在的滑動(dòng)面。因此，除承受橋梁上部結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的組合荷載外，樁柱式橋梁基樁還要承受邊坡外側(cè)巖土體對(duì)基樁的水平抗力和來(lái)自邊坡滑動(dòng)引起的樁側(cè)土壓力。此外，在有關(guān)的施工過(guò)程中，一方面需要在樁基上側(cè)邊坡上架設(shè)起重機(jī)、架橋機(jī)等重型施工設(shè)備，另一方面還需要開(kāi)設(shè)施工便道。這就使得邊坡的滑動(dòng)變形在一定程度上發(fā)展增大，更加劇了基樁受力狀況的復(fù)雜性。

3.1.2在簡(jiǎn)化受力模型方面

在上覆風(fēng)化程度較高的巖土層建設(shè)陡坡段樁柱式橋梁基樁時(shí)，根據(jù)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(diǎn)是要承載來(lái)自上部結(jié)構(gòu)的組合荷載；承載段一方面要承載來(lái)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(lái)的剩余下滑力和地基抗力；嵌巖段重點(diǎn)是要承載來(lái)自承載段的組合荷載和地基抗力。

3.2基樁的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.2.1計(jì)算分析過(guò)程

由于陡坡段樁柱式橋梁基樁的受力狀況比較復(fù)雜，進(jìn)行基本假定，有利于進(jìn)行理論分析、計(jì)算和實(shí)際工程的應(yīng)用。

1）滑坡推力分布函數(shù)（見(jiàn)表1）

在計(jì)算高陡巖質(zhì)邊坡段樁柱式橋梁基樁的內(nèi)力時(shí)，為確定巖質(zhì)邊坡的潛在滑動(dòng)面，首先要對(duì)巖體中斷層、裂紋、夾層和節(jié)理等進(jìn)行假定分析；其次，再對(duì)坡體推力的大小及其分布情況進(jìn)行計(jì)算;最后，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)推力數(shù)據(jù)得到推力大小和形狀。已知，樁后滑坡推力分布函數(shù)p(z)的計(jì)算公式(1)為：

式中，ζ、η和p0均為待定系數(shù)；z為該樁段頂點(diǎn)與計(jì)算點(diǎn)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(shù)

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(shù)計(jì)算公式(2)為：

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

3）假設(shè)

假設(shè)基樁變形都在彈性變形階段，并忽略樁身自重和樁側(cè)摩阻力。

3.2.2受力分析解答過(guò)程

1）建立方程

以承載段為例，根據(jù)上述假定分析，可建立與該樁段某一微元體有關(guān)的內(nèi)力分析平衡微分方程。對(duì)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(diǎn)取矩，有：

略去二階微分，對(duì)式（3）求導(dǎo)，有：

根據(jù)

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(lái)說(shuō)，樁頂?shù)倪吔鐥l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(shù)。

（2）樁頂彈嵌

式中，φ為內(nèi)摩擦角。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。計(jì)量資料以x±s表示，組間比較采用t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料以百分比表示，采用χ2檢驗(yàn)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)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(qū)高架橋施工建設(shè)為例。

該高架橋全長(zhǎng)549.89m，所處區(qū)域地形起伏較大，穿行于山坡和山谷之間，左側(cè)是一條河流，右側(cè)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(tái)是樁柱式；中心樁號(hào)為k154+550；上部構(gòu)造是預(yù)應(yīng)力混凝土T梁；下部構(gòu)造由樁基礎(chǔ)和預(yù)應(yīng)力蓋梁獨(dú)柱式橋墩組成。根據(jù)實(shí)地勘察可知，該橋梁所處地層有（強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化）壓碎巖、亞黏土和塊石土。根據(jù)對(duì)橋梁和路線設(shè)計(jì)線的觀測(cè)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(jì)算

根據(jù)該橋梁的實(shí)際工程概況，選用三角形分布的方法來(lái)計(jì)算與工程有關(guān)的參數(shù)。計(jì)算結(jié)果為：滑坡推力p(z) =180kN/m；柱長(zhǎng)1.0m；墩柱高l1=16.0m；承載段l2=4.0m；嵌巖段長(zhǎng)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(dòng)面以上地基抗力比例系數(shù)，m1=500kN/m4其以下地基抗力比例系數(shù)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(jù)上述計(jì)算方法計(jì)算該橋梁工程，可算出樁身水平位移和其內(nèi)力結(jié)果。通過(guò)分析可知，與之前相比，隧道和支護(hù)都符合設(shè)計(jì)和施工規(guī)范，并都處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5　結(jié)語(yǔ)

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(fā)生，確保整個(gè)橋梁的質(zhì)量與安全，必須具體分析并計(jì)算陡坡段樁柱式橋梁基樁的受力，找出主要影響其穩(wěn)定性的因素，從而有效地對(duì)其進(jìn)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(yīng)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(yīng)用實(shí)踐[J].中國(guó)水運(yùn), 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(guó)公路學(xué)報(bào),2014（6）:51-58.

【4】成瀅,羅忠濤,尹平保.山區(qū)樁柱式橋梁基樁破壞模式和受力分析[J].交通科學(xué)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(jí)工程師，從事土木工程設(shè)計(jì)與研究。

2016-06-21