黄土地区斜陡坡对群桩基础承载力的影响

王旭东, 郝宪武, 吴文涛

(长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064)

随着我国“一带一路”发展战略的提出,西部地区路网建设进一步完善,在西部黄土沟壑地区修建的桥梁不断增多[1].由于黄土沟壑地形的特殊性,加之气候、施工、载荷等各种因素的综合影响,使得桥梁结构修建后,诸多桥梁桩基呈现高陡坡布置、桩基冲刷外露、有效桩长减少、桩基局部裂缝等特点.与平坡地区的群桩基础相比,陡坡地区上的群桩基础有其自身特点,平坡地区的桩周围土体一般被认为是半无限空间体,但因陡坡上桩基周围土体分布的不对称性,不能看作半无限空间体[2-5].侧摩阻力很难在边坡附近的土体中起作用,导致桩基础承载能力降低.

目前国内外针对陡坡桩基主要以单桩研究为主,冯忠居等[6]在综合考虑黄土冲沟区斜坡对桩基影响的基础上,运用自主研发的实验平台,分析了桩基在黄土地区的受力机理,并给出工程建议.龚先兵等[7]通过室内模型承载试验,对不同坡度下高陡坡横坡段桥梁桩基的载荷传递规律、内力分布规律及桩侧土压力分布规律进行研究.Ellis等[8]在二维有限元分析中,通过建立“连接单元”考虑桩-土之间的相互作用,取得了良好效果.高璇[9]采用模型试验的方法,研究了不同坡度、不同桩长下的桩基承载能力.在黄土地区平坡群桩承载特性的研究方面,丁小军等[10]运用模型实验的方法,对黄土地区群桩基础的极限承载能力及其影响因素进行研究,分析了不同角桩间距下的群桩基础承载性能和沉降变形特征.Kelesoglu等[11]通过建立软土地基中群桩桩基有限元模型,对堆载影响下的桩基位移和内力进行分析并与试验数据进行对比,结果表明有限元模拟结果良好.高永贵[12]进行了黄土地区中低承台群桩基础承载力的实验研究,得出了黄土地区中低承台群桩基础竖向承载力经验公式.

综上所述,目前对陡坡桩基竖向承载力的研究成果及工程经验大多针对单桩,对群桩基础的研究主要集中于平坡桩基,鲜有对黄土地区陡坡群桩基础数值分析的研究报道.为此,本文以陕西省黄土高原腹地某连续刚构桥梁下部群桩基础为工程依托,运用数值模拟方法,在考虑各土层之间相互作用的同时,考虑桩-土之间的相互作用,进一步分析黄土地区陡坡对群桩基础承载力的影响,为黄土地区桥梁群桩基础设计提供参考.

1 工程概况

本文所选工程位于西部黄土沟壑地区,该地区地势变化较大,地貌以陡坡、陡坎为主.地层主要由Q3、Q2黄土及T2t强-中砂岩构成[13].该连续刚构桥群桩基础位于纵向单坡型陡坡,坡度为60°,临坡距为4 m,该连续刚构桥下部桥墩结构采用空心薄壁墩,基础采用4桩承台布置,桩与承台刚性连接,采用C30混凝土,承台尺寸4 m×4 m×1.6 m,桩长L=16 m,桩径D=1 m,在桥梁上部结构修建过程中,不断监测桩基沉降量变化情况,测得桩顶最终沉降量约为1.8 cm,上部载荷总重约为6 500 kN.基础布置及尺寸如图1所示.

图1 群桩基础布置图(单位:cm)Fig.1 Layout of pile group foundation(unit: cm)(a)—正视图; (b)—俯视图.

2 数值模拟

运用三维有限差分软件FLAC3D进行数值模拟分析,FLAC3D作为岩土领域的专用软件,其拥有丰富的材料本构库,可以较为准确地模拟土体的力学特性.桩-土相互作用是桩基础工作的前提,在黄土陡坡地区,土体单侧缺失造成桩基所处的受力环境十分复杂,通过建立三维空间模型,能更准确地模拟桩-土之间的相互作用,从而实现分析受力特性的目的.根据陡坡群桩基础的受力机理,综合考虑陡坡、群桩基础、外载荷的共同作用,计算分析时采用如下假定[14]:

1) 土层为各向同性均质弹塑性材料;

2) 承台、桩基均为各向同性均质弹性体;

3) 当接近极限载荷时,桩周土体产生破坏,钢筋混凝土桩自身不产生破坏;

4) 建立桩-土之间的耦合弹簧,耦合弹簧参数保持不变.

2.1 群桩基础承载能力影响因素

陡坡地形对群桩基础承载能力的影响主要体现在坡度、临坡距、桩长、桩径等因素,其中坡度、坡长对桩基承载能力的影响最为显著,本文针对坡度、临坡距2个因素对黄土地区群桩基础竖向承载能力的影响进行数值模拟分析,选定坡度分别为0°、30°、45°、75°、90°;选定临坡距分别为D、2D、4D、6D、8D;分别考虑在同一临坡距,不同坡度及同一坡度,不同临坡距这2种情况下对桩基承载能力的影响,总结其影响规律,为黄土地区陡坡群桩基础设计提供参考.

2.2 计算模型的建立

1) 数值分析模型.土体计算范围的选取对计算结果有着重要影响,为保证选取的土体范围超出桩-土相互作用的影响,通过试算及参考他人研究成果后[15],选取群桩基础底部1.5倍桩长,桩侧50倍桩径的土体进行分析.土体采用实体单元建模,通过设置土体参数模拟不同土层的力学特性,桩基采用桩结构单元进行模拟,该结构单元通过建立与土体之间的耦合弹簧,较准确地模拟实际土体中桩基的力学行为.陡坡群桩基础有限差分计算模型如图2所示.

图2 陡坡群桩基础有限差分模型(单位:m)

2) 材料本构模型.土层采用Mohr-Coulomb准则的弹塑性本构模型模拟,该本构模型能较好地描述土体的力学特性,在岩土领域得到广泛应用[16].桩基和承台采用各向同性弹性本构模型,该本构模型可以更好地模拟混凝土在拉伸和低应力下的力学性能.桩-土接触模拟依赖于在结构单元和实体元件之间设置的耦合弹簧,耦合弹簧分为切向耦合弹簧和法向耦合弹簧,通过分别设置其参数,可以较好地反应桩基与土体之间的相互作用.

2.3 计算模型参数选取

1) 桩土计算参数.根据工程地质勘查报告并结合《工程地质手册》[17]和工程经验,土体计算参数选取如表1所示.因不考虑钢筋混凝土的拉压破坏,桩基与承台均视为各向同性的弹性体,采用弹性本构模型进行模拟,承台与桩基参数选取为:弹性模量3×104MPa、泊松比0.3、重度25 kN·m-3.

表1 土体计算参数Table 1 Calculation parameters of soil

2) 桩-土接触面耦合参数.接触弹簧参数的选取参考了Randolph[18]和Loganathan[19]等提出的桩-土相互作用的经验公式,接触弹簧的法向刚度Kn和切向刚度Ks由式(1)和式(2)导出.

式中:Ep为桩基的弹性模量;G为土体剪切模量.

桩-土接触面参数的选取见表2.

表2 接触面耦合参数Table 2 Coupling parameters of contact surface

3 陡坡群桩基础承载特性

3.1 极限承载力确定

桩基P(载荷)-S(沉降)曲线是桩基与土体相互作用最直观的体现,对于摩擦桩或大直径桩,其P-S曲线多呈缓变型,可将沉降量作为桩基极限承载力控制指标,该沉降量取值一般不能超过4～6 cm[20].又因桥梁上部结构对基础不均匀沉降变形较为敏感,需要基础具有较高的安全冗余度,综合考虑以上因素,以不影响桥梁结构正常使用为前提,本文将桩基沉降量为4 cm时所对应的载荷作为群桩基础的竖向极限承载力.

3.2 坡度对群桩基础承载力的影响

极限承载力计算采用分步施加的方式进行,共施加载荷为15 kN,分为15步施加,每级加载1 kN.在临坡距为D和4D时,计算不同坡度下群桩基础的P-S曲线,结果如图3所示.

图3 不同坡度下群桩基础P-S曲线Fig.3 P-S curves of pile groups under different slopes(a)—临坡距D; (b)—临坡距4D.

从图3可以看出,在相同载荷作用下桩基沉降位移随坡度的增加而逐渐增大,且随着坡度的增加,位移增大趋势越来越快,桩基承载能力逐渐降低.临坡距为D时,不同坡度下群桩基础竖向极限承载力PMAX、桩侧摩阻力PC、桩端摩阻力PD的数值及桩侧摩阻力特征值(PC/Pmax)、桩端摩阻力特征值(PD/Pmax)见表3,其对比图如图4、图5所示.

表3 不同坡度下桩基承载特性Table 3 Characteristic values of pile bearing capacity

图4 坡度变化对桩基承载能力的影响

图5坡度变化对摩阻力的影响

Fig.5Influenceofslopechangeonfrictionalresistance

从图4、图5可以看出,由于桩侧土体的缺失效应,造成桩基侧摩阻力无法充分发挥,导致群桩基础承载能力降低,且当坡度大于45°时,侧摩阻力占桩基承载能力的比例迅速下降,端摩阻力占桩基承载能力的比例迅速上升,但由于侧摩阻力损失明显,桩基承载能力随坡度增加呈下降趋势.当坡度为90°时,侧摩阻力占比不足50%.因此,坡度对群桩基础承载力的影响不可忽略,且当坡度大于45°时,坡度对承载能力的影响显著增加.在工程实践中,需注意高陡坡对群桩基础的影响.以上结果的详细分析如下.

当坡度为30°时,桩基承载能力较平坡时下降12.05%,桩侧摩阻力较平坡时下降17.65%,侧摩阻力占桩基承载力的比例下降为70%,端摩阻力占桩基承载力的比例上升为30%.

坡度为45°时,桩基承载能力较平坡时下降14.43%,桩侧摩阻力较平坡时下降24.70%,侧摩阻力占桩基承载力的比例下降为66%,端摩阻力占桩基承载力的比例上升为34%.

坡度为60°时,桩基承载能力较平坡时下降20.20%,桩侧摩阻力较平坡时下降37.22%,侧摩阻力占桩基承载力的比例下降为59%,桩端摩阻力占桩基承载力的比例上升为41%.

坡度为75°时,桩基承载能力较平坡时下降27.27%,桩侧摩阻力较平坡时下降49.57%,侧摩阻力占桩基承载力的比例下降为52%,桩端摩阻力占桩基承载力的比例上升为48%.

坡度为90°时,桩基承载能力较平坡时下降33.90%,桩侧摩阻力较平坡时下降63.87%,侧摩阻力占桩基承载力的比例下降为43%,桩端摩阻力占桩基承载力的比例上升为57%.

3.3 临坡距对群桩基础承载力的影响

与平坡地区相比,黄土沟壑地区陡坡处桩基因桩周土体的缺失效应,造成侧摩阻力无法充分发挥,尤其当坡度大于45°时,群桩基础承载力明显降低.因此,在考虑坡度影响的基础上,分别在坡度为60°、75°、90°时,选取5种不同的临坡距来计算分析其对群桩基础承载能力的影响.在同一坡度、不同临坡距下,群桩基础P-S曲线如图6所示.将不同临坡距下的桩基特征值汇总如表4所示.总结临坡距对桩基摩阻力的影响规律,结果如图7所示.

图6 不同临坡距时群桩基础承载特性Fig.6 Bearing characteristics of pile group foundation with different slope distance(a)—60°陡坡; (b)—75°陡坡; (c)—90°陡坡.

从图6可以看出,在同一坡度时,群桩基础承载能力随临坡距的增加而增加,且随着临坡距的增加,桩基沉降变化越来越缓慢.临坡距对桩基承载能力的影响,随着坡度增加而逐渐加大.

表4 不同临坡距下桩基承载特性Table 4 Characteristic values of pile bearing capacity under different slope distance

图7 临坡距对摩阻力的影响Fig.7 Influence of slope distance on frictional resistance(a)—60°陡坡; (b)—75°陡坡; (c)—90°陡坡.

从图7可以看出,随着临坡距增加,桩端摩阻力呈减小趋势,桩侧摩阻力呈增大趋势.当坡度为60°时,侧摩阻力在临坡距达到4D后迅速增加;当坡度为75°、90°时,侧摩阻力均呈线性增加.说明当坡度大于75°时,临坡距对桩基承载能力的影响更为敏感.对于以上结果的详细分析如下.

当坡度为60°,临坡距从D增加到8D时,桩基承载能力较前者分别增加4.62%、3.74%、5.10%、3.03%,临坡距对群桩基础承载能力的影响最大达到5%;当临坡距为8D时,桩基承载能力较平坡时亏损6.17%.

当坡度为75°,临坡距从D增加到8D时,桩基承载能力较前者分别增加5.94%、5.20%、6.49%、6.26%,临坡距对群桩基础承载能力的影响均在5%以上;当临坡距为8D时,桩基承载能力较平坡时亏损8.58%.

当坡度为90°,临坡距从D增加到8D时,桩基承载能力较前者分别增加6.56%、11.31%、12.70%、3.70%,临坡距对桩基承载能力的影响最大达到12.70%;当临坡距为8D时,桩基承载能力较平坡时亏损7.65%.

4 结 语

以黄土地区某桥下部群桩基础为依托,研究坡度、临坡距对群桩基础承载力的影响,得到以下结论.

1) 在同一临坡距时,桩基承载力与坡度负相关,随坡度增加,桩基承载力最大降幅达30%.在工程实践中,需注意高陡坡对群桩基础的影响.

2) 在同一坡度时,桩基承载力与临坡距正相关,随着坡度增加,临坡距对承载能力的影响更加显著.在工程应用中,可通过增加临坡距的方式 满足经济性和安全性的要求.

3) 坡度对侧摩阻力的影响较临坡距对侧摩阻力的影响更为显著,且当坡度大于45°时,侧摩阻力下降明显.

4) 坡度及临坡距的存在改变了桩周土体的力学特性,使群桩基础的承载能力较平坡时有明显不同,应特别注意坡度及临坡距对群桩基础承载能力的影响.