陡坡段桩柱式桥梁的基桩受力分析与施工研究

张克智（中铁二十一局集团第五工程有限公司，重庆400025）

陡坡段桩柱式桥梁的基桩受力分析与施工研究

张克智
（中铁二十一局集团第五工程有限公司，重庆400025）

随着社会经济的不断发展，陡坡段桩柱式桥梁的基桩也被广泛应用于西部山区。但是，与平原地区不同，西部山区的地形和环境等较为复杂，这就使得其陡坡段桩柱式桥梁基桩的承载力容易受多方面因素的影响，从而给该类工程建设带来了一定的难度。因此，加强对其受力情况与施工的研究尤为重要。论文通过分析基桩的承载特性，设计了相应的简化受力模型，进而对其水平位移与受力情况进行了具体推导。再通过列举某山区的实际工程，来对其滑坡推力、基桩内力、桩端末平衡弯矩、进行实际的计算与验证。由此可知，加强对陡坡段桩柱式桥梁基桩的防护、加固与维修，能够有效促进桥梁工程的顺利进行，并确保其使用过程中的安全性。

陡坡段；受力分析；桩柱式桥梁；施工；基桩

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.007

1　引言

随着我国有关西部建设政策的实施，更多的高速公路与铁路也随之延伸到山区。但是，与东部和中部地区不同，西部山区具有特殊的水文地质环境。因此，在进行西部高速公路和铁路建设时，有关施工单位和技术人员时常要解决一些路段纵坡坡度较大、坡面变化复杂和地面高差较大的问题。此外，在选择路线时，为有效保护环境，减少以上问题发生严重情况，桥梁基桩时常会建立于陡坡上，这就更增加了其设计与施工的难度。因此，加强对其受力情况与施工的分析与研究具有重要意义。

2　陡坡段桩柱式桥梁基桩的破坏模式

从一定程度上讲，陡坡段桩柱式桥梁基桩一方面要承受竖向的承载力，另一方面还要承受一定的水平荷载[1]。在水平荷载作用下，陡坡段桩柱式桥梁基桩的破坏模式主要与桩周岩土体强度、桩顶与桩端的约束条件和基桩的抗弯刚度等有关。因此，在进行基桩设计计算时，为减少工程隐患，节约工程材料，必须慎重考虑这些因子的取值。

在进行水平受荷桩的设计计算时，对于不同类型的桩，要具体分析其相应的破坏模式。根据水平受荷桩--土变形系数和基桩长度的乘积，可将水平受荷桩分为弹性长桩、半刚性桩和刚性短桩[2]。因此，其相应的破坏模式也有以下3种类型。

1）弹性长桩

在不考虑桩顶的情况下，相对于土体来说，基桩呈柔性，通过水平推力的作用，桩身会出现严重的挠曲变形。在桩顶嵌固时，一方面桩顶会出现较大的反弯矩，另一方面反弯矩会沿着深度逐渐转化为正弯矩，进而会出现两个最大的弯矩截面。当桩身弯矩超过桩周土体或其截面抗弯承载力时，就会破坏弹性长桩。

2）半刚性桩

具体来说，它在桩顶自由时，通过水平推力作用，会使基桩发生挠曲变形。半刚性桩破坏模式主要有断桩破坏和桩周土体破坏，其遭到破坏的成因：（1）桩周土体发生塑性变形；（2）配筋不足。

3）刚性短桩

在相同条件下，刚性短桩会沿着某一转动中心产生刚体转动。由于转动中心以上和以下的土体都会产生水平抗力，并且方向相反，就会出现一转动力矩。因此，桩周土破坏就是刚性短桩的破坏模式。在桩顶嵌固时，在水平推力作用下，由于基桩自身抗弯承载力无法承载桩顶弯矩，就会使基桩遭到破坏。

3　陡坡段桩柱式桥梁基桩的受力分析

3.1基桩的承载特性

3.1.1在其自身承载特性方面

除承受上部结构荷载外，陡坡段桩柱式桥梁基桩还要承载来自侧向分布推力的作用[3]。因为边坡自身和施工工程中所存在的一些问题，陡坡段桩柱式桥梁基桩会影响边坡自身的稳定性，会出现桥位处边坡滑动等情况，甚至会在边坡内部出现潜在的滑动面。因此，除承受桥梁上部结构传递下来的组合荷载外，桩柱式桥梁基桩还要承受边坡外侧岩土体对基桩的水平抗力和来自边坡滑动引起的桩侧土压力。此外，在有关的施工过程中，一方面需要在桩基上侧边坡上架设起重机、架桥机等重型施工设备，另一方面还需要开设施工便道。这就使得边坡的滑动变形在一定程度上发展增大，更加剧了基桩受力状况的复杂性。

3.1.2在简化受力模型方面

在上覆风化程度较高的岩土层建设陡坡段桩柱式桥梁基桩时，根据桥梁各部分之间的相互作用，可将其分为3段，即嵌岩段、承载段和墩柱段[4]。其中：墩柱段重点是要承载来自上部结构的组合荷载；承载段一方面要承载来自自由段的荷载，另一方面也要承载由于坡岩土体变形而带来的剩余下滑力和地基抗力；嵌岩段重点是要承载来自承载段的组合荷载和地基抗力。

3.2基桩的设计计算

3.2.1计算分析过程

由于陡坡段桩柱式桥梁基桩的受力状况比较复杂，进行基本假定，有利于进行理论分析、计算和实际工程的应用。

1）滑坡推力分布函数（见表1）

在计算高陡岩质边坡段桩柱式桥梁基桩的内力时，为确定岩质边坡的潜在滑动面，首先要对岩体中断层、裂纹、夹层和节理等进行假定分析；其次，再对坡体推力的大小及其分布情况进行计算;最后，可通过现场实测推力数据得到推力大小和形状。已知，桩后滑坡推力分布函数p(z)的计算公式(1)为：

式中，ζ、η和p0均为待定系数；z为该桩段顶点与计算点之间的距离。若ζ=0，η=0，p0≠0，则其为矩形；若ζ=0，p0=0，η≠0，则其为三角形；若ζ=0，η≠0，p0≠0则其为梯形；若p0=0，ζ≠0，η≠0，则其为抛物线形。

表1　滑坡推力分布函数

2)地基坑力

若其桩周岩土体抗力沿深度呈线性分布，则分布函数计算公式(2)为：

式中，K(z)为地基坑力系数，kN/m4;x为基桩水平位移，m;b1为基桩有效计算宽度，m。假设,用C表示地基坑力分项系数，kN/m4;m表示地基坑力比例系数,kN/m4；则承载段地基坑力系数K(z)=mz；嵌岩段地基坑力系数K(z)=mz+C。

3）假设

假设基桩变形都在弹性变形阶段，并忽略桩身自重和桩侧摩阻力。

3.2.2受力分析解答过程

1）建立方程

以承载段为例，根据上述假定分析，可建立与该桩段某一微元体有关的内力分析平衡微分方程。对基桩微元的受力分析如图1所示。

图1　基桩微元受力分析图

图中,M、P、Q分别为基桩微元体的桩顶弯矩、水平荷载和竖向荷载。

在基桩微元体下端的中点取矩，有：

略去二阶微分，对式（3）求导，有：

根据

令

式中，E为桩的弹性模量，kPa;I为桩的惯性矩，m4。

把式（5）、式（6）带入式（4），有：

2）建立边界条件微分方程

具体来说，桩顶的边界条件包括桩顶自由、桩顶弹嵌、桩顶嵌固和桩顶铰支。其边界条件微分方程如下。

（1）桩顶自由

式中，EIp为桩身抗弯刚度；M0为桩顶偏心弯矩；Q0为桩顶水平分力；x′、x″、x″′为桩身位移，λ为修正系数。

（2）桩顶弹嵌

式中，φ为内摩擦角。

1.4 统计学方法 采用SPSS 22.0统计软件进行数据分析。计量资料以x±s表示，组间比较采用t检验；计数资料以百分比表示，采用χ2检验。以P<0.05为差异有统计学意义。

（3）桩顶嵌固：

(4)桩顶铰支

(5)桩端嵌固

式中，l为桩在局部冲刷线以下的桥梁跨径。

4　陡坡段桩柱式桥梁基桩的施工

4.1工程概况

以南方一山区高架桥施工建设为例。

该高架桥全长549.89m，所处区域地形起伏较大，穿行于山坡和山谷之间，左侧是一条河流，右侧是山岭谷丘的原始地貌，路线紧靠河北岸，通行条件比较困难。其桥台是桩柱式；中心桩号为k154+550；上部构造是预应力混凝土T梁；下部构造由桩基础和预应力盖梁独柱式桥墩组成。根据实地勘察可知，该桥梁所处地层有（强风化和中风化）压碎岩、亚黏土和块石土。根据对桥梁和路线设计线的观测和推算可知，其地面高差为5~8m，中心线距离5.25m，山体局部坡度是43.6~56.7°。

4.2具体分析与计算

根据该桥梁的实际工程概况，选用三角形分布的方法来计算与工程有关的参数。计算结果为：滑坡推力p(z) =180kN/m；柱长1.0m；墩柱高l1=16.0m；承载段l2=4.0m；嵌岩段长l3=6.0m。已知桩身材料是C20混凝土，其截面是直径为2.8m的圆形，弹性模量是28.0GPa；墩柱截面尺寸为2.6m× 2.0m；滑动面以上地基抗力比例系数，m1=500kN/m4其以下地基抗力比例系数m2=8000kN/m4；偏心弯矩是958kN·m；水平荷载为165kN；柱顶竖向荷载为12800kN。根据上述计算方法计算该桥梁工程，可算出桩身水平位移和其内力结果。通过分析可知，与之前相比，隧道和支护都符合设计和施工规范，并都处于稳定状态。

5　结语

综上所述，与水平地面的基桩不同，陡坡段桩柱式桥梁基桩的受力情况容易受多种因素的影响。因此，为有效降低陡坡段桩柱式桥梁基桩的受力，减少基桩破损等情况的发生，确保整个桥梁的质量与安全，必须具体分析并计算陡坡段桩柱式桥梁基桩的受力，找出主要影响其稳定性的因素，从而有效地对其进行加固处理。

【1】王黛,尹平保,宁夏元.陡坡段桩柱式桥梁基桩受力分析及工程应用[J].公路工程,2012（4）:73-77.

【2】刘闯.陡坡段桩柱式桥梁基桩受力分析与应用实践[J].中国水运, 2014（4）:249-250.

【3】赵明华,杨超炜,杨明辉.基于有限杆单元法的陡坡段桥梁基桩受力分析[J].中国公路学报,2014（6）:51-58.

【4】成滢,罗忠涛,尹平保.山区桩柱式桥梁基桩破坏模式和受力分析[J].交通科学与工程,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

张克智（1975～），男，甘肃陇西人，高级工程师，从事土木工程设计与研究。

2016-06-21