黄土陡坡桩基受力变形特性参数分析

毕 鹏

（山西交通控股集团有限公司 朔州高速公路分公司，山西 朔州 036000）

我国黄土分布广泛，约占陆地面积的6.6%[1-2]，是世界上黄土分布最广、厚度最大、结构最完整的国家[3]，在外界流水长期侵蚀作用便形成了黄土地区沟壑纵横的独特地貌形态。随着我国对西北、华北山区交通建设的重视，一大批高速公路将不可避免地采用桥跨形式穿越深厚黄土沟壑地区。为确保黄土沟壑地区公路建设顺利安全进行，桥梁桩基在高陡黄土边坡中的受力特性亟待进行深入的研究。

近年来，相关学者在边坡中桩基受力变形特性方面进行了一系列研究，并获得了一些有益结论。在室内模型试验方面，高长胜等[4]采用土工离心机对4组不同抗滑桩加固边坡工况进行了离心试验，研究了桩位以及桩顶约束条件对边坡变形破坏特性的影响。王玉峰等[5]通过室内离心模型试验，研究了黄土高边坡在不同支护模式下的变形特性及稳定性，并提出适用于黄土高边坡的支护模式。在数值仿真方面，王聪聪等[6]和戴自航等[7]采用数值模拟的方法分析了桩长、桩位、桩间距、桩身弹性模量以及界面尺寸等因素对桩体内力变形的影响。

目前研究中边坡的坡度一般较小，且主要集中在研究桩长、桩径、桩间距以及桩身材料性质下桩基的受力变形特性，而黄土沟壑地区边坡较陡甚至有直立边坡。基于此，本文以山西境内右平高速公路沿线某陡坡桩基础为依托工程，分析在不同土体强度、临坡距以及坡度条件下，桩基受力变形特性，以期为黄土陡坡桩基设计施工提供指导和参考。

1 依托工程概况

山西省右玉至平鲁高速公路是山西省高速公路网“三纵十二横十二环”西纵主干线的重要组成部分，全长64.448 km，连接线全长13.243 km，按双向四车道高速公路技术标准设计，设计时速100 km。在建右平高度公路处于黄土地区，沿线地质条件复杂，沟壑纵横、坡陡沟深，桥梁数量较多，桩基设计施工难度大，桩基多为人工挖孔灌注桩。依托工程沿线地质及桩基施工情况如图1所示。地层主要为黄土，褐红色，中密，稍湿，夹薄层粉质黏土，含零星圆砾。

图1 依托工程沿线地质及桩基施工情况

2 数值计算模型

数值计算模型示意图及相关参数取值如图2所示，黄土陡坡上开挖有桩基施工平台，抗滑桩截面为2 m的正方形，桩长30 m，数值计算中取半桩结构进行分析。黄土边坡采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，桩基采用线弹性模型，桩-土之间设置接触面单元，接触面单元的摩擦参数（即桩-土界面摩擦角和黏聚力）取为桩周土体摩擦参数的0.7倍。接触面的法向刚度kn和ks按式（1）计算[8]：

模型四周采用法向约束，底部固定约束，顶部自由。为研究土体强度、临坡距以及坡度对桩基受力变形特性的影响规律，选取表1所示的12种不同工况进行计算。

图2 数值计算模型示意图

表1 数值计算工况

3 计算结果分析

3.1 土体强度

相关研究表明[9]，黄土在不同含水率下的摩擦角变化不大，可认为是定值，而黏聚力变化较大，因此选取几组不同的黏聚力参数来研究土体强度对陡坡桩基受力变形的影响。

图3 不同土体强度下桩身位移和弯矩

图3为不同土体强度下桩身位移和弯矩曲线，从位移曲线中可看出，当土体黏聚力较小时，桩基在背后土压力作用下产生较大位移，最大位移出现在桩头部位，桩身位移沿深度方向逐渐减小。随土体黏聚力的增大，边坡自稳能力增大，桩身位移减小。从桩身弯矩曲线可看出，当土体黏聚力较小时，桩身中部位置出现较大的正弯矩（桩身左侧受拉），向两端弯矩逐渐减小至0；当黏聚力增大至40 kPa时，桩身弯矩转变为负弯矩（桩身右侧受拉），桩基受力模式发生转变。分析其原因：当黏聚力较小时，桩头部位桩前土体抵抗变形能力较小，桩体上部产生较大的倾斜变形，此时桩身弯矩为正弯矩；随土体强度参数增大，桩头部位桩前土体抵抗变形能力增大，此时桩头位移相对较小，而在边坡临界滑移面位置的桩体位移相对较大，受力状况类似于简支梁在梯形荷载作用下的受力状况，此时桩身弯矩为负弯矩。

3.2 临坡距

为研究不同临坡距下黄土陡坡桩基受力变形特性，分别取临坡距 d为 0 m、2 m、4 m、6 m、8 m五种工况进行计算分析。

图4为不同临坡距下桩身位移和弯矩曲线，从位移曲线中可看出，当临坡距较小时，桩前土体厚度较小，侧向约束能力较低，桩基在背后土压力作用下产生较大位移，最大位移出现在桩头部位，桩身位移沿深度方向逐渐减小。随临坡距的增大，桩前土体厚度增大，侧向约束能力增强，桩身位移减小。从桩身弯矩曲线可看出，当临坡距较小时，桩身中部位置出现较大的正弯矩，向两端弯矩逐渐减小至0；当临坡距增大至6 m时，桩身弯矩转变为负弯矩，桩基受力模式发生转变。

图4 不同临坡距下桩身位移和弯矩

3.3 边坡坡比

为了研究不同坡比下黄土陡坡桩基受力变形特性，分别取边坡坡比k为2∶1、4∶3、1∶1和1∶1.5四种工况进行计算分析。

图5为不同边坡坡比下桩身位移和弯矩曲线，从位移曲线中可看出，当边坡坡比较大时，桩前土体侧向约束能力较弱，桩基在背后土压力作用下产生较大位移，最大位移出现在桩头部位，桩身位移沿深度方向逐渐减小。随边坡坡比的减小，桩基侧向约束能力增大，边坡自稳能力增强，桩身位移减小。从桩身弯矩曲线可看出，当边坡坡比较大时，桩身中部位置出现较大的正弯矩（桩身左侧受拉），向两端弯矩逐渐减小至0；当黏聚力增大至40 kPa时，桩身弯矩转变为负弯矩（桩身右侧受拉），桩基受力模式发生转变。

图5 不同坡比下桩身位移和弯矩

4 结论

本文采用数值仿真软件对不同土体强度、临坡距和坡比下黄土陡坡上桩基的受力变形特性进行研究。数值模拟结果及相关结论如下：土体强度、临坡距以及边坡坡比对黄土陡坡上桩基受力变形特性影响较大。当土体强度较小、临坡距较小、坡度较大时，桩基最大位移出现在桩头位置，最大弯矩出现在桩中位置，且为正弯矩；当土体强度、临坡距以及坡度达到一定界值时，桩基受力模式发生转变，桩身由正弯矩转化为负弯矩。