边坡效应对桥梁桩基稳定性的影响分析

蒋一波 雷俊锋 温树鑫

(1.中电建路桥集团有限公司，北京 100048； 2.中国水电建设集团十五工程局有限公司，陕西 西安 710065)

0 引言

随着我国公路建设不断向山区蔓延，越来越多的桥梁桩基修建在冲沟区域。冲沟区由于其地形地质水文条件的复杂性，以及桩基施工期间对岩土体环境的破坏，极易引发崩塌、滑坡等工程地质问题，给桥梁桩基造成安全隐患。其中，滑坡对桥梁桩基的不良影响最为显著。事实上，冲沟区桥梁桩基不仅具有承载功能，还具有一定的抗滑作用，因此很有必要开展潜在滑坡体对冲沟区桥梁桩基功能的影响分析相关研究。

目前已有部分学者开展了关于潜在滑坡体对冲沟区桥梁桩基影响的研究，也取得了一系列研究成果，如于清杨[1]等运用有限元法，分析了滑坡体特征参数(滑坡体弹性模量、重度、抗剪强度)不同时，滑动面以上桩前推力及桩后剩余抗滑力的分布规律。李铁洪[2]等提出了滑坡、岩堆、崩塌等偶然荷载作用下桥梁结构的简化受力模型。车竞[3]指出山区陡坡地段桥梁桩基的受力与平地桩相比有很大不同，会额外承受山体滑坡推力作用，于是竖向承载力设计时应考虑陡坡下滑力竖向分立外载荷的作用，对于深层滑坡，应以桩基抗剪及抗弯控制设计。杨文琦[4]研究了岩质边坡对桥梁桩基础的影响，并提出相关建议。

本文以四川G4216线仁寿经沐川至屏山新市(含马边支线)段高速公路中大梗上隧道出口段边坡上的桥梁桩基为例，基于正交设计方法，利用FLAC3D软件建立边坡—桩基的三维数值模型，计算对比分析荷载组合、坡度、岩土性质和各岩层厚度各异时边坡对于桥梁桩基的内力和位移的影响。

1 工程概况及正交试验设计

正交试验设计方案。正交试验设计，是指研究多因素多水平的一种试验设计方法。根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备均匀分散，齐整可比的特点。例如作一个三因素三水平的实验，按全面实验要求，须进行33=27种组合的实验，且尚未考虑每一组合的重复数。若按L9(34)正交表安排实验，只需作9次，显然大大的减少了工作量。因而正交实验设计在很多领域的研究中已经得到广泛应用。本研究中一共有四个因素，每个因素取四个水平变量，按照“全面试验法”将一共有44=256种实验组合，而采用正交试验法，则只需要做L16(45)=16次实验，极大的减少了无用的计算量和工作量。

本次试验通过变换不同边坡工况探究其对桥梁桩基受力的影响，根据工程现场资料选取四因素四水平：

A.坡度:21.7°,26.7°,31.7°,36.7°。

B.边坡各岩层厚度：1)3 m,5 m(桩打进三层岩层)；2)3 m,8.7 m(初始状态桩打进三层岩层)；3)8 m，14 m(桩只打入两层岩层)；4)21 m，13 m(桩只打入一层岩层)。

C.岩层性质(E，υ)见表1。

表1 岩层性质

D.荷载组合：V-x0.5e-8，V-z0.5e-7；

V-x0.5e-8，V-z1.5e-7；

V-x0.5e-8，V-z2.5e-7；

V-x0.5e-8，V-z3.5e-7。

本次试验采用四因素四水平且不考虑交互作用，因此可以采用L16(44)表格,具体方案详见表2。

2 数值模型建立及参数选取

2.1 数值模型建立

根据现场获得材料可在该边坡采用桩基础，考虑了边坡效应和圣维南原理之后边坡的尺寸如下：边坡x=340 m、边坡z=113 m、边坡y=226.5 m；桩基采用全埋入式，桩身位于坡中，埋入长度20 m。应用FLAC3D软件进行数值模拟，将坡体地质情况进行简化，从上至下分为三层：角砾层(垂直向5.3 m);粉砂质泥岩层(垂直向8.7 m)；粉砂层。边坡模型如图1所示。

2.2 模型本构与参数的确定

表2 四因素四水平正交表

由于本文所涉及的项目为边坡工程且地质为岩石，因此可以选用摩尔—库仑本构模型进行建模。

根据现场所得资料，可以确定主要参数包括：体积模量G、剪切模量K、内摩擦角ψ、粘聚力c。基于依托工程勘测资料，参数如表3所示。

表3 结构面参数取值范围

由于第一层土的结合性较差和根据现场测得的数据可以确定内摩擦角取12°～20°，粘聚力取0.02 MPa～0.05 MPa；第二层结合性一般其内摩擦角取27°～35°，粘聚力取0.03 MPa～0.5 MPa；第三层结合性较好其内摩擦角取30°～45°，粘聚力取0.03 MPa～0.09 MPa。最终取值如表4所示。

表4 参数取值

3 计算结果及分析

以第9组为例，该组边坡坡度为31.7°、边坡岩层各层厚度、第一层3 m、第二层5 m。为了减少边坡效应，根据圣维南原理将第一组的模型的尺寸取为(不考虑坡体部分)长×宽×高=340×235.955×30，坡体部分长165 m、宽226.5 m、高101.91 m。最终得到安全系数为14.000 35。相关云图如图2所示。

通过云图对比发现桩基的水平位移和竖向位移自上而下渐小，这是由于桩基承受荷载后将荷载传递给周围岩体，由于桩—土相互作用，激发岩体抵抗力阻碍桩基变形。在倾斜荷载作用下，处于偏压状态的桩基绕着自身的某一点或几点发生挠曲变形。

4 因素敏感性分析

采用正交表设计试验时，必须留有不排入因素或互作的空列，以作为误差的估计值。方差分析见表5。

表5 方差分析表

由于通过方差分析的结果表明四个因素中荷载组合对桩基的水平位移影响最大，相对显著，而其余三个因素对桩基的水平位移影响都不太明显。

5 结语

本研究采用正交设计试验的方法，研究了影响桥梁桩基稳定性的四种因素的主次关系，以坡度、边坡各岩层厚度、岩层性质和荷载组合四种因素组成四因素四水平的正交试验，利用FLAC3D软件进行数据模拟，通过对比不同荷载组合、坡度、岩土性质和各层岩层厚度下边坡对于桥梁桩基的内力和位移的影响，通过云图对比发现桩基的水平位移和竖向位移自上而下渐小，这是由于桩基承受荷载后将荷载传递给周围岩体，由于桩—土相互作用，激发岩体抵抗力阻碍桩基变形。在倾斜荷载作用下，处于偏压状态的桩基绕着自身的某一点或几点发生挠曲变形。通过对所有模拟结果的综合方差分析，得出四个因素中荷载组合对桩基的水平位移影响最大，相对显著，而其余三个因素对桩基的水平位移影响都不太明显。