高陡边坡中桥梁桩基的内力与变形研究

张宇辰

摘 要：随工程建设高速发展，山区交通基础设施建设开发，一些复杂交通工程须建立在陡峭的边坡上，其选择高架桥或半路半桥形式利于环保及边坡稳定，桥梁通常选择桩基础-高墩桥梁的形式。本文研究分析高边坡在堆载、竖向荷载、水平荷载及倾斜荷载作用下桩基承载机理和力学特性，分析荷载对桩基承载和受力状况、桩身变形影响度，探讨桩周土性质、桩身刚度、嵌岩深度对边坡段桥梁桩基变形和内力的影响。

关键词：高陡边坡;桥梁桩基;受力变形

1前言

随经济社会高速发展，我国基础建设加快，国家大力开发深山老区，一些复杂公路铁路交通工程需采用高架桥或半路半桥形式，穿山越岭的工程随中国交通的发展已司空见惯，此类桥梁桩基础需要建立在高边坡上，其受力和承载较复杂，不能简单把边坡上的桥梁桩基看成平地桩基，也不能看成抗滑桩。因边坡存在，桩周土体不能再视为半无限空间体，桩基侧摩阻力和桩前抗力都会受到不同程度影响。边坡上单桩基础与双桩基础会出现很大差异，因系梁存在，桥梁前后桩基所表现出来的承载和受力特性也会不同，系梁可调整前后排桩荷载分布和弯曲变形，桩基临坡面土体缺失情况不同会导致其桩基前后排桩的桩侧阻力发挥不同。边坡段桥梁桩基研究已成为难题。山区边坡段桥梁桩基除受地形影响，其所受荷载也较复杂，桩基要承受来自上部结构和自身荷载，还因风力、车辆制动、地震、坡面堆载等因素引起荷载，这些荷载作用的大小和方向皆有不确定性，且相互组合后，会更复杂。对于桩基承载机理、受力特性、荷载传递规律并没有一套能够指导工程实践的完整理论体系。故针对边坡段桥梁桩基特点，研究边坡段桥梁桩基承载机理、受力特性，提出可指导设计施工理论体系有重大意义。

2边坡稳定性及滑坡推力研究

2.1边坡稳定性分析法

边坡稳定性分析可分为确定性和不确定性分析，确定性法包括极限平衡和数值分析法。

随计算机科学技术发展，数值分析广泛运用。边坡稳定不确定性分析方法种类繁多，在未来，不确定性分析法将成为重要分析途径。数值分析能对复杂边坡条件进行全方面考虑，既能分析边坡稳定性，又能掌握边坡应力应变状态，可对边坡变形和破坏机理认识更深。

2.2滑坡推力计算法

（1）首先求解全截面上全滑坡总推力，按在该横截滑动方向截面上滑体厚度不同分配出各段每米宽推力大小;

（2）在平行滑动方向上分段，每段代表断面上每米宽滑坡推力都可求出，综合各段推力能求解出全滑坡推力。

（3）滑坡推力分布

一般认为滑坡推力分布主要有三角形、矩形和梯形三种。部分学者认为滑坡推力分布及其合力作用点位置受滑坡的类型、滑动面形状、部位、地层性质、抗滑结构变形情况及地基系数等综合因素的影响，但主要与滑坡体结构和抗滑结构物的受力变形有关。抗滑桩在实际受力时其真实滑坡推力分布应为抛物线性形。

3边坡上桥梁桩基承载机理

边坡桥梁桩基的承载机理及受力状态与平地桩或边坡抗滑桩不同，边坡桥梁桩基受到结构上部荷载和边坡推力作用，具有承重和阻滑双重功能。边坡桥梁桩基受到竖向和横向荷载，又受到傾斜荷载，各荷载组合作用并不等于荷载间简单叠加。

3.1竖向荷载作用下桩基受力特性

桩基竖向承载力由桩侧阻力和桩端阻力组成。竖向荷载作用承台，承台传递桩体，桩身受到荷载挤压产生竖向位移，土体将产生抵抗土体向下位移趋势，产生土体摩擦力，该摩擦力会承担一部分上部传递荷载，使桩身轴力变小，桩体压缩变形从上往下，桩体侧摩阻力也从上往下。桩身位移转递到桩端，桩端产生竖向位移，桩端阻力随即产生，随荷载增大，桩端阻力增大，桩端阻力所占承载力比例也增大，并最终趋于稳定比例。桩侧阻力先于桩端阻力发挥，桩侧阻力由桩身上部往下部逐渐发挥，当荷载足够大的时候才会产生桩端阻力。桩侧和桩端阻力位移部位不同。桩侧阻力发挥与桩长、桩径、桩周土体性状、桩体刚度、桩土相对位移等有关。

3.2桩土间工作性状

竖向荷载作用承台，承台传递桩基，桩身受到上部荷载产生压缩变形，桩体压缩变形致桩体向下位移，产生土体摩擦力，桩侧摩阻力会抵消桩顶竖向荷载和桩身自重，桩身轴力随着桩身长度递减，在荷载范围内，桩身一定深度下轴力为零。桩身压缩量随桩身长度递减，桩身压缩量为零处点桩侧阻力为零，零点以下桩身部分都不发挥桩侧阻力。随桩顶荷载不断增大，桩身压缩量为零的点继续向桩身下部移动，桩身侧摩阻力从上到下逐步发挥，直到零点到达桩端，这时桩端阻力开始发挥。可用荷载传递法来描述荷载传递过程。

3.3水平荷载作用下桥梁桩基的受力特性

在高陡边坡桥梁桩基中，会受到竖向荷载，因车辆制动、风荷载等引起横向荷载也会影响。边坡滑动对桩体产生推力，桩前产生抵抗桩基位移抗力。

水平荷载作用下，桩身受到侧向挤压作用产生偏移，桩身偏移会使土体受到挤压变形，使土体处于弹性，加大水平荷载，桩身侧移增加，土体出现塑性屈服，荷载继续增大，土体塑性屈服由土体上部向下部传递，直到全部屈服破坏。

桩身结构强度、桩周土体性质、桩径、桩间距和桩身抗弯刚度影响桩基水平承载力。当桩间距<4倍桩径，双桩结构协调差，不能充分发挥双桩承载性能;桩间距>8倍桩径，双桩间相互作用可忽略;桩间距在4～8倍时，前后桩可相互协调配合，分担荷载，发挥土体抗力，有利于提高水平承载性能。

3.4倾斜荷载作用下桩基的受力特性

桩基很少受到单独竖向或单独水平荷载，一般是竖向和水平荷载同时作用。在倾斜荷载作用下，桩基会同时受到竖向和水平分量荷载，水平分量的荷载会导致桩基侧移，而竖向荷载的作用会对水平荷载下桩基的侧移和弯矩有加重作用，即“p-Δ”效应，当桩周土体性质较差或者桩基自由段较长时，“p-Δ”效应产生的附加侧向位移和弯矩不可忽略。因此倾斜荷载对桩基的影响不能简单地将竖向荷载和水平荷载影响叠加，倾斜荷载下桩基受力性状比单独受荷桩基受力状况要复杂。

影响倾斜荷载承载力包括竖向和水平荷载承载力，如桩周土体性质、桩身刚度、桩径、桩长、边坡坡度、嵌岩深度、桩体自由段长度、倾斜荷载角度。

（1）桩周土体刚度大、密度大倾斜荷载承载力高。

（2）桩径大、桩更长、自由段短承载力更高，当桩径和桩长超出一定范围时，桩径和桩长对桩基承载性能影响少。

总结

高陡边坡桥梁桩基在竖向、水平及倾斜荷载下桩基受力特性、承载机理以及破坏模式。因地理位置特殊性，高边坡桥梁桩基具有承重和阻滑双重特性，加上各种荷载作用，使其受力更为复杂。

（1）竖向荷载承载力由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承担，桩侧摩阻力逐步发挥且桩端阻力会促进桩侧阻力发挥。横向荷载承载力由桩周土体抗力承担，桩身结构强度、桩周土体性质、桩径、桩间距和桩身抗弯刚度是影响桩基水平承载力主要因素。

（2）边坡桥梁桩基与平地桥梁桩基不同，边坡桩基会受到滑坡推力影响，滑坡推力和横向荷载会使桩基产生较大横向侧移和挠曲变形，竖向荷载将会使此变形产生附加弯矩，此弯矩会增大桩基挠曲变形，加上桩基临空面存在，增强了“p-Δ”效应。

（3）倾斜荷载下桩基破坏模式是竖向和横向荷载及其他加一起所有破坏模式的和。

高陡边坡桥梁桩基受力状况复杂，该课题仍需要做更深研究;在实际中，需用到群桩基础，群桩基础与双桩基础不同，其受力和承载模式更复杂特殊，需对桥梁群桩基础深入研究。

参考文献

[1]李小英，杜鹏，任庆芳.承重阻滑桩受力特性分析[J].三峡大学学报：自然科学版，2012， 24（2）：5.