黄土地区陡崖坡段桩基合理临坡距研究

2021-07-19张正琦田伯科

重庆交通大学学报(自然科学版) 2021年7期

张华，张正琦，程高，田伯科

(1.中铁七局集团第三工程有限公司，陕西西安 710000；2.陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714000；3.长安大学公路学院，陕西西安 710064；4.长安大学陕西省公路桥梁与隧道重点实验室，陕西西安 710064)

0 引言

我国西部黄土地区属山岭重丘区，为适应其沟壑纵横的地形特征，标准化、装配化的中小跨径山区公路梁式桥因施工周期短、经济效应显著的优点，在公路中所占比重大，优势突出[1]。考虑对生态环境和耕地资源的保护,西部山区高速公路桥梁桥墩和基础常采用深度较大的桩柱一体式，导致下部结构桩址多立于陡坡上[2]，个别甚至直接立于陡崖之上，桩-土作用复杂，边坡稳定性问题敏感异常。将坡顶桩基与桩前坡顶的距离定义为临坡距，受环境条件、设计认知和施工技术水平因素影响，陡崖处桩基常因临坡距选取不当，造成崖顶桩基顶部桩土分离、土体开裂和边坡滑移等现象，严重影响施工安全和工程质量。开展黄土地区陡崖软弱坡段桩基合理临坡距研究，有助于研究陡崖坡段桩基的工作状况及桩-土作用状态，制定合理有效的边坡稳定防护措施，对提高山区桩基施工安全、保证施工质量和中小跨径装配式梁桥在山区的推广具有重要意义。

按山坡的纵向坡度，坡度大于25°可视为陡坡[3]。黄土陡坡区边坡高度大、坡度陡,易发生黄土滑坡、崩塌等地质灾害[4]，国内外专家学者对陡坡地段桩基的安全防护也做了很多研究。S.M ZOMORODIAN等[5]得出通过增加桩基埋深和坡顶桩身临坡距离，减小土体坡度和桩体表面摩擦刚度可以增大桩侧阻力论；段瑞芳等[6]研究认为临坡距和边坡系数对斜坡桩基竖向承载力的影响互成耦合关系，且均正相相关；程刘勇等[7]得出斜坡桩基水平承载力与坡度呈负相关、与临坡距呈正相关，同级荷载下，桩身水平位移随临坡距增大而减小；栾娟等[8]研究表明桩基极限承载力与斜坡坡度呈反比关系，随临坡距增大桩侧摩阻力增加，而桩端阻力变化不大；郑轶轶[9]研究认为，固深度和设桩位置会对边坡破坏形式产生较大影响,抗滑桩的位置直接影响边坡安全系数的和破坏形式,推荐最佳设桩位置为边坡的中下部；刘士乙等[10]通过研究认为以峰值强度作为破坏点，采用有限元极限平衡法评价坡体的稳定性，可以克服应用极限平衡法高估土体的强度的缺点,适用于考虑渐进破坏的稳定分析。

现有成果侧重于对斜坡抗滑桩桩基承载力的研究分析，对土体的破坏和稳定分析研究较少。对于垂直边坡，桩侧土体不对称性明显，力学模型实现难度大。为此，笔者拟围绕垂直坡段边坡稳定性，以桩身至桩前临坡距离为参数，利用ABAQUS建立非线性有限元模型，采用强度折减法分析不同临坡距对边坡稳定性、土体位移和桩土接触状态的影响，归纳总结土体达到极限稳定状态时的塑性分布和桩土接触特征，以便于有针对性地制定高陡边坡稳定加固方案。

1 工程实例

某特大桥上部结构为40 m装配式预应力混凝土连续箱梁，K179+250～K179+780段主要为黄土台塬冲沟地貌，下部结构为桩柱一体式，桩径多为2 m,该标段6#墩设于80°陡崖坡顶处，工程地质纵断面如图1。

图1 工程地质纵断面(单位：m)

由于桩基临坡距选择不当，桩基顶部出现桩间土体开裂、成桩后边坡位移过大的现象，如图2。

图2 桩基坡顶土体开裂

2 非线性有限元模型

针对因桩址临坡距选择不当造成的问题，需以临坡距为参数建立桩土模型，分析临坡距对该陡崖段桩土作用的影响。由对称性取1/2桩间距范围建立三维桩土有限元模型，采用强度折减法进行分析，得到不同临坡距对边坡稳定性、土体位移和桩土接触状态的影响，从而评价边坡稳定性和桩土作用状态。

模型分析中有5点基本假定:①土层均为均质、各向同性弹塑性体；②桩基视为均质、各向同性弹性体；③不考虑施工因素对桩周土体影响；④达到极限状态时,只考虑桩周的土体破坏，桩身不发生破坏；⑤桩土接触面界面摩擦因数在分析过程中保持不变。

2.1 边坡及桩基参数

根据依托工程地质勘查资料和现场实际情况，边坡尺寸参数确立如图3，考虑计算效率由对称性取3.4 m(1/2桩间距)范围建立三维桩土有限元模型,如图3。

图3 模型示意

陡崖上层土质为Q3eol黄土，深27 m，持力层土质为Q2al+ql粉质黏土，深48 m，依据工程地质勘查资料结合《工程地质手册》[11]，材料物理参数如表1。

2.3 本构模型与模拟

钢筋混凝土桩基材料采用线弹性本构模拟，线弹性本构能较好模拟钢筋混凝土桩基的受力性能。桩周土体采用实用简便的Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则模拟，Mohr-Coulomb弹塑性本构积累了大量的试验资料和工程应用经验，且结果符合较好，比较适合模拟单调荷载下颗粒状材料的剪切破坏，能更好描述土体[12-13]。

有限元强度折减法是通过不断对土体材料的强度参数(黏聚力c和内摩擦角φ)进行折减，直到边坡达到临界失稳状态，对应的折减系数定义为安全系数。折减抗剪强度参数如式(1)，式(2)：

cm=c0/Fr

(1)

φm=arctan(tanφ0/Fr)

(2)

式中：Fr为强度折减系数；c0、cm分别为土体折减前、后的黏聚力；φ0、φm分别为土体折减前、后的内摩擦角。

为了得到一个平衡稳定的折减起点，分析开始将强度提高到原来的3.3倍，即安全系数从0.3开始，到2中止。通过边坡弹塑性分析中分析时步的增加，借助场变量与计算时步和材料参数之间建立关系，来更新材料参数确定当前的折减系数，边坡失稳时的折减系数即边坡的最终安全系数[14]，以特征部位的位移出现拐点作为边坡失稳判据[15]。

2.4 界面关系与边界条件

桩-土界面接触模型由桩与桩周土体界面的法向接触和切向摩擦组成，桩体刚度较大作为主面，桩周土体作为从面，其中摩擦系数μ=tan(0.75φ)[16]。限制坡体底部各平动自由度，土体侧面和坡背、坡脚下土台仅限制法向平动自由度，释放其它方向的约束。对桩和土施加重力荷载[17]。

2.5 单元类型与网格划分

基于ABAQUS，桩和土体均采用C3D8八结点线性六面体实体单元模拟。采用结构化网格划分技术，划分情况如图3。

3 结果与分析

为掌握临坡距和陡崖边坡稳定性关系，分析桩-土作用建立后强度折减过程中，不同临坡距对边坡安全系数、土体位移和桩土接触状态的影响。

3.1 桩周土体位移与边坡稳定

计算中止时的整体位移等值线云如图4。由图4可知，不同临坡距下，成桩边坡位移等值线云图处于同一量纲范围内。随着桩基临坡距的增大，边坡土体的整体位移变小，临坡距由1倍桩径(D)增大到2倍时尤为明显，临坡距为4D以上时趋于不变。图4中位移等值线单位为mm。

图4 土体位移等值线

极限状态时边坡塑性应变等值线云如图5。由图5可知，高陡边坡属于天然不利地段，由于坡度过陡、高差过大，边坡滑动面相较于较缓坡位置靠上且滑动面形状较陡。临坡距为1D～3D时，桩体处于边坡滑动面内，土体最大塑性应变处在桩前接触位置，随着临坡距的增加塑性应变有减小趋势；临坡距为5D时，桩体位置基本离开了坡体滑动面；临坡距为5D以上时，塑性应变等值线云图几乎不再变化。图5中应变等值的变形为με。

图5 土体塑性应变等值线

临坡距-边坡安全系数关系曲线如图6。由图6可知，陡崖边坡具有天然不利性，其边坡安全系数小于1；当临坡距为3D以下时，因桩基位置处于天然边坡滑动面上，桩基对边坡起到一定抗滑加固的作用，边坡安全系数较天然边坡大；临坡距接近4D时，桩体位置紧邻天然边坡滑动面，对边坡有一定的扰动作用，边坡安全系数略低于天然边坡；随着临坡距的进一步增大，桩基位置离天然坡体滑动面越来越远。

图6 临坡距-边坡安全系数关系曲线

3.2 桩土接触状态

临坡距从小到大(从D到6D)边坡强度折减后，桩顶土体的脱开变形(5倍放大)状况如图7。由图7可知，桩体上部产生了弯曲变形，下部呈现较好的锚固状态，局部有反弯点出现，变形模式符合典型的长桩变形；桩前土体产生了向下的失稳滑动变形，局部土体与桩体脱开，临坡距为4D以后脱开变形趋于稳定，4D以下时桩基临坡距越小，桩周土体脱开变形越严重。

图7 土体脱开变形

为定量描述极限状态下桩周土体的脱开变形情况，提取桩周土压力随桩长变化曲线如图8。由图8(a)可知，桩周接触压力为零，说明桩前土体与桩体之间是脱开的。随着临坡距从小到大，桩前土体脱开范围先减小后趋于不变。临坡距为1D时，距坡顶顶面约20 m范围内桩，前土体与桩体之间脱开，并随临坡距从D到6D增大，桩前土体脱开深度依次减少了7.95%、9.63%、11.18%、0.1%、0.06%。

由图8(b)可知，临坡距的变化，不影响土压力沿桩身的变化规律，桩前土压力随着埋深先变大后变小再增大，桩后土压力的的总体变化趋势为经过先变小后变大的两个谷峰段后再减小，临坡距离为3D以上时，桩后土压力随桩长变化曲线形状几乎一致。随着临坡距增大，桩前最大土压力位置不断上升，这是由于随着临坡距增大，离边坡潜在滑动面越来越远，桩对于坡体滑动面的限制作用越来越小。