深厚碎石土边坡上特大拱桥直桩-斜桩组合群桩基础承载性状数值分析

曾应祝 陈旖平 彭雄志 王刚巧

（1.核工业西南设计院，四川成都 610000；2.西南交通大学，四川成都 610031）

0 引言

我国西部山区地形陡峭险峻，对于陡坡上的桥梁基础，一方面来自桥梁荷载作用在基础上，使得边坡岩土体中的应力变得复杂化，从而影响坡体稳定性；另一方面，由于陡坡临空面的存在，基桩两侧的岩土体不再是完全对称的体系，其承载机理势必与平地基桩有所区别而呈现特殊性[1-2]。

目前，国内外对考虑边坡条件下桥梁桩基承载性状的研究主要集中在以下几个方面：

（1）对于边坡条件下单桩的研究：赵明华根据现场试验提出倾斜荷载下桩后岩质边坡滑坡体推力按抛物线分布荷载的计算模型[3]；刘建华通过室内试验，探讨了不同组合荷载及加载方式下的基桩受力性状[4-5]；杨泉在顺层岩质边坡条件下，对大断面斜桩基础受荷性状进行了研究[6]；

（2）对于边坡条件下桩柱式桥梁双桩基础的研究：赵明华根据室内试验，探讨了不同坡度下基础的破坏模式及承载机理[7]；

（3）对于边坡条件下群桩基础的研究：蔺鹏臻通过数值模拟、有限差分法等手段对以竖向荷载为主的连续刚构桥群桩基础进行受力分析[8]。

这几个方面的情况说明，国内外已有学者对复杂荷载作用下斜坡桥梁桩基础的承载性能、受力模式、内力变形计算方法以及失效破坏模式进行了研究。然而，目前对斜坡桥梁桩基础的研究大多集中在直桩，或者单个斜桩，对于直桩-斜桩组合桩基础研究鲜有报道；且研究大多集中在梁桥，以竖向荷载为主，而拱桥基础需要承受较大的水平推力，既有研究缺乏对拱桥桩基水平荷载作用下桩基的分析。对于覆盖层厚度较大的复杂边坡条件下的拱桥群桩基础，因其拱桥受力的独特性和深厚覆盖层边坡的复杂性，既要考虑坡体推力对桩基的影响，又要考虑巨大的水平推力对坡体稳定性的影响。特别是对于直桩+斜桩的拱桥基础形式，现在对其桩基承载性状和陡坡稳定性尚没有足够的了解和认识。本文以四川省金阳县德谷沟特大桥务科村岸坡和桥墩基础为例，通过建立局部实地模型，采用Flac3D有限元差分计算软件，对拱桥直桩-斜桩组合群桩基础承载性状进行数值分析。

1 工程概况

拟建德谷沟特大桥位于凉山州金阳县，桥梁采用上承式拱桥形式，净跨径230m。桥基位于陡坡上，其中右岸坡度为40°，边坡覆盖层厚度最大达65m。本文分析的主桥桥墩基础位于40°的陡坡上，基础设计形式为直桩+斜桩群桩基础，其中直桩直径3m，布置为2行2列，桩长为71m。斜桩为马蹄形，倾斜角15°，高为3.5m，宽为3m，桩长为64m。桥梁布置见图1所示。

图1 桥梁布置图

2 陡坡拱桥桩基计算模型

2.1 建模计算

本文采用Flac3D有限元差分软件进行建模计算。为了完全模拟实际场地情况，先根据等高线地形图生成模型表面，再根据地勘层面资料，划分地层。模型区域确定的总体原则是既达到综合反映边坡的受力状态，又能够保证计算不受边界条件的影响。根据实地条件确定的模型区域为：水平方向（x方向）距离桥墩承台120m左右；纵向（+y方向）延伸距离桥墩承台125m，-y方向延伸距离桥墩承台80m左右；竖向（z）延伸距离桩底73m；整体模型尺寸为X×Y×Z=238×206×199（m）。岸坡及桥梁桩基数值模型见图2所示。

图2 岸坡及桥梁桩基数值模型图

2.2 材料参数

材料本构的选择与模型中材料的受力及变形特性相关。本次分析所涉及的材料包括边坡岩土体、桥梁承台、桩基等，相关参数见表1。

表1 主要材料计算参数

2.3 数值计算中边坡及桩基础上的荷载

根据工程设计资料，承台面在桥桩和上部结构施工完成后主要承受来自拱脚和交接墩的力。其中来自拱脚处的竖向力Fz=53219kN、水平力Fx=24397kN、Fy=6490kN；弯 矩Mx=245663kN·m、My=156788kN·m、Mz=273518kN·m；来自交界墩处的竖向力Fz=18897kN、水平力Fx=1070kN、Fy=1527kN；弯 矩Mx=31006kN·m、My=23168kN·m、Mz=712kN·m。

3 计算结果与分析

主要分析桩周土体变形性状、基础受力变形特性及运用强度折减法计算陡坡的稳定安全系数。

3.1 桥桩及上部结构施工完成后的模拟结果

荷载施加后岸坡竖向位移、水平位移分布见图3～图4所示。由图3可以看出，竖向位移主要分布在桩基及桩周土中，其中承台下方的土体变形最大，此后逐渐以圆弧状向周围递减，桩周围土体的竖向位移随离基础距离增大而不断减小；群桩基础从桩顶至桩底的竖向位移逐渐减少，由于弯矩的作用，第一排竖桩轴向位移最大，变形也最明显，为12mm左右。

图3 荷载施加后岸坡竖向位移分布图

图4 荷载施加后岸坡水平位移分布图

承台由于直接承受水平荷载和弯矩作用后发生一定变形，其中承台顶面交界墩处产生3mm 的位移。承台把荷载传递给桩基，使桩基的上部产生位移3～5mm，桩侧土体抗力随着桩基埋深增大而变大，从而在桩基埋深越深的位置所发生的水平位移越小。由图4岸坡水平位移分布可以看出，靠近承台两侧地表位置是土体受承台扰动的主要分布所在，可以发现由于坡体的下滑力使桩前土体，即坡脚方向有位移；但是桩后土体并没有产生位移，说明桩基础表现为一定的抗滑桩性质。

3.2 边坡整体稳定性

岸坡土体在桥桩及其上部结构竣工以后会发生一定程度的变形，承台基础附近是最大变形位移区域，为6mm左右，往坡脚处逐渐递减，到1区域位移减小为3mm，再到2区域，由于坡度变陡，位移增大为4mm左右。总体来说，变形位移较小，无明显的水平或竖向位移在坡脚处出现，存在位移的位置也仅为第一层碎石土表面区域，整体岸坡状态稳定。总位移图见图5所示。

4 结束语

本文以四川省金阳县德谷沟特大桥务科村岸坡和桥墩基础为例，通过建立局部实地模型，采用Flac3D有限元差分计算软件，数值计算中边坡及桩基础上的荷载，从深厚覆盖层边坡上的拱桥桩基受力变形以及坡体稳定性方面，对直桩-斜桩组合群桩基础承载性状进行数值分析，可得出以下结论：

（1）桥梁工程完成后，边坡整体位移很小，土体变形主要集中在承台及桩周土体，桥梁荷载对岸坡整体稳定影响不大。群桩基础在一定程度上起到抗滑桩作用。

（2）所有桩的桩身轴力随深度增加逐渐递减，侧摩阻力在第一层土发挥不大，在桩身中下部才达到峰值。

（3）基础变形以竖向位移为主，水平位移较小，竖向位移和水平位移都随桩深增加而减小，其中第一排桩位移最大，竖向位移为12mm，水平位移为5mm。越靠近斜桩，水平位移越小，斜桩的设计形式能有效地抵抗水平变形。

（4）深厚覆盖层边坡表面碎石土容易形成潜在滑动带，且滑动带出现在坡前（坡脚方向）位置，边坡支护应注重加固支护基础坡前（坡脚方向）区域。