陳　偉，陳海斌

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東　廣州　510010）

超高填方邊坡中橋梁樁基的受力特性分析

陳偉，陳海斌

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510010）

通過(guò)對(duì)廣州東部固體資源再生中心超高填方邊坡中橋梁樁基的受力特性分析，總結(jié)了在超高填方邊坡中進(jìn)行橋梁樁基設(shè)計(jì)的方法，為位于特殊地質(zhì)條件的樁基設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。

Midas/GTS；超高填方邊坡；樁基；受力特性分析

0　引言

伴隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，土地資源日益稀缺，大型的建筑物逐漸向城市周邊發(fā)展，諸如垃圾焚燒廠(chǎng)和填埋廠(chǎng)等均選址在山區(qū)地帶，地形地貌相當(dāng)復(fù)雜。對(duì)周邊配套的交通建設(shè)，如道路橋梁等提出了越來(lái)越高的要求，橋梁樁基經(jīng)常位于復(fù)雜的地質(zhì)條件中，需要橋梁設(shè)計(jì)人員對(duì)此做出正確的分析。

1　工程概述

擬建廣州東部固體資源再生中心位于蘿崗區(qū)九龍鎮(zhèn)，整個(gè)項(xiàng)目均在山區(qū)修建，地形地貌相當(dāng)復(fù)雜。由于廠(chǎng)區(qū)建設(shè)場(chǎng)地的需求，需對(duì)現(xiàn)狀山體填方外擴(kuò)約100 m，填方高度高達(dá)60 m，而環(huán)一路高架橋正好處于廠(chǎng)區(qū)外圍高填方邊坡上方，橋梁跨徑組合12×35 m（預(yù)制小箱梁）+33.5 m（鋼箱梁）= 453.5 m，其中C1、C2、C10～C14軸樁基位于填方邊坡上（見(jiàn)圖1）。方案設(shè)計(jì)橋梁基礎(chǔ)采用兩根直徑為2.2 m的鉆孔灌注樁。橋梁立面如圖2所示，C2軸橋梁橫斷面如圖3所示，填方邊坡各土層參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1　廠(chǎng)區(qū)和橋梁平面圖（單位：m）

圖2　橋梁立面圖（單位：m）

圖3　C2軸橋梁橫斷面圖（單位：m）

表1　各土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

對(duì)于超高填方邊坡中的樁基，設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)考慮邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題。該填方邊坡采用10 m一級(jí)分級(jí)填筑，坡率采用1∶1.5，填筑過(guò)程分層采用HDPE單向拉伸塑料土工格柵筋帶加固。經(jīng)核算，邊坡穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。其次就是考慮根據(jù)邊坡和樁基的施工順序進(jìn)行樁基受力的受力特性分析，保證樁基的安全性。

關(guān)于邊坡與樁基的施工順序問(wèn)題，存在兩種可能：

（1）先填土后施工樁基：此方法是在需要填土的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行分層填土壓實(shí)到坡頂?shù)奈恢煤螅匀怀两狄欢〞r(shí)間后，再進(jìn)行樁基的施工。其優(yōu)點(diǎn)在于邊坡在樁基施工時(shí)已經(jīng)完成大部分的工后沉降，邊坡位移對(duì)樁基的影響相對(duì)較小，且樁基施工時(shí)，可以收集到邊坡施工過(guò)程中填方土體參數(shù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，相應(yīng)調(diào)整邊坡土體的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)樁基的設(shè)計(jì)分析進(jìn)行調(diào)整。邊坡施工完后，后期的樁基施工工藝技術(shù)也較為成熟。其缺點(diǎn)在于整個(gè)項(xiàng)目的施工工期長(zhǎng)，后期的樁基施工對(duì)填方邊坡的土體造成擾動(dòng)，對(duì)于超高填方邊坡的安全性帶來(lái)一定程度的安全隱患。

（2）先施工樁基，橋墩與填方邊坡施工同步進(jìn)行。此方法是先完成填方邊坡底標(biāo)高下的樁基施工，然后在分級(jí)施工填方邊坡的同時(shí)分段現(xiàn)澆橋墩。其優(yōu)點(diǎn)在于橋梁的下部結(jié)構(gòu)與填方邊坡幾乎同步進(jìn)行施工，在一定程度上縮短了工期，提高了經(jīng)濟(jì)效益。其缺點(diǎn)在于后期填筑的邊坡對(duì)前期施工的樁基和橋墩影響較大，樁基和橋墩將承受較大的土壓力，不斷累積的水平位置在后期可能無(wú)法糾偏，填方邊坡在壓實(shí)的過(guò)程中對(duì)樁基和橋墩亦會(huì)產(chǎn)生較大負(fù)摩阻力，影響樁基豎向承載力和橋墩的強(qiáng)度。施工過(guò)程中也存在邊坡、樁基和橋墩施工交叉作業(yè)互相影響的不利因素。

從邊坡和橋梁安全、投資、施工難度、工期等方面綜合比較分析了兩種施工順序，設(shè)計(jì)時(shí)采用了先填土完成邊坡后施工樁基的方案。

2　樁基受力特性分析

2.1土體的屈服準(zhǔn)則

本文所用有限元分析程序采用初應(yīng)變法，并引用摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則作為彈性-粘塑性模型的屈服準(zhǔn)則。摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則［1］廣泛應(yīng)用于巖土材料的理論與實(shí)踐中。它表明材料的抗剪強(qiáng)度與作用于該平面上的正應(yīng)力有關(guān)，巖土材料的破壞面不是最大剪應(yīng)力作用平面，而是與最大主應(yīng)力作用平面夾角45°+φ/2的平面，當(dāng)作用在該面上的正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ滿(mǎn)足摩爾-庫(kù)侖屈服表達(dá)式時(shí)，將發(fā)生剪切破壞，即式（1）：

2.2超高填方邊坡的穩(wěn)定性分析

本文采用Midas/GTS巖土分析軟件中的邊坡模塊對(duì)超高填方邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，邊坡滑移帶位移云圖見(jiàn)圖4。計(jì)算得到的穩(wěn)定系數(shù)為1.363，滿(mǎn)足要求。

圖4　邊坡滑移帶位移云圖

2.3樁基有限元模型

本文采用Midas/GTS巖土分析軟件建立樁基有限元分析模型，分別模擬了樁基所處位置的中風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、砂礫土層、填方邊坡和樁基。各土層采用二維平面單元進(jìn)行模擬，樁基采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，有限元模型如圖5所示。工后沉降采用30%的自重進(jìn)行模擬。

圖5　邊坡樁基有限元模型

2.4計(jì)算結(jié)果

2.4.1樁頂水平位移和豎向位移

計(jì)算得到的樁基水平位移和豎向位移如圖6和圖7所示。樁頂水平位移為65 mm，豎向位移為7 mm。

圖6　樁基水平位移（單位：mm）

2.4.2單樁豎向抗壓承載力（考慮負(fù)摩阻）

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）計(jì)算由于樁周土沉降引起樁側(cè)負(fù)摩阻力，中性點(diǎn)取在強(qiáng)風(fēng)化巖層與樁基相交處。對(duì)于端承樁按式（2）驗(yàn)算樁基承載力：

式中：Nk為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合軸心豎向力作用下，樁基的平均豎向力；Qng為負(fù)摩阻力引起基樁的下拉荷載；Ra為單樁豎向承載力特征值，按式（3）計(jì)算。

計(jì)算得到的 Nk=14 000 kN，Qng=32 666 kN，Ra=65 000 kN，滿(mǎn)足式（2）的要求。

圖7　樁基豎向位移（單位：mm）

2.4.3樁身裂縫和強(qiáng)度驗(yàn)算

2.4.3.1裂縫驗(yàn)算

樁身彎矩圖和軸力圖分別如圖8和圖9所示。樁徑d=2.2 m，樁基計(jì)算寬度為0.9（d+1）=2.88 m，樁基最大彎矩為3 459×2.88=9 961.92 kN·m，軸力為9 200 kN，計(jì)算得到的裂縫寬度為0.127 mm，滿(mǎn)足要求。

圖8　樁身彎矩圖（單位：kN·m）

圖9　樁基軸力圖（單位：kN）

2.4.3.2抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算

樁基最大彎矩為12 000 kN·m，對(duì)應(yīng)軸力為9 200 kN，計(jì)算得到的截面抗力為2.27e+04 kN，滿(mǎn)足要求。

2.4.3.3抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

計(jì)算得到的樁身剪力圖見(jiàn)圖10所示。樁身抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1 810 kN，樁基抗剪強(qiáng)度按《混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）計(jì)算?？辜魪?qiáng)度：其中b=1.76r=1 936 mm，αcv=0.7，f1=1.71 MPa，fyv= 280 MPa，Asv=157 mm，s=100 mm，h0=1.6r=1 760 mm，計(jì)算得到Vcs=4 852 kN＞1 810 kN，滿(mǎn)足要求。

圖10　樁身剪力圖（單位：kN）

3　結(jié)論及建議

通過(guò)廣州東部固體資源再生中心超高填方邊坡中的橋梁樁基設(shè)計(jì)分析，得出如下結(jié)論和建議：

（1）超高填方邊坡中橋梁樁基設(shè)計(jì)時(shí)，因土層參數(shù)對(duì)樁基的受力特性影響較大，應(yīng)通過(guò)土工實(shí)驗(yàn)等方法明確土層參數(shù)。

（2）超高填方邊坡中橋梁樁基設(shè)計(jì)時(shí)，為避免土拱效應(yīng)，樁基應(yīng)盡量采用單排樁，且樁基中心連線(xiàn)的方向盡量與邊坡滑動(dòng)方向一致，以減少土體對(duì)樁基的作用。

（3）樁基受力分析時(shí)應(yīng)考慮邊坡水平位移和沉降的影響。

（4）超高填方邊坡中橋梁樁基施工時(shí)，應(yīng)盡量采用旋挖樁或鉆孔樁，減少樁基施工過(guò)程中對(duì)邊坡土體的擾動(dòng)，并在施工過(guò)程中加強(qiáng)邊坡監(jiān)測(cè)，確保邊坡的穩(wěn)定性。

［1］李廣信.高等土力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

U443.15

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1009-7716（2016）07-0126-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.037

2016-03-18

陳偉（1977-），男，福建龍巖人，高級(jí)工程師，從事道橋設(shè)計(jì)工作。