承重阻滑桩受力特性分析

李小英 杜 鹏 任庆芳

（三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002）

承重阻滑桩在山区高速公路建设及山区城镇建设中应用广泛，除了承受上部结构传来的荷载（见图1）以外，还受到桩后的横向滑坡推力，其次是桩前土体抗力（由桩前土体剩余抗滑力、被动土压力或弹性抗力中最小者决定）［1］，是受力状态极为复杂的结构基础形式之一.研究承重阻滑桩的受力变形特性及分析计算方法成为桩基工程设计又一新的课题.李彰明［2］结合工程实践，实施了土质边坡建筑桩基水平荷载试验，研究了在水平力作用下桩基变形特征及承载力；于玉贞［3］为研究抗滑桩加固边坡的地震响应和桩土相互作用规律，利用土工离心机及专用振动台进行了砂土边坡的动力离心机试验；杨柏坡［4］研究了山坡上结构地震反应的特点；赵明华［5］采用p－y曲线法描述桩－岩（土）界面接触非线性问题，建立了考虑多种因素的微分方程并得到了相应的有限差分解，实例分析表明，以该方法分析承重阻滑桩的内力及位移是可行的.直接采用整体有限元法分析承重阻滑桩在静、动力荷载作用下受力特性的研究成果较少，本文基于桩－土相互作用分析方法，建立整体有限元分析模型，分析静、动力荷载作用下承重阻滑桩的受力特性.

1 承重阻滑桩受力特性

本文采用了Plaxis有限元软件模拟计算，其计算模型的几何尺寸如图2所示.承重阻滑桩距坡底的水平距离为111m.滑体和滑床采用15节点三角形单元模拟，承重阻滑桩采用梁单元来模拟，滑带以及桩－土相互作用面用界面单元模拟.滑体、滑带和滑床采用Mohr－Coulomb模型，承重阻滑桩采用线弹性模型，材料参数见表1.在有限元分析过程中，主要研究的对象为承重阻滑桩、滑体和滑带，在这些部位可能出现强烈的应力集中或大变形，因此对此部分网格进行加密处理，如图3所示.

图1 承重阻滑桩受力分析图

图2 计算模型尺寸

图3 计算模型有限元网格

表1 材料参数表

在静力作用下，采用固定边界，当考虑地震荷载时，采用粘性边界.地震动输入采用一致加速度输入法，地震动采用El－Centro波，持时30s，时间间隔0.02s，加速度时程曲线及频谱曲线如图4所示.

图4 El－Centro波

本文研究中设计了3大类工况：静力单独作用不考虑地下水（工况1～13）、静力单独作用并考虑地下水（工况14～16）、静、动力作用并考虑地下水（工况15、17～20），见表2，水位以坡底为相对高程.模型计算时，静力计算模拟设置两道工序，第一工序激活承重阻滑桩，第二工序激活桩顶荷载；静、动力计算模拟也设置两道工序，第一工序计算静力作用下桩的受力，第二工序计算动力荷载作用下桩的受力情况，通过计算，得出桩的内力.

表2 计算工况

2 承重阻滑桩受力变形特性分析

2.1 桩顶静荷载对桩内力分布的影响

水平力单独作用下桩内力分布如图5所示，随着作用力的增大，在桩受力段，由于推力作用，桩左侧土体发生位移，致使桩的抗力作用逐渐减小，因而剪力逐渐增大，在嵌固段，在推力作用下，桩左侧土体虽发生位移，但是很小，当作用力增加时，桩的抗力也逐渐增大，但剪力也是逐渐增大的，并且是先增大后减小，最大剪力值达到4.8×103kN，位于嵌固段的中间部位.桩在桩顶与嵌固底端弯矩为零，桩体的弯矩随作用力的增大而逐渐增大，并且在受力段与嵌固段的接触点最为明显，最大弯矩为7.05×104kN·m，而且在水平力为1 000kN作用时比无水平力作用下增大约34%，但是，水平作用力对桩的轴力影响较小，并且靠近桩底处出现拉力.

图5 水平力作用下桩内力变化特性

竖向力单独作用下桩内力分布如图6所示.随着作用力的增大，桩所受剪力与弯矩变化甚微，剪力在嵌固段出现先增大后减小现象，弯矩在受力段与嵌固段的接触点处达到最大值，而桩在受力段，由于滑体推力作用，桩左侧土体发生位移，致使桩土间摩擦力逐渐减小，导致轴力随作用力的增加逐渐增大.在嵌固段，桩左侧土体发生位移甚微，当作用力增大时，虽然桩土之间的摩擦力逐渐增大，但桩内轴力也是逐渐增大的，并且在受力段与嵌固段的接触点处，最大轴力为1.8×103kN，最小轴力为0.83×103kN，最大轴力约为最小的2.2倍，在无竖向力作用或竖向作用力偏小时，靠近桩底处有可能出现拉力.

图6 竖向力对桩的影响

相同水平力和竖向力共同作用下桩内力如图7所示.随着作用力的增大，在桩受力段，由于推力作用，桩左侧土体发生位移，致使桩的抗力作用逐渐减小，桩土间摩擦力逐渐减小，导致桩内剪力和轴力逐渐增大，而在嵌固段，桩左侧土体发生位移甚微，当作用力增大时，虽然桩的抗力与桩土间的摩擦力逐渐增大，但桩内的剪力与轴力也是逐渐增大的，桩内弯矩也随着作用力的增大而增大，并且弯矩在受力段与嵌固段的接触点处达到最大，最大作用力下的弯矩为7.05×104kN·m，它约为最小作用力下弯矩的1.34倍.

图7 水平力和竖向力共同作用时对桩的影响

2.2 地下水位对桩内力分布的影响

在水平力与竖向力都为1 000kN，同时作用于桩顶时，考虑水位为0、100m、200m、300m4种情况，不同地下水位桩内力图如图8所示，当水位为300m时，桩内产生较大剪力与弯矩，最大剪力值与弯矩值分别为7.0×103kN、9.98×104kN·m.与无地下水作用时相比，受力段与嵌固段相接处，剪力大约是无地下水位的1.5倍，弯矩约为无地下水作用时弯矩的1.4倍，而有地下水作用时，由于地下水的浮托作用，随水位高程变化，桩内剪力与弯矩变化较小，并且远大于无地下水作用时的情况，由此看来，地下水的存在，减小了桩土之间的摩擦力作用.

图8 地下水位对桩的影响

2.3 地震荷载作用对桩内力分布的影响

考虑地下水位影响，在水位高程为200m及桩顶同时作用水平力与竖向力都为1 000kN情况下，输入峰值强度不同的El－Centro波（频谱、持时相同），桩内力如图9所示.随着输入地震动峰值强度的增大，桩所受剪力与弯矩逐渐增大，在受力段与嵌固段相接处，最大地震动峰值强度情况下的弯矩为1.66×105kN·m，约为无地震动作用时的3.3倍，桩受力段与嵌固段的轴力也逐渐增大，并且在嵌固段变化较为明显，最大轴力达到2.047×104kN.这是因为整体在地震荷载作用下，就相当于桩身受到一个水平力作用.

图9 地震强度对桩的影响

3 结 论

本文基于桩－土相互作用分析方法，建立了整体有限元分析模型，分析了静、动力荷载作用下承重阻滑桩的受力特性，结论如下：

1）不考虑地下水时，随着作用力的增大，桩内力逐渐增大，尤其是受力段与嵌固段的接触处.

2）考虑地下水作用时，由于水的浮托作用，减小了桩土之间的摩擦力，故有水作用时比无水作用桩内力增大.

3）在地震荷载作用下，随着输入地震动峰值强度的增大，桩所受剪力与弯矩逐渐增大，在受力段与嵌固段相接处，最大地震动峰值强度情况下的弯矩约为无地震动作用时的3.3倍，桩受力段与嵌固段的轴力也逐渐增大.由于整体在地震荷载作用下，就相当于桩身受到一个水平力作用，且土体上部结构与桩底附近在载荷作用下为受力主要工作区，对地震响应有较大贡献.

［1］ 邬龙刚，曹旭华，赵明华.承重阻滑桩受力影响因素分析［J］.公路工程，2009，34（2）：16－22.

［2］ 李彰明，全国全，刘 丹，等.土质边坡建筑桩基水平荷载试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（6）：930－935.

［3］ 于玉贞，邓丽军.抗滑桩加固边坡地震响应离心机模型试验［J］.岩土工程学报，2007，29（9）：1320－1323.

［4］ 杨柏坡，杨笑梅.复杂场地结构地震反应的研究［J］.地震工程与工程振动，1997，17（2）：10－16.

［5］ 赵明华，邬龙刚，刘建华.基于p－y曲线法的承重阻滑桩内力及位移分析［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（6）：1220－1225.