陡坡与桥梁桩基相互影响及稳定性分析

曹博成

（华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）

陡坡地段的桩基与平地普通桩基有所不同，主要表现在以下几方面：桩基所处地理位置特殊，大多数桩都深入风化岩层，根据受力特性又分为不同的类型；桥梁桩基不仅承受竖向荷载和水平荷载，还承受边坡土体带来的侧向土压力；桩体在使用过程中除了满足承载力的要求，还要满足抗滑稳定性，因此在使用过程中应严格控制桩体的沉降量和位移偏位。

1 陡坡段桥梁基桩受力特性

陡坡段的桥梁基桩受力特性与其他形式基础不同，普通桥梁桩基主要承受竖向荷载和水平荷载，当存在边坡且坡脚与桩基位置很近时，桥梁桩基不仅承受竖向荷载和水平荷载还承受边坡土体带来的侧向土压力。为了更好地研究陡坡地段桥梁桩基的受力特性，认为桩基承受竖向作用和水平作用时表现的是“主动桩”的特性，而桩基承受侧向土压力时表现的是“被动桩”的特性。

工程作业当中，挖方地段通常需要在边坡上方修建临时便道以保证车辆的通行、施工作业的进行以及土方的调配和远运，这样就会导致边坡上部负荷较大，土体的下滑力增大，从而增加土体对桩基的侧向压力，因此桩基在侧向土压力和桩顶荷载组合共同作用下使桩身变形。

2 屈曲稳定性

2.1 模型建立

文章通过有限元模型的建立来分析桥梁桩基的屈曲稳定性。模型建立过程中，边坡的倾斜角度为45°，边坡的总长设置为75m，垂直高度为50m。对桩基基础稳定性进行分析之前应对周边土的初始应力进行调查，然后根据初始应力建立分析模型，文章中确定的桩基周边土性质与桩的土体性质相同，边坡坡脚设置为45°，各层材料参数如表1所示。

表1 材料参数表

模型建立过程中采用六节点模型，通过模型求解每个位置对应的应力值。得到相应位置的应力后，删除桩基所在位置的土体单元，同时在该位置建立桩基的模型，然后将得到的应力值导入，此时假设为桩基和土体的变形相协调。应用分析软件ADINA对建立的模型进行屈曲稳定性分析，分析模型如图1所示。

图1 屈曲稳定性分析模型

ADINA软件在对该模型进行屈曲稳定性分析时所采用的方法是特征值分析法，文章主要做法如下：对基桩顶面施加一个大小为1N的荷载，然后对模型分析求解荷载数值，软件可以通过计算过程中的应力和变形得到荷载因子，然后求解临界荷载值（临界荷载值=桩基顶面荷载×相对应的荷载因子）。

桩-土体组合经过屈曲稳定性分析后得到最终的变形结果，通过图形和数值的分析可得临界荷载因子为6.689×108，根据以上计算公式可知此时的临界荷载值为1N乘以荷载因子6.689×108，通过计算可得临界荷载值约为6.689×108N。

2.2 影响因素

（1）弹性模量的影响。随自由段长度增大时临界荷载的变化曲线如图2所示。屈曲临界荷载值随自由段的增加而出现反比现象，即当自由段长度增加时，对应的临界荷载值呈下降的趋势，稳定计算长度值呈现增长的趋势。当桩体埋入土体的深度h与桩的自身长度l的比值大于0.62时，屈曲稳定性受弹性模量E的影响不大，当桩身屈曲点由坡体以上变化到坡面以下时，桩体水平地基抗力对基桩屈曲稳定性的影响比桩身材料强度的影响大；当埋入比小于0.62时，桩身的屈曲稳定点位于自由段，基桩稳定性受弹性模量的影响较为明显。因此陡坡地段上的桥梁桩基在施工时应选择适当的埋入比，以保证桩基的稳定性，防止发生桩基失稳的现象。

图2 临界荷载变化图

（2）桩径的影响。桩径作为桥梁桩体受力和变形的一个重要控制指标，其对桩基的屈曲稳定性也很敏感。桩径分别为0.5d、1d、1.5d、2d时稳定计算长度随自由段长度变化曲线如图3所示。从图3中可以看出，随着自由段长度不断增加，临界荷载出现减小的变化趋势，且减小速率先缓慢减小，然后加速减小，最后急速下降。相应的计算长度变化则与临界荷载变化相反，先缓慢增长，然后增长速率提升，最后增长速率最快。由图3可以分析出对应的临界长径比λ随桩径d的增大而减小。当桩径d取值分别为0.5倍、1倍、1.5倍、2倍、2.5倍时，屈曲临界荷载比的数值比前一个数值增大倍数分别为5.11倍、2.01倍、1.26倍及0.79倍。通过增大数值变化可以看出屈曲临界荷载比的增长变化曲率呈“凸”形非线性。通过上述变化可以得出陡坡段桥梁基桩分析时，可通过临界长径比λ与桩径d的变化曲线来确定最稳定的桩径，从而使基桩的屈曲稳定性得到有效提高。

图3 稳定计算长度变化图

（3）桩体嵌固深度影响。通过桥梁桩基屈曲稳定性数值变化可以看出，临界荷载值与嵌固深度呈正比变化，而稳定计算长度与嵌固深度成反比变化，且变化越来越小最终趋于稳定。稳定计算长度变化如图4所示。当嵌固深度为4m时，屈曲稳定点的位置在自由段，但随着嵌固段长度的增加、自由段长度的减小，屈曲稳定点开始向下移动；当嵌固段达到15m时，基桩临界荷载值和稳定计算长度开始出现稳定的状态。通过控制变量法来分析嵌固深度增加时临界荷载趋于稳定的变化规律。其他参数保持不变，嵌固深度从0m到16m每间隔4m增加，分别为0m、4m、8m、12m、16m，其临界荷载值也逐渐增大，后者比前者分别增大155%、39%、26%和11%；当嵌固深度达到16m时，每间隔4m增加，对应的临界荷载值逐渐递减。通过以上变化规律可知，分析桥梁桩基的屈曲稳定性时，嵌固深度可作为一个必要的影响因素，当嵌固深度达到16m以上时，增加嵌固深度对屈曲稳定性并没有太大提高作用。

图4 稳定计算长度变化图

3 结论

文章通过对陡坡地段的桩基稳定性进行分析得出以下结论：

（1）桥梁桩基不仅承受竖向荷载和水平荷载，还承受边坡土体带来的侧向土压力；

（2）陡坡地段应合理选择弹性模量，保证桩基的屈曲稳定性；

（3）可通过临界长径比λ与桩径d的变化曲线来确定最稳定的桩径，从而使桩基的屈曲稳定性得到有效提高；

（4）进行桥梁桩基的屈曲稳定性分析时，嵌固深度可作为一个必要的影响因素，一定范围内，屈曲稳定性与嵌固深度成正比变化；当嵌固深度达到16m以上时并没有太大提高作用。