抗滑桩设置位置对边坡上桥墩的加固效果分析

李程旭

(湖南华罡规划设计研究院有限公司， 湖南 长沙 410076)

修建在软弱滑坡体上的桥墩，其桩基既要承受桥墩及上部结构传递的竖向荷载，还要承受滑坡体横向位移产生的水平荷载。为提高桩基水平承载能力，常用抗滑桩来限制边坡滑坡体的横向位移，减小桥基所受水平荷载。针对抗滑桩加固边坡岩体的研究很多，如李浩等采用数值模拟方法，分析了临界破坏时抗滑桩桩身内力及土体力学特性；雷达等通过前后排抗滑桩加固滑坡桥基的振动台模型试验，揭示了土体和桩基的动力特性；赵明华等针对圆形桩建立桩间土拱计算模型，分析了土体参数对桩间距的影响；马俊伟等运用分形理论，研究了抗滑桩加固斜坡失稳过程中坡面位移场的演化规律；李柏春根据监测数据，分析了抗滑桩施工中边坡的变形。该文通过建立三维实体有限元模型，探究在市政边坡路堤加载条件下抗滑桩边坡及桥基的受力和变形规律，为类似工程设计提供参考。

1 计算原理及方法

1.1 桩土相互作用理论

Terzaghi活动门板试验(见图1)证明桩体间的土颗粒与桩体上的土颗粒之间会产生相对位移，桩体间的土颗粒将部分自重通过土体间的摩擦作用传递到桩体，从而在桩土间产生土拱效应。抗滑桩通过土拱效应承担大部分滑坡体的下滑分力，从而增大边坡安全系数，达到加固效果。桩土应力比n是衡量桩、土应力分配的主要指标，可用下式表示：

图1 活动门板试验示意图

n=δp/δs

(1)

式中：δp为桩体所受横向应力；δs为土体所受横向应力。

1.2 计算模型及参数

某边坡高58 m，长144 m。上部路堤填土高度为20 m，分10次填筑完毕，每层填筑高度为2 m。桥墩桩基直径为1 m，桩间距为1.5 m×2.5 m，桩长度为30 m。前排抗滑桩截面尺寸为2 m×4 m，长度33 m；后排抗滑桩尺寸为2 m×3 m，长度19 m，抗滑桩桩端放置在基岩上(见图2)。

图2 某边坡桥梁桩基、抗滑桩横剖面图(单位：m)

建立该边坡有限元模型，模型共包括35 419个网格单元(见图3)。模型底部为固定端约束，表面为自由边界。边坡加载直接采用激活路堤填土单元形式，桥墩桩基础及抗滑桩均采用弹性强度准则，其余土体采用M-C弹性强度准则。桥墩桩基础采用桩结构单元，其余材料采用三维实体单元，材料的物理力学参数见表1。桩基与土体的接触采用界面单元模拟，桩侧摩阻力及桩端承载力根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》取值，桩端弹簧刚度根据砂岩基床系数确定为6 280 000 kN/m，桩基础接触面参数见表2。

表1 材料的物理力学参数

表2 桩界面参数

图3 边坡的模型网格

1.3 计算工况

设置3种计算工况(见表3)。在桥墩桩身及抗滑桩表面沿埋深设置11个监测点。

表3 工况设计

2 加固效果分析

2.1 桥墩及抗滑桩位移

工况一下边坡、桥墩横向位移分别见图4、图5。由图4、图5可知：边坡加载对边坡稳定性的影响较大，随着边坡顶部路堤的加载，边坡表面黏土向下滑移，最大位移达79 mm；桥墩桩基在黏土地层中发生35 mm横向位移，随着桩体埋深的增加，桩基的横向位移减小。

图4 工况一下边坡横向位移云图(单位：m)

图5 工况一下桥墩横向位移云图(单位：m)

工况二下边坡横向位移见图6，不同工况下桥墩桩顶横向位移见图7。由图6、图7可知：工况二下边坡黏土的最大横向位移减小为64 mm，说明设置前排抗滑桩能有效限制桥墩上部黏土的滑移。仅设置后排抗滑桩时，桥墩桩基在加载结束后最大横向位移为32 mm，略小于工况一时位移；设置前排抗滑桩时，桥墩桩基最大横向位移仅10 mm，设置前排抗滑桩对限制土体位移的效果最好。

图6 工况二下边坡横向位移云图(单位：m)

图7 不同工况下桥墩桩顶横向位移

2.2 桥墩桩基及抗滑桩应力

不同工况下桥墩桩基弯矩见图8。由图8可知：在埋深13 m处即黏土与砾石土层交界位置，桥墩桩基产生较大负弯矩。工况二时，桩基负弯矩值最小，为1 157 kN·m；工况一、工况三时，桩基弯矩值较大，分别为2 363 kN·m、2 094 kN·m。可见，设置前排抗滑桩对桥墩的减载效果最佳。

图8 不同工况下桥墩桩基弯矩

不同工况下桩土位移差见图9。由图9可知：随着路堤填筑高度的增加，工况二时桩土位移差大幅提高，而工况三时桩土位移差增长不明显。

图9 不同工况下桩土位移差

不同工况下抗滑桩所受横向压力见图10，桩后土体所受横向压力见图11。由图10、图11可知：路堤填筑完成后，工况二、工况三时抗滑桩所受横向应力分别为200 kPa、100 kPa，前排抗滑桩所受推力随着填筑高度的增加增幅较明显；工况二时桩后土体所受横向应力大幅增加，工况三时桩后土体所受推力没有明显变化。说明设置前排抗滑桩可在土体中形成理想的土拱效应，改善桥墩桩基受力状况。

图10 不同工况下抗滑桩所受横向压力

图11 不同工况下桩后土体所受横向压力

3 结论

(1) 边坡加载对桥梁桩基影响较明显，路堤加载完成后，边坡表面黏土层发生滑移，最大位移达79 mm；桥墩桩基最大横向位移达35 mm，最大弯矩为2 363 kN·m，对桥墩桩基进行减载加固十分必要。

(2) 前排抗滑桩可在土体中产生较理想的土拱效应，有效限制桥墩上部黏土的位移，改善桥墩受力，桥墩最大横向位移减小为10 mm，最大弯矩减小为1 157 kN·m。

(3) 后排抗滑桩处于滑坡黏土下部，不能有效约束土体位移，难以达到对桥墩桩基的减载效果。抗滑桩最好设置在被保护结构上方、土体发生位移最大处。