高陡边坡桥梁桩基受力与防护设计探究

高陡边坡桥梁桩基受力与防护设计探究

吕建苏1王伟2

建德市交通设计有限公司1;杭州市交通规划设计研究院2

摘要：本文将结合高陡边坡桥梁桩基结构的受力特点，建立相应的有限元分析模型，对其受力情况进行模拟计算与分析，以供参考。

关键词：高陡边坡桥梁桩基受力分析防护设计研究

高陡边坡地形作为山区公路桥梁施工的常见地形条件之一，在进行这类地形特点的公路桥梁施工中，为避免坡体开挖对既有边坡以及桥梁桩基的稳定性产生不利影响，多采用高架桥桩基结构形式，导致其桩基边坡在运用使用中容易受长期“蠕动”作用变化影响，严重情况下可能会造成桩基受力变形，从而发生公路桥梁桩基结构失稳情况。下文结合高陡边坡公路桥梁桩基受力情况，对其结构的优化设计进行分析。

1、高陡边坡桥梁桩基的受力情况与结构分析

高陡边坡条件下的公路桥梁桩基不仅需要对桩基上部结构荷载进行承担，同时还会受到高陡边坡的坡向水平分力等作用影响，其中，将桥梁桩基的桩身所承载的水平荷载以及桩顶承受的水平剪力、弯矩作用下的受力情况作为水平荷载进行分析的情况下，桥梁桩基的桩顶会同时受到水平与竖向荷载的双重作用和影响，而对其平面弯矩作用产生的受力影响，则可以作为倾斜荷载进行分析，在桥梁桩基的基桩结构中会同时受到斜坡与倾斜荷载的组合影响。如下图1所示，为群桩结构的高陡边坡桥梁桩基结构形式，其中，分布在边坡中的桥梁群桩基础是利用桩承台实现各种受力与变形作用引起荷载分配，从而达到桥梁桩基受力的防护设计效果。

图1高陡边坡桥梁桩基的群桩结构形式

2、基于工程实例的有限元分析模型构建

2.1工程实例

某公路桥梁工程的施工地形主要为山区地带，属于典型高陡边坡桥梁施工情况，其中，桥梁右岸边坡坡度在30至50o之前，边坡岩层以石英砾岩分布为主，从外到内依次为新鲜岩体、弱风化岩、强风化岩等，岩体结构荷载承受能力相对较强，但是存在松动体发育情况。该公路桥梁基础施工中采用高承台群桩形式，按照2×2的对称分布方式进行设计运用。其中，桥梁桩基承载岩层中强风化岩层的厚度为30m，抗力系数为8MN·m-4，弱风化岩层厚度为35m，抗力系数为8MN·m-3，公路桥梁桩承台底部所承受的上部结构传递水平载荷为-100kN，轴向荷载为2.4×103kN，桥梁桩基的群桩承台尺寸设计为7×7×2，为钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C25，其中配有HRB335钢筋结构，钢结构体的弹性模量为2.8×107kN，桩直径为1.5m，钢筋密度设置为26kN/m3，整个桩体长度约为27m，桩间距设置为2m，墩柱长度为30m。桥梁桩的嵌固段长度达到12m，荷载段长度为15m，呈三角形分布，对后排基桩的极限变形应力设置为1.6×103kN·m，选定基桩的计算宽度设置为3.5m。

2.2有限元分析模型构建

结合上述对高陡边坡桥梁桩基结构及受力情况的分析，对高陡边坡桥梁桩基所承受的组合荷载作用下变形特性分析，假设其桥梁桩体为弹性体，对于桩基周围的岩土结构及受力变化可以通过Mohr-Coulomb模型在假设桩周岩层土体在某一点所承受的剪应力达到或者是超出材料的抗剪强度情况下，其材料会发生破坏变化，对受力荷载的变形控制可以通过下列公式（1）进行表示，其中，表示岩层土体的三级主应力，c表示岩土体的粘聚力，为岩土体内摩擦角。

图2结合上述工程实例建立的有限元分析模型示意图

此外，对其边界条件设置与网格划分，在假设模型的顶面不受任何约束情况下，坡体的左右以及前后两侧分别为X方向和Z方向设置限制位移，地面则为Y方向位移，将其具体实施过程分为重力、折减和加载等不同阶段，其中，重力阶段为高陡斜坡上设置重力加速度变化阶段，而折减阶段则为稳定坡体段与变形体接触带之间的折减摩擦系数段，加载阶段为对边坡桩基承台底参考点施加上部结构所传递的竖向和弯矩作用荷载分析段，同时沿承台左右两侧以及坡顶、桩基底部进行网格区划分设置，以便于计算和分析实现。

3、结果分析

根据上述模拟分析，其最大水平位移表现在左侧变形体坡脚位置处，其水平位移量达到2.95mm，而最大综合位移则发生在桥梁桩基模型的承台左侧，位移量达到4.67mm，并且其变形体的变形作用是沿变形带从上向下展开，而群桩结构的桥梁桩基变形为坡体外部向内外弯曲变化情况。其次，对桥梁桩基的变形分析显示，桥梁桩的最大变形位移发生在桩身部位，呈现向坡内歪曲变形特征，对嵌入基岩的桩身底部，位移变化则比较小，或几乎不发生位移，其中，桩身部位的最大位移变化在距离桩底2/3桩长处。最后，桥梁基桩应力变化分析中显示，变形体的下限选界相交处发生最大应力变化，约为2.01×105Pa，呈向左变化状态，为桩顶弯矩与剪力共同作用引起，同时桥梁桩的顶部出现最小应力，应力向右，并且桩剪力从桩顶呈现先减小后增加变化，在桩底12m位置处呈对称分布，且在距离桩底8m时呈现最大正剪力。

4、结束语

总之，对高陡边坡桥梁桩基的受力情况及防护设计进行分析，有利于促进在实际工程中推广应用，从而满足高陡边坡桥梁桩基承载需求，确保公路桥梁的质量和安全，具有十分积极的作用和意义。

参考文献:

[1]朱增辉,陈从新,等.藏木特大桥桩基承台锚锭承载特性研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2018,42(05):841-846.

[2]张伟.复杂山区地带高山陡坡效应下的梁桩基受力性能探讨[J].湖南交通科技,2018,44(02):151-153.