2018, Vol. 35扩展功能
文章信息
- 陈思晓, 冯忠居
- CHEN Si-xiao, FENG Zhong-ju
- 多雨冲沟区桥梁桩基横向承载特性模型试验研究
- Experimental Study on Model of Lateral Bearing Behavior of Bridge Pile Foundation in Rainy Gully Area
- 公路交通科技, 2018, 35(12): 80-89
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2018, 35(12): 80-89
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2018.12.012
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文章历史
- 收稿日期: 2018-08-30
2. 福建省交通建设质量安全监督局, 福建 福州 350001
2. Fujian Provincial Traffic Construction Quality and Safety Supervision Bureau, Fuzhou Fujian 350001, China
多雨冲沟地区修建高速公路，大多采用桥梁结构跨越，其基础形式主要为桩基础。该桩基础多建于斜坡，其所处环境特殊、条件复杂，雨水冲刷使桩基础外露，滚石、泥石流、滑坡等挟带的冲击物对桩基础产生冲击荷载，一定程度上降低桩基承载力，影响桥梁结构使用功能[1-3]。因此，探明多雨冲沟区桩基础横向承载特性，是做好此类桩基础安全设计及施工的重要前提。
目前，国内外学者大多通过原型观测、静载试验、室内模型试验等试验方法，并结合理论分析，对桥梁桩基础承载机理进行研究。朱斌等通过离心模型试验研究砂性土中大直径单桩分别在水平静力和循环荷载作用下的受力和变形特性[4]。刘建华等人以竖向荷载下基桩挠曲微分方程为基础，以方程分析法导出高陡岩质边坡上桥梁桩基模型试验的相似准则，并以该准则为指导，对陡坡桩基受力性状进行室内模型试验[5]。尹平保等人以相似理论为基础，通过复杂荷载作用下横坡段桥梁双桩基础室内模型，分析桩基承载特性[6]。李心平通过对试桩在预加荷载条件下的浸水载荷试验，对浸水前(后)桩身轴力、侧摩阻力分布特征进行测试分析[7]。赵明华等人通过现场试验，分析高陡横坡段桩柱式桥梁双桩基础承载特性及荷载传递机理[8]。牛富生等人以黄土斜坡桥梁桩基现场试验为依托，研究桩基在不同荷载工况下桩身上、下坡面两侧的轴力、桩侧摩阻力及桩侧土压力的传递规律与分布特征[9]。然而，对多雨冲沟区域桩基的横向承载特性进行系统性的研究并不多，可供设计及施工参考的理论和参数针对性不足。
基于之前的研究[10-18]，本研究通过采用自主研发的多雨冲沟区桥梁桩基础室内小比例模型试验平台，最大程度地表征原型的桩土材料、桩土边界条件等技术状态，尽量还原桩基础在实际环境中的受力过程，科学模拟多雨冲沟区桥梁桩基在横向荷载下的受力变化情况，研究分析横向承载特性及荷载传递机理等变化规律，提出不同斜坡度数下桩基有效桩长的折减系数，给出相关工程技术建议。
1 模型试验设计本模型试验遵循相似准则，并依据工程实际设计了不同的工况，使模型试验所揭示的多雨冲沟区桩基础作用机理与实际工程相吻合。
1.1 相似设计 1.1.1 相似准则以相似学第二定律中的方程分析法为模型设计依据，导出多雨冲沟区桥梁桩基础的相似准则：
建立桩段微元体的弯矩平衡方程，令全部单值条件在两现象上相似，可得物理条件、边界条件以及起始条件相似时的相似常数，通过相似转换得出相似指标方程为：
|
(1) |
式中，cEI, cm为物理条件相似时参量的相似常数；cb，cz为边界条件相似时参量的相似常数；cp为起始条件相似时参量的相似常数。
根据此相似准则方程确定模型桩的各物理量参数。
1.1.2 模型材料相似(1) 桩身材料及尺寸
采用桩径为63 mm(壁厚2 mm)的铝管，桩长分别为40，60，80和100 cm，长细比分别为6.3，9.5，12.7，15.9。
(2) 桩周岩土材料
使用黄土、砂以及水等材料进行配比，模拟多雨冲沟地区桩基础地带的岩土地质情况。
1.2 试验内容 1.2.1 试验模拟工况(1) 模拟坡度相同时，不同桩长情况下的桩基横向承载特性。
(2) 模拟桩长相同时，不同坡度情况下的桩基横向承载特性。
1.2.2 试验方案(1) 坡度分别为0°，30°，45°，60°，75°，90°情况下，桥梁桩基横向荷载传递机理及变形特性的影响分析
(2) 桩长分别为40，60，80，100 cm时，桥梁桩基础横向荷载传递机理及变形特性的影响分析
(3) 桩与坡边距离分别为1.5d，2.5d，3.5d，4.5d时，桥梁桩基础横向荷载传递机理及变形特性的影响分析。其中，1.5d表示桩边距坡边距离为1.5倍的桩径(d为桩直径，下同)。
1.3 试验装置设计 1.3.1 模型箱制作设计的室内试验模型箱尺寸为160 cm×160 cm×160 cm，由卡槽和钢板拼接组成，钢板使用螺栓固定且可拆装，具体如图 1所示。
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| 图 1 试验模型箱设计图 Fig. 1 Design of test model box |
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1.3.2 加载装置
横向加载装置采用滑轮组合，由可调节高度横杆、定滑轮、牵引线及加码装置等组成，如图 2所示。
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| 图 2 横向加载装置 Fig. 2 Lateral loading device |
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1.3.3 变形量测装置
(1) 百分表布置
桩顶水平位移采用百分表量测，取2个百分表读数的均值。
(2) 应变片布置
每根模型桩桩身前后两面均对称布置应变片，各桩长应变片布置如表 1及图 3所示。
| 桩长/cm | 40 | 60 | 80 | 100 |
| 应变片数量/片 间距/cm |
5×2 8.0 |
5×2 13.0 |
6×2 14.0 |
6×2 18.0 |
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| 图 3 应变片布置(单位:cm) Fig. 3 Layout of strain gauges (unit:cm) |
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1.3.4 内力及弯矩计算
由对应点测量值计算得出桩身横向承载力，并依据材料力学弯曲理论，计算求得各桩身截面测点处弯矩。
2 斜坡桩基在横向荷载作用下的承载特性分析 2.1 坡度相同下桩长不同时的横向承载特性分析根据坡度为0°，30°，45°，60°，75°条件的不同桩长桩基H-y曲线可知(H为横向荷载，y为桩顶水平位移)，同一坡度下，不同桩长的横向承载力变化规律基本相同。图 4为坡度30°和75°的曲线状态情况。
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| 图 4 坡度相同下桩长不同的H-y曲线 Fig. 4 H-y curves of pile with different lengths in same slope |
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由同一坡度时不同桩长的H-y曲线变化规律可以得出：同一坡度情况下，不同桩长的H-y曲线规律均呈增长趋势，但随着桩长增加，相同荷载下的水平位移增长幅度降低，即斜率减小，说明斜坡条件下通过增加桩长可以提高桩的横向抗力。坡度小于等于30°时，横向荷载为100 N是曲线的转折点，前者斜率大于后者，变形量较小，最大水平位移不超过0.14 mm；坡度大于30°后，桩的H-y曲线斜率在横轴向荷载为150 N的位置出现较大变化，前者的斜率明显小于后者，且相同荷载下桩顶的水平位移明显大于坡度小于30°的情况，说明坡度增大后，桩侧岩土体缺失对桩的横向抗力影响显著。
2.2 桩长相同下坡度不同时的横向承载特性分析在横向荷载作用下，桩长相同下坡度不同时桩基的H-y曲线如图 5所示。
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| 图 5 桩长相同下坡度不同的H-y曲线 Fig. 5 H-y curves of pile with same length in different slopes |
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从图 5中可以看出，坡度小于等于30°时，同一桩长的H-y曲线变化规律呈线性增长。坡度大于30°后，H-y曲线变化规律明显不同于坡度小于30°的情况，当作用于桩上横向荷载小于150 N时，桩的水平位移随着横向荷载增加呈线性增长；横向荷载大于150 N后，H-y曲线变化规律明显呈非线性变化，且前者的斜率明显大于后者，说明坡度超过30°后桩侧岩土体缺失大，桩顶水平位移量增，大大降低桩侧横向抗力。
2.3 横向容许承载力及影响度分析桩基在横向荷载作用下，桩顶处产生水平位移的大小取决于桩身结构、桩侧岩体性质及相互变形条件。为满足桩基和桩周岩体的安全使用，根据现有研究成果并结合模型试验实际，取桩基在桩顶处水平位移为0.3 mm时的承载力为试验桩基横向容许承载力Hcr[19-20]。不同坡度、不同桩长的桩基横向容许承载力试验计算成果见表 2，表中αH为横向承载力影响度，
| 桩长/cm | 0° | 30° | 45° | 60° | 75° | 90°(距坡边1.5d) | |||||||||||
| Hcr/N | αH/% | Hcr/N | αH/% | Hcr/N | αH/% | Hcr/N | αH/% | Hcr/N | αH/% | Hcr/N | αH/% | ||||||
| 40 | 171 | 0.0 | 123 | 28 | 92 | 46.2 | 4 | 74.3 | 27 | 84.2 | 18 | 89.5 | |||||
| 60 | 196 | 0.0 | 150 | 23.7 | 108 | 44.9 | 73 | 62.7 | 38 | 80.6 | 24 | 87.7 | |||||
| 80 | 214 | 0.00 | 170 | 20.6 | 138 | 35.5 | 91 | 57.5 | 61 | 71.5 | 40 | 81.3 | |||||
| 100 | 257 | 0.00 | 216 | 15.9 | 177 | 31.1 | 134 | 47.8 | 94 | 63.4 | 68 | 73.5 | |||||
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| 图 6 桩基横向承载力变化曲线(斜坡) Fig. 6 Curves of lateral bearing capacity of pile foundation(slope) |
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| 图 7 桩基横向承载力影响度变化情况(斜坡) Fig. 7 Variation of influence degree of lateral bearing capacity of pile foundation(slope) |
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从表 2和图 6、图 7中分析可知，随着坡度增大，同一桩长的横向承载力影响度αH不断增大，坡度在30°到75°变化过程中，影响度αH从约16%增长至84%，说明坡度增大改变桩外侧岩土体状态，使得桩侧横向抗力有不同程度的降低。
当坡度为45°，桩长从40 cm增至60 cm时，横向承载力由92 N增至108 N，增大16 N，增幅17.4%；桩长从60 cm增至80 cm，横向承载力由108 N增至138 N，增大30 N，增幅27.8%；桩长从80 cm增至100 cm，横向承载力由138 N增至180 N，增大42 N，增长幅度30.4%。结果表明，随着桩长增长，同一坡度的桩基横向承载力呈增长趋势，且增长幅度也随桩长增长逐渐增大。
上述情况反映出多雨冲沟区斜坡地形条件对桩基横向承载力有显著影响，桩侧岩土体缺失降低了桩基横向抗力，该工程特性在实践中需关注。
3 直坡桩基在横向荷载作用下的承载特性 3.1 桩与坡边距离相同下桩长不同时的试验成果与分析图 8为90°直坡下，桩与坡边距离相同下桩长不同时桩基的H-y曲线变化规律。
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| 图 8 桩与坡边距离相同下桩长不同的H-y曲线 Fig. 8 H-y curves of pile with different lengths and same distance between pile and slope edge |
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从图 8可看出，90°直坡情况下，桩顶的水平位移随着横向荷载的增加呈线性增长；在同一荷载作用下，随着桩长的增长，桩顶的水平位移明显减小，且桩长越大其减小幅度越大。这说明直坡情况下，随着桩长增长其承载力及稳定性增加，在设计中可通过增加桩长提升桩基的安全可靠性。
3.2 桩长相同下桩与坡边距离不同时的试验成果与分析图 9所示为桩长相同下桩与坡边距离不同时桩基的H-y曲线变化规律。
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| 图 9 桩长相同下桩与坡边距离不同H-y曲线 Fig. 9 H-y curves of pile with same length and different distances between pile and slope edge |
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从图 9中可以看出，随着桩与坡边距离的增加，相同荷载下桩的水平位移明显减小。当桩位于平坡0°和距坡边4.5d位置两种工况下，桩顶水平位移变化较小，且近似相等；随着距离变小，即桩位于距坡边距离趋近1.5d位置时，桩顶水平位移随之增大，且随着荷载的增大而增大，说明桩基处于欠稳定或不稳定状态，桩侧岩土体缺失影响桩侧横向抗力，不利于桩基础稳定。因此，在工程实际中，建议根据岩土体性质及环境特点选用合理的安全距离。
3.3 直坡情况下横向承载力及影响度分析桩在相同水平位移情况下，不同边界条件下各桩长的横向承载力及其影响度见表 3，表中影响度计算方法为
| 桩长/cm | 1.5d | 2.5d | 3.5d | 4.5d | 0°(平坡) | |||||||||
| H/N | α′H/% | H/N | α′H/% | H/N | α′H/% | H/N | α′H/% | H/N | α′H/% | |||||
| 40 | 115 | 56.3 | 175 | 33.4 | 206 | 21.6 | 241 | 8.3 | 263 | 0.00 | ||||
| 60 | 134 | 54.7 | 201 | 32.1 | 235 | 20.6 | 276 | 6.7 | 296 | 0.00 | ||||
| 80 | 175 | 47.7 | 235 | 29.8 | 268 | 20.0 | 316 | 5.6 | 335 | 0.00 | ||||
| 100 | 211 | 45.9 | 277 | 28.9 | 316 | 18.9 | 375 | 3.8 | 390 | 0.00 | ||||
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| 图 10 桩基横向承载力变化曲线(直坡) Fig. 10 Curves of lateral bearing capacity of pile foundation(straight slope) |
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| 图 11 桩基横向承载力影响度变化情况(直坡) Fig. 11 Variation of influencing degree of lateral bearing capacity of pile foundation(straight slope) |
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当桩长为100 cm，桩与90°坡边距离由1.5d增至2.5d时，横向承载力由211 N增至277 N，增大66 N，增幅31.3%；桩与90°坡边距离由2.5d增至3.5d时，横向承载力由277 N增至316 N，增大39 N，增幅14.1%；桩与90°坡边距离由3.5d增至4.5d时，横向承载力由316 N增至375 N，增大59 N，增幅18.6%。上述结果表明，在90°直坡情况下，随着桩与坡边距离的增大，桩基横向承载力呈线性增长趋势。当桩与坡边距离小于等于2.5d时，横向承载力影响度平均大于30%，长、短桩略有差异，说明桩侧岩土体缺失大大降低桩基横向抗力，因此在此类地形条件中设置桩基时，设计与施工需对坡边采取防护措施。其中，当桩与90°坡边距离为4.5d时，其横向承载力为平坡(0°)时的96%，说明此时桩侧岩土体缺失对横向承载力的影响不大。
当桩与90°坡边距离为2.5d，桩长从40 cm增至60 cm，横向承载力由175 N增至201 N，增大26 N，增幅14.9%；桩长从60 cm增至80 cm，横向承载力由201 N增至235 N，增大34 N，增幅16.9%；桩长从80 cm增至100 cm，横向承载力由235 N增至277 N，增大42 N，增幅17.8%。上述结果表明，在90°直坡情况下，随着桩长增长，桩基横向承载力随之增大，因此通过增长设计桩长可弥补由桩侧岩体缺失引起的横向承载力降低问题。
4 桩基在横向荷载作用下的荷载传递机理分析 4.1 有效桩长通过模型试验分析可知，桩侧岩土体缺失使距桩顶一定范围内的岩土体对桩的作用大大降低，甚至失去作用，仅在此范围以外的桩(有效桩长)才能发挥功能。有效桩长是设计桥梁桩基础的一项重要设计参数，计算得出各桩长下不同坡度时桩基有效桩长LH及所占整个桩的比例值n，结果见表 4，有效桩长随坡度变化规律如图 12所示。
| 桩长/cm | 30° | 45° | 60° | 75° | 90°(1.5d) | |||||||||
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|||||
| 40 | 32 | 0.80 | 28 | 0.70 | 20 | 0.50 | 16 | 0.40 | 9 | 0.23 | ||||
| 60 | 49 | 0.82 | 42 | 0.70 | 31 | 0.52 | 24 | 0.40 | 17 | 0.28 | ||||
| 80 | 65 | 0.81 | 55 | 0.69 | 40 | 0.50 | 33 | 0.41 | 26 | 0.33 | ||||
| 100 | 81 | 0.81 | 70 | 0.70 | 51 | 0.51 | 45 | 0.45 | 42 | 0.42 | ||||
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| 图 12 有效桩长变化曲线 Fig. 12 Curves of effective length of pile |
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从表 4和图 12中可以得出，同一桩长下，随着坡度增大，桩侧岩土体缺失变大，有效桩长减小。因此，在陡坡地形条件下进行桩基础设计时，需尽量采取避让措施，当桩位无法避免时，可增加桩长或增设防护措施，并进行承载力及稳定性验算，保证桥梁使用安全。
4.2 折减系数多雨冲沟区桥梁桩基由于桩侧岩土体缺失，在距桩顶一定范围内桩侧岩土体不能提供有效横向抗力，只起到传递荷载的作用，这段桩长称为失效桩长L′H，设计计算时桩长h =有效桩长LH+失效桩长L′H。其中，有效桩长LH根据设计桩长h乘以折减系数ζH计算得出，该折减系数即为表 4中的比例值n，折减系数ζH的取值见表 5，其它坡度可通过内插计算。其中，坡度在75°以上时，短桩取低限，长桩取高限。
| 坡度 | 0° | 30° | 45° | 60° | 75° | 90°(1.5d) |
| ζH | 1.00 | 0.80 | 0.70 | 0.50 | 0.40~0.45 | 0.20~0.40 |
4.3 影响深度
多雨冲沟区桥梁桩基在采用“m”法计算桩的内力和位移时，影响深度hm的计算与平坡不同，平坡的hm计算方法是从桩周地面(或最大冲刷线)开始计算，而此类情况则由有效桩长范围确定，如图 13所示。
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| 图 13 桩基影响深度计算图 Fig. 13 Calculation diagram of influencing depth of pile foundation |
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图 13中h0为施工因素产生的开挖深度，桩基础在陡坡上受施工工艺和技术的限制，需在桩顶周边开挖出一定范围内的施工平台，桩顶前缘至岩层坡面间必须有适当的安全距离l，其数值与岩土层类型密切相关，在地形地质条件及岩层复杂的情况下需适当增加安全距离，必要时进行边坡防护处理。
5 桩基在横向荷载作用下的弯矩变化规律分析桩身截面最大处弯矩值及其截面位置情况，是桩基截面设计的重要控制指标，主要用于检验桩身截面强度和配筋计算。
5.1 最大弯矩在横向荷载150 N作用下，桩身最大弯矩变化情况见表 6及图 14。
| 桩长/cm | 0° Mmax/N·m |
30° Mmax/N·m |
45° Mmax/N·m |
60° Mmax/N·m |
75° Mmax/N·m |
90° (距坡边1.5d)Mmax/N·m |
| 40 | 17.0 | 18.9 | 21.9 | 24.1 | 26.6 | 28.2 |
| 60 | 15.8 | 17.9 | 20.4 | 22.4 | 24.4 | 26.1 |
| 80 | 14.5 | 16.4 | 19.0 | 20.3 | 22.5 | 24.6 |
| 100 | 19.1 | 20.6 | 24.3 | 27.9 | 32.2 | 36.2 |
|
| 图 14 桩基最大弯矩变化曲线 Fig. 14 Curves of maximum bending moment of pile foundation |
| |
从表 6及图 14可看出，同一桩长条件下，随着坡度增加，桩基最大弯矩值增大。当坡度大于30°后，此种影响效果增强，主要由于桩侧岩土体缺失影响桩基自身的内力值的发挥。
5.2 最大弯矩位置桩基在横向荷载作用下，桩身最大弯矩截面位置汇总见表 7，最大弯矩截面处位置随坡度变化规律如图 15所示，比值i随坡度变化规律如图 16所示。其中，i为桩身最大弯矩截面位置与桩长的比值。
| 桩长/cm | 0° | 30° | 45° | 60° | 75° | 90°(距坡边1.5d) | |||||||||||
| hx/cm | i | hx/cm | i | hx/cm | i | hx/cm | i | hx/cm | i | hx/cm | i | ||||||
| 40 | 8.8 | 0.22 | 11.2 | 0.28 | 12.0 | 0.30 | 12.6 | 0.32 | 12.8 | 0.33 | 12.6 | 0.32 | |||||
| 60 | 12.4 | 0.21 | 14.9 | 0.25 | 15.7 | 0.26 | 16.2 | 0.27 | 16.6 | 0.28 | 16.2 | 0.27 | |||||
| 80 | 14.5 | 0.18 | 17.3 | 0.22 | 18.8 | 0.24 | 19.6 | 0.25 | 20.2 | 0.26 | 20.2 | 0.25 | |||||
| 100 | 16.2 | 0.16 | 19.6 | 0.19 | 21.2 | 0.21 | 22.8 | 0.23 | 23.0 | 0.23 | 24.4 | 0.24 | |||||
|
| 图 15 桩基最大弯矩截面处位置变化曲线 Fig. 15 Curves of position of maximum bending moment section of pile foundation |
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| 图 16 桩基比值随坡度变化曲线 Fig. 16 Curves of ratio of pile foundation varying with slope |
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随着坡度和桩长的增加，最大弯矩截面处位置呈增大趋势；且坡度越大，增幅降低，即曲线渐趋平缓，坡度大于60°后趋势更为明显，说明坡度超过60°以后，同一桩长最大弯矩点位置基本一致。
桩基比值i随坡度的增加而增大，随桩长的增加反而减小。当桩长40 cm、坡度大于30°时，比值i大于30%，最大值达到整个桩长的1/3，说明坡度达到30°后，桩侧岩土体缺失量大，对桩基结构整体受力不利，存在安全隐患。不同桩长不同坡度下的比值均值在20%~30%之间，说明在距桩顶(20%~30%)h范围内为截面配筋设计计算关注的重要位置，针对位置坡度大、周边岩体缺失多等情况下的桩基需进行专项设计和特殊防护。
6 工程技术建议(1) 当桩基础处于坡度较大位置时，且在工程地质、地形地貌及水文气象等复杂因素作用下，需适当增加桩顶前缘至岩层坡面间的安全距离，必要时进行边坡专项防护，并对已破损及破碎的岩体采取加固措施，可防止施工安全隐患的发生。
(2) 桩基截面配筋计算需重点考虑距桩顶(20%~30%)h的范围，桩基设计中需对坡度大、桩周岩体缺失多等情况进行专项设计和特殊防护，保证桩基施工安全及后期正常使用。
7 结论结合多雨冲沟桥梁桩基础所处的地形、地貌及位置特征的影响，利用室内模型试验研究了桩基在不同坡度和不同桩长下的横向承载特性及荷载传递机理，主要研究结论如下：
(1) 随着桩长的增加，桩基的横向承载力逐渐增大，但桩长越长，承载力变化幅度渐缓；桩长相同的情况下，坡度越大，桩基础的横向承载力越小。
(2) 建立了桩基有效桩长计算公式，实践时需考虑不同坡度对应的折减系数；坡度增大，相同条件下的桩基有效桩长逐渐变小。
(3) 桩身最大弯矩及其截面位置随坡度及桩长的增加而增大，增幅随坡度增大而降低。
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