高填土边坡上桥台桩基计算方法探析_卫德刚.pdf

收稿日期：2022-12-12作者简介：卫德刚，男，高级工程师，学士，主要从事桥梁设计工作。引文格式：卫德刚.高填土边坡上桥台桩基计算方法探析 J.市政技术，2023，41（3）：164-170.（WEI D G.Analysis on calculation method ofabutment pile foundation on bcakfilled slope J.Journal of municipal technology，2023，41（3）：164-170.）文章编号：1009-7767（2023）03-0164-07第41卷第3期2023年3月Vol.41，No.3Mar.2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.03.164Journal of Municipal Technology高填土边坡上桥台桩基计算方法探析卫德刚（北京国道通公路设计研究院股份有限公司，北京 100073）摘要：在沉降未完成的高填土边坡上修建桥台，边坡变形会对桥台桩基产生不利影响，而且桩基具有承载和抗滑双重作用，受力比较复杂。因此，为研究桥台桩基的受力性能，介绍了考虑填土土压力作用和不考虑填土影响 2 种简化方法，并认为对于较矮填土边坡，采用简化计算是可行的；但对于高填土边坡，由于侧向土压力大小与填土高度的平方成正比，2 种简化方法计算结果差别较大，不能用来指导设计，因此需找出一种更符合实际受力状态的计算方法。结合对设计实例中重力式桥台进行建模，应用竖向弹性地基梁理论，对桩基进行了非震和抗震下的受力分析和验算。分析结果表明，考虑边坡填土对桩的弹性约束，能增大桩基刚度，显著减少桩基变形和内力。该计算结果比较适中且更接近实际，能较好地满足安全性和经济性的要求，可供类似工程设计参考。关键词：边坡变形；桩基；弹性地基梁；桥台；土压力；抗震中图分类号：U 443.15文献标志码：AAnalysis on Calculation Method of Abutment Pile Foundation onBcakfilled SlopeWei Degang（Beijing Guodaotong Highway Design Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100073，China）Abstract：When an abutment is built on a backfilled slope with uncompleted settlement，the deformation of the slopewill have adverse effects on the abutment pile foundation.At this time，the stress is relatively complex because thepile foundation has dual functions of bearing and anti-sliding.In order to study the mechanical performance ofabutment pile foundation，two simplified methods are introduced with and without considering the effect of fillingearth pressure.The simplified calculation is feasible for the lower fill slope.However，because the magnitude of lat-eral earth pressure is proportional to the square of the fill height，the calculation results of the two simplified methodsare quite different and cannot be used to guide the backfilled slopes design.It is necessary to find a calculationmethod that is more in line with the actual stress state.Combined with the modeling of gravity abutment in the designexample，the stress analysis and checking calculation of pile foundation under non-seismic and anti-seismic condi-tions are carried out by vertical elastic foundation beam theory.The results show that considering the elastic con-straint of the slope fill on the pile can increase the rigidity of the pile foundation，significantly reduce the deforma-tion and internal force of the pile foundation.The calculation results are more moderate and closer to the reality，which can better meet the requirements of safety and economy.The method can provide reference for similar engi-neering design.Key words：slope deformation；pile foundation；elastic foundation beam；abutment；soil pressure；anti-seismic第3期在山区，很多工程的边坡填方高度在30 m以上，这种高填土边坡由于土体固结、压实程度等原因，在边坡完工后很长时间内仍能监测到竖向沉降和水平位移1-3。在沉降未完成的高填土边坡上建设桥梁，桥台常采用桩基础，而桩基也具有承载和抗滑的双重作用。边坡竖向沉降会对桩基产生负摩阻，水平位移则会在桩身上产生滑坡推力，当两侧有高差时，还应考虑主动土压力。因此，计算桥台桩基时常采用2种方法：一种是把桩基简化为悬臂梁，在原状地面线以上边坡填土范围内对桩基施加土压力，分别有台后土压力和台前溜坡反向土压力，并以土压力为外荷载。该方法由于只考虑了桩基本身承受荷载，没有考虑桩侧土弹性协调变形作用4-5，所以桩基刚度会较小，变形和内力会较大，计算结果将偏保守，设计会不经济，模型见图1a）。另一种就是把后填土边坡看成是沉降完成的、稳定的自然边坡，则边坡内的桩基可认为是土压力平衡状态。该简化实际上不考虑边坡沉降影响，忽略了作用在桩基上的不利作用，所以计算结果将是不安全的，模型见图1b）。对于高填土边坡上的桥台，处在原状地面线以上边坡范围内的桩基较长，采用以上2种方法计算，其结果差别将非常大，因此探讨如何建立较真实的模型，用来指导设计将是非常有意义的。综合考虑2种方法优缺点后，可在方法一的基础上考虑边坡填土对桩基的弹性约束作用，即采用Winkler地基梁模型模拟地基土与基础的相互作用，然后使用竖向弹性地基梁法（“m”法）进行计算6。由于考虑了桩土相互作用，桩与地基共同变形，提高了桩基刚度，降低了内力，设计将会更经济，模型见图1c）。a）普通梁模型b）自然边坡普通梁模型c）竖向弹性地基梁模型图1简化计算模型Fig.1 Simplified calculation model由于弹性地基梁超静定次数多，所以需借助有限元程序进行计算。该方法的土弹簧计算必须基于试验或合理采用土的比例系数参数，笔者则通过某高边坡上桥台的计算过程，探讨了弹性地基梁的计算方法，并对关键的土压力、弹簧刚度和地震惯性力的计算作了介绍，可供其他工程设计参考。1工程实例房山经济产业园地处北京市西部山区，为配合园区建设需新建1座连接进出道路的桥梁。该桥梁跨径布置为340 m；预应力混凝土现浇连续箱梁，桥梁宽度为8.5 m；下部结构为矩形双柱式墩，墩柱截面尺寸为1.8 m1.8 m，柱间设置柱系梁，基础为承台桩，桩径为1.5 m；0号桥台为肋板台，3号桥台为U台，基础为承台桩，桩径为1.3 m。桩基均为钻孔灌注桩，均按照嵌岩桩设计；桥墩支座均为固定支座，桥台上为单向活动支座。1）边坡：3号桥台位于园区高填土边坡上，边坡填土高近30 m，采用土工格栅加筋土边坡，坡率为11.5，坡脚处采用浆砌块石重力式挡墙。边坡工程于3年前完工。2）抗震标准：设计地震动峰值加速度为0.15g，对应基本烈度为VII度，设防类别为C类。2桥台建模应用三维建模工具桥梁博士V4.4对桥台进行建模，模型见图2。主要建模和计算要点：卫德刚：高填土边坡上桥台桩基计算方法探析165Journal of Municipal Technology第41卷1）U台按高桩承台建模，原状地面以上边坡范围内桩模拟为柱。考虑边坡后填土对柱弹性约束作用，按1 m间距给柱加土弹性支承，土弹簧刚度按规范“m”法计算。2）以原状地面以下桩基建立真实桩基单元，程序计算考虑桩土作用。3）分别验算非震和抗震2种工况。4）抗震下对U台采用1阶段E1地震作用进行抗震分析和验算。5）由于缺少边坡监控资料，所以结构设计按边坡填土沉降未完成考虑。3非震验算非震验算时作用在桥台上的主要荷载有：恒活载支反力、台背填土重力、台背侧向土压力、台后汽车土压力和支座摩阻力。非震下受力简图见图3。柱受力可视为竖向弹性地基梁，其上端与承台固结，下端与地基土弹性约束，中间为地基土弹性支座。由于柱上作用的土侧压力和地基土刚度对计算结果影响非常大，所以分别介绍计算过程并对桩柱构件进行验算。3.1土侧压力计算考虑高边坡位移影响，可将该桥前后排桩受力模式类似于边坡中双排抗滑桩结构，但后排桩在边坡土下滑力作用下会向前挤压桩间土，势必也会承受桩间土抗力，同时桩间土对前排桩也会产生推力，而且对于双排桩桩间土压力计算，目前理论上还不够完善，其大小和分布都比较复杂7-9。因此对于结构验算，桩身后侧土压力可简化为主动土压力，为三角形分布，并保守认为前后排数值一样。根据规范，深度H处主动土压力公式为10：E=（H+h）b。（1）式中：为土重度；为土体主动土压力系数；H为计算点深度；h为汽车荷载等代土层厚度，该桥台取0.809 m；b为桩基作用宽度，根据规范取1.8 m。根据该桥回填土参数=90、=0、=35，可求得主动土压力系数=0.246 1。3.2土弹簧刚度计算桩在横向力和弯矩作用下将会产生水平位移和转角，从而使桩挤压桩侧土体，而桩侧土必然会对桩产生横向抗力。桩-土水平相互作用实质是桩身内力与变形的关系。这种关系体现出一种极其复杂的非线性。由于该非线性无法用解析的方法予以表述，所以给设计计算带来极大地不便。而水平静荷载试验确定桩-土关系是最基本的方法，但其会受到主、客观因素制约，使每项工程进行该试验时都存在困难。目前桥梁规范采用的是使用范围最广泛的线弹性方法，即桩顶位移“m”法。水平弹簧支座的压缩弹簧刚度可按下式计算11：Ki=Czbh；（2）Cz=mz。（3）式中：Ki为土弹簧的压缩刚度，kN/m；Cz为地基土水平向基床系数，kN/m3；m为土体地基抗力系数；z为图2桥台模型Fig.2 Abutment model图3非震下受力简图Fig.3 Force diagram under non-seismic conditions166第3期距离开挖面的深度；b为桩身有效作用宽度，取桩基直径1.3 m；h为土弹