高陡横坡段双桩基础模型试验研究

高陡横坡段双桩基础模型试验研究

0基于高陡从水平和垂直角度的研究随着西部大发展的进一步发展，山地公路和铁路迅速发展。为了保护现有的生态环境，应避免山地陡坡和大挖掘。然而，应在某些特殊路段，沿着陡峭的高边坡，采用全球桥梁和半桥结构形式。位于高陡横坡段的桩柱式桥梁基桩,其一方面要承受上部结构传递下来的组合荷载;另一方面还将承受因施工、降雨等引起坡体变形而产生的桩侧土压力,其受力状况比平地上的倾斜受荷桩及陡坡上的普通抗滑桩更为复杂。目前针对高陡横坡段桩柱式桥梁基桩的研究多局限于单一荷载方面,如李旭光等通过对西部山区滑坡区桥梁病害的案例分析,总结了滑坡区桥梁病害产生的主要原因,提出了一些设计对策;赵文等则根据稳定坡角法,对高陡岸坡上桥梁桩基的合理作用位置进行了相关的理论与试验研究;冯忠居分析了某滑动带上桥梁墩柱产生偏斜的原因,提出了切实可行的纠偏加固方案。然而,上述研究多仅从竖向承载的角度去探讨陡坡段桥梁基桩的受荷特点,因而与实际工程中承受复杂荷载作用的陡坡段桩柱式桥梁基桩均存在较大差异。针对该问题,Zhao等对高陡纵坡条件下的桥梁单桩进行了相关的理论与试验研究,得出了坡体对基桩的推力作用呈抛物线分布等结论。然而,实际工程中由于上部结构的横向约束明显弱于纵向,且横坡段边坡对桩基的作用也多沿横向发展,因此横坡段桥梁基桩的安全问题更应引起重视。另外,纵坡段独立桩柱亦无法考虑桩-土-桩之间的相互作用,故以上研究成果亦不能被全部借鉴。由于桩柱式桥梁双桩基础在山区桥梁建设中应用极为广泛,故深入研究其破坏模式及内力与变形特性显得尤为重要。鉴于此,本文中通过室内模型试验,对不同墩柱高度和边坡坡度条件下的高陡横坡段桩柱式桥梁双桩基础的承载特性进行深入研究,以期揭示其破坏模式及内力与位移变化发展规律。1试验设计1.1含高高层基桩柱结构模型试验以依托工程中某高陡横坡段桩柱式桥梁双桩基础为原型(图1)。该依托工程中的基桩参数为:前后两桩桩径、桩长均相同,分别为2,25m(含系梁高1.6m);前后墩柱高8.2m;桩柱中心距为6.7m,具体见表1。边坡坡度约45°～60°,坡高为55m,坡体上层为强风化白云质灰岩,下层为中风化白云质灰岩,坡体岩土体力学参数见表2。模型试验在湖南大学岩土工程研究所大型试验基槽内进行,该试验基槽的净空尺寸为3.0m(高)×3.5m(宽)×7.2m(长),具体如图2所示。1.2初始条件相似比模型试验按照相似理论中的第三定理来确定模型材料各物理量。模型与原型之间,如果满足单值条件相似,而且由单值条件的物理量所组成的相似判据在数值上相等,则原型与模型发生的物理现象相似。其中单值条件主要包括:几何条件、物理条件、边界条件及初始条件等。原型和模型间相同物理量之比称为相似比,即λi=ipim(1)λi=ipim(1)式中:i为原型与模型间相同的物理量;λi为物理量i的相似比;下标p代表原型,m代表模型,下文同。几何条件相似比为λl=lplm‚λh=hphm‚λd=dpdm(2)λl=lplm‚λh=hphm‚λd=dpdm(2)物理条件相似比为λEI=EpIpEmIm‚λk=kpkm(3)λEΙ=EpΙpEmΙm‚λk=kpkm(3)式中:E为桩身混凝土的弹性模量;k为地基的抗力系数。初始条件相似比为λp=PpPm‚λQ=QpQm(4)λp=ΡpΡm‚λQ=QpQm(4)式中:P为桩顶竖向荷载;Q为桩顶水平荷载。模型试验必须同时满足的相似指标方程为λpλ2hλEI=1‚λkλdλ4lλEI=1(5)λpλh2λEΙ=1‚λkλdλl4λEΙ=1(5)将式(2)～(4)代入式(5),即可得到模型试验的相似准则,即Pph2pEpIp=Pmh2mEmPm=Ph2EI=C1(6)kpdpl4pEpIp=kmdml4EmPm=kdl4EI=C2(7)Ρphp2EpΙp=Ρmhm2EmΡm=Ρh2EΙ=C1(6)kpdplp4EpΙp=kmdml4EmΡm=kdl4EΙ=C2(7)式中:C1,C2均为常数。表3为各物理量相似关系,由表3可以看出:模型试验的相似指标1和2分别为0.98,1.04,二者在数值上均接近1,故本次模型试验基本满足式(6)和式(7)中的2个相似准则。1.3桩周岩土体的试样制备材料模拟主要包括桩柱材料和桩周岩土体材料模拟。试验选用三型聚丙烯管材(PPR管)作模型试验的桩柱(图1),采用水泥、石膏、砂等混合料来模拟桩周岩土体,详见文献。桩周岩土体材料模拟的关键在于强度合理,即必须确定一个比较合理的配合比。为此,利用熟石膏、水泥、中细砂等制作了若干试件,测试其单轴抗压强度、内聚力及内摩擦角,从而最终确定模拟岩石材料砂、水泥、石膏、水的质量配合比为2∶0.1∶0.1∶0.4。模型桩柱材料参数见表2,各物理量之间相似关系见表3。1.4试验计划桩柱式桥梁基桩的内力与变形特性和墩柱高度及边坡坡度等因素紧密相关。为此,本文中重点考虑这2个因素,制定的试验方案如表4和图3所示。1.5测量和加载方案(1)模型内变形片布置为测量模型桩柱在复杂荷载作用下的内力与变形,在其上粘贴了一定数量的应变片来测试桩身应变,应变片沿边坡横向在模型桩柱前后两侧均匀对称布置。墩柱段每隔15cm布置一对应变片;基桩段每隔12cm布置一对应变片。根据材料力学,由各测点的拉、压应变可计算该测点截面弯矩值,其计算式为M=EIεy+εld(8)Μ=EΙεy+εld(8)式中:M为测点截面弯矩;εy,εl分别为桩柱测点截面的压、拉应变。(2)前桩和前桩关于测点设置模型桩柱的水平位移通过百分表来测量。在前后柱顶(测点1和测点2)、前后桩顶(测点3和测点4)以及前桩与坡面交界处(测点5)架设了5个百分表,见图3。加载前,首先将百分表读数归0,然后每加1级荷载之前读数1次,直至试验结束。(3)模型加载系统及加载过程为考虑高陡横坡段桩柱式桥梁双桩基础承载的复杂性,试验加载分为柱顶竖向荷载P1、柱顶水平荷载F及坡顶竖向荷载P2,其中P1和P2由多通道协调加载系统施加,该系统由油压控制系统、千斤顶以及反力架等装置组成(图2);柱顶水平荷载则由自制滑轮、砝码组合加载装置施加。加载过程为:先加柱顶竖向荷载,分8级,每级2kN,直至荷载为16kN;保持柱顶竖向荷载16kN不变,接着施加柱顶水平荷载,分6级,每级50N,荷载终值为300N;然后保持柱顶竖向及水平向荷载大小均不变,按每级50kN施加坡顶竖向荷载,直至模型失效。每级荷载的稳定标准及模型失效标准,具体可参考文献。2试验结果与分析2.1组合荷载作用下桩间裂缝试验过程中,在柱顶复杂荷载作用下,模型桩柱会产生少量水平位移,并且对边坡有一定程度的影响。但随着坡顶荷载的施加,桩柱与坡体的变形越来越明显,并最终导致坡体整体失稳,模型发生破坏。试验现象如图4所示(以60°边坡为例)。如图4(a)所示,在P1为16kN和F为300N的组合荷载作用下,桩间坡面出现类似八字形的裂缝,八字形裂缝的两裂缝间最大宽度为36.5cm,2条裂缝中最长为33.6cm;前桩桩前坡体出现“剪刀”形裂缝,开裂区域宽6.5cm,长24cm。由此可见,柱顶最大的组合荷载对坡体的影响仅限于浅层2～4倍桩径范围内。保持柱顶组合荷载不变,施加坡顶竖向荷载后,首先在坡顶载荷板四角处出现斜裂缝[图4(b)],且坡顶裂缝与坡面裂缝均随坡顶荷载的增加而变宽、变长。继续施加坡顶竖向荷载,将导致边坡整体失稳,模型破坏[图4(c)]。卸载后,将坡体挖开,基桩弯曲变形非常明显[图4(d)]。2.2柱顶和柱顶位置图5～7为坡度60°,桩长1.2m,墩柱高度分别为0.6,0.9,1.2m的模型桩柱在相同荷载水平(P1=16kN,F=300N,P2=300kN)下,桩柱内力与位移的变化发展规律,其余各级荷载规律类似。从图5(a)可知:墩柱顶、底两端,上段弯矩为负,下段为正,柱身弯矩零点位于柱中附近,这与陡坡段桥梁单桩(上段弯矩为正,下段弯矩为负)的受力状况差别较大。其原因在于单桩设计时均假定桩(柱)顶自由,而实际工程中,桩柱式桥梁基桩的柱顶总是受盖梁及上部结构约束,桩(柱)顶势必会存在负弯矩。由图5(b)可知:柱底弯矩随柱桩高度比(h/l)增大呈非线性增长,这说明桩柱式桥梁基桩普遍存在重力二阶效应(P-Δ效应,Δ为位移),且这种效应将会随墩柱高度增加而变得更为明显。从图6(a)可知:前后两桩的桩身上段弯矩为负,在桩中出现反弯点,下段以正弯矩为主。可见横坡段桩柱式桥梁双桩与普通双排抗滑桩或双排支护桩(上段弯矩为正,下段弯矩为负)的受力状况差异显著。这是因为桩间系(盖)梁和前后墩柱组成的框架结构整体刚度较大,对基桩的水平约束也非常明显,而导致基桩上段出现负弯矩。从图6(b)可知,桩身最大正、负弯矩值均随柱桩高度比呈非线性变化。在相同的荷载条件下,因墩柱高度不同导致的柱身内力差异将会进一步影响桩身内力的发展。由图7可知:柱桩高度比为0.5,0.75,1.0时,对应的柱顶水平位移分别为5.23,10.20,18.59mm,桩顶水平位移分别为3.32,5.28,8.96mm。由此可见,桩柱的水平位移随墩柱高度增加而呈非线性增长的趋势非常明显。水平位移越大,桩柱的P-Δ效应就越显著。2.3边坡桩顶和后桩桩身弯矩分布为了探讨边坡坡度对桩柱式桥梁双桩基础受力与变形的影响,还设置了M4和M5两组试验,与M1进行对比,结果见图8～10。由图8(a)可知:随边坡坡度增加,柱顶弯矩值(负)随之增大,而柱端弯矩值(正)则随之减小,柱身弯矩零点随坡度增大逐渐向柱底转移。图8(b)中,墩柱顶、底弯矩与边坡坡度tan(α)的关系曲线为“凹”形。柱顶弯矩比柱底弯矩大,其差值随坡度增加而增加。这是因为坡度越大,桩周岩土体对柱底及桩顶横向约束越弱,桩柱的横向变形就越大,因柱顶与桩底的约束条件受坡度影响较小,桩柱内力只能由约束弱处向约束强处(柱顶和桩端)发展。从图9(a)可看出:前、后桩桩顶弯矩值均随坡度增大而增大,相同坡度下后桩桩身弯矩比前桩大。45°和60°边坡前、后桩桩身内力均呈“上负下正”的倒“S”形分布,桩身反弯点位于桩中附近;而75°边坡前桩的桩身上段负弯矩很小,下段正弯矩非常大,反弯点不明显。这是因为桩长相同时,坡度越大前桩嵌固深度越浅,桩周岩土体对荷载的平衡能力也越弱,所以75°边坡中的前桩桩端弯矩较大。由图9(b)可知:前、后桩桩身最大正弯矩与tan(α)之间的关系曲线呈“凸”形,而桩身最大负弯矩与tan(α)呈“凹”形。这反映出边坡坡度对基桩上段受力的影响更大,桩身最大负弯矩出现在桩顶以下约4倍桩径处[图9(a)]。由图10可知:相同荷载下,45°,60°,75°边坡对应的柱顶水平位移分别为3.25,5.23,8.41mm,桩顶水平位移分别为1.83,3.32,4.43mm。桩柱水平位移随tan(α)增大呈“凸”形非线性增长。综合图9和图10可以发现:边坡坡度对基桩内力与变形发展规律的影响显著,后桩是桩柱体系中的主要承载者,配筋时应适当加强。因边坡坡度存在而引起的前后两桩入土深度差异,可能导致前桩桩端弯矩过大、桩顶差异变形等不利情况,实际工程中,可针对前桩桩前坡体进行局部防护加固设计。3单桩、双排抗滑桩桩锚索特性(1)柱顶组合荷载对坡体的影响仅限于浅层(2～4倍桩径范围内)。坡体裂缝与桩柱变形随坡顶荷载的增加而增大。复杂荷载作用导致的边坡整体失稳为系统主要破坏模式。高陡横坡段桩柱式桥梁双桩基础的内力分布与陡坡桩柱式单桩、双排抗滑桩及双排支护桩差异显著,柱顶及桩顶负弯矩比较大,柱、桩顶边界条件并非完全自由。(2)随柱桩高度