陳欣韓軍

（1.中國(guó)十七冶集團(tuán)有限公司 馬鞍山243000；2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院 400045）

引言

在山地城市的發(fā)展建設(shè)過(guò)程中，由于土地資源緊張，常需要在靠近邊坡頂部的位置修筑建筑。這樣不可避免地出現(xiàn)一些樁基建在靠近邊坡頂?shù)钠麦w中，這些樁基除了承受結(jié)構(gòu)傳來(lái)的豎向荷載和水平荷載之外，還將承受來(lái)自坡體的側(cè)向土壓力，這也導(dǎo)致坡體中的樁基同時(shí)具有承重與阻滑的雙重功能，邊坡對(duì)樁的承載力的發(fā)揮有一定削弱作用。另一方面，邊坡失穩(wěn)將會(huì)威脅到人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，建筑樁基把上部結(jié)構(gòu)傳下來(lái)的力傳給邊坡，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生影響。

目前邊坡的支擋加固與建筑樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)還處在相對(duì)獨(dú)立的狀態(tài)，因此為確保邊坡頂面上建筑物和邊坡的安全，分析坡體內(nèi)樁基的受力機(jī)理以及樁基對(duì)邊坡的影響，對(duì)樁基以及支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

1 計(jì)算模型及參數(shù)確定

1.1 有限元模型的范圍選取

大多數(shù)樁土分析問(wèn)題都涉及無(wú)限域或半無(wú)限域，而數(shù)值分析法是在有限的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行離散化。為了使有限元模擬的結(jié)果比較準(zhǔn)確，必須取足夠大的計(jì)算范圍。但是如果計(jì)算范圍過(guò)大將會(huì)導(dǎo)致單元數(shù)過(guò)多和計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。本文模型計(jì)算范圍的確定參考了鄭穎人院士［1］的研究成果：當(dāng)坡腳到右端邊界的距離為坡高的1.5倍，坡頂?shù)阶蠖诉吔绲木嚯x為坡高的2.5倍，且上下邊界總高不小于2倍坡高時(shí)，計(jì)算精度最為理想。本文的土質(zhì)邊坡有限元模型，坡高5m，坡腳到右端邊界的距離為20m，坡頂?shù)阶蠖诉吔绲木嚯x為40m，坡體上下邊界總高14m，Z向土體的寬度為14m，符合鄭穎人院士所指定的計(jì)算范圍。邊坡模型示意如圖1所示。

圖1 土質(zhì)邊坡基本模型Fig.1 The basic model of soil slope under gravity

1.2 材料屬性

梁、柱、樁、擋土墻定義為線彈性材料。土體采用ANSYS中的DP材料模型。

1.3 單元的選擇

梁和柱采用三維梁?jiǎn)卧猙eam4；底部的柱、樁、土體、擋土墻等采用20節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體solid95單元；樁土接觸面采用targe170和conta174單元；多點(diǎn)約束單元MPC184單元用于連接梁?jiǎn)卧闹蛯?shí)體單元的柱，以傳遞彎矩。

1.4 邊界條件

邊坡的底部邊界為固定邊界，設(shè)置X，Y，Z三個(gè)方向的約束，左右邊界設(shè)置X方向的約束，前后邊界設(shè)置Z方向的約束。

2 算例設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)-樁-邊坡體系分析基本模型如圖1所示，其基本參數(shù)為：框架跨度為6m，層高3m，梁尺寸為0.3m×0.6m，柱尺寸為0.8m×0.8m；采用均質(zhì)土，土體X向尺寸為55m，Y向尺寸為14m，Z向尺寸為14m。樁長(zhǎng)10m，樁尺寸0.8m×0.8m。坡高5m，切坡前坡率1：1。切坡后設(shè)置直立式重力擋土墻，墻頂寬1.5m，高度6m，墻面坡度為1：0.3，墻背直立，基底坡度為1：0.14，墻趾厚度為1m。擋土墻的設(shè)計(jì)按照擋土墻標(biāo)準(zhǔn)圖集［2］選取，材料參數(shù)具體取值見(jiàn)表1。

表1 土質(zhì)邊坡材料參數(shù)Tab.1 The material parameters of soil slope model

另外，建立了只有邊坡無(wú)建筑結(jié)構(gòu)的模型，用于與邊坡有結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比，研究建筑框架和樁基對(duì)邊坡支擋結(jié)構(gòu)的作用。

3 結(jié)果及分析

3.1 建筑樁基對(duì)邊坡的影響

用有限元折減法對(duì)土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減后，邊坡出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)，使土達(dá)到極限平衡狀態(tài)，土壓力的分布也出現(xiàn)變化。

試算出無(wú)結(jié)構(gòu)模型的安全系數(shù)為4.2，等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D2所示，邊坡破裂面在45°左右。有結(jié)構(gòu)模型的安全系數(shù)為4.05，建筑和建筑荷載減小了邊坡的安全系數(shù)，邊坡仍然出現(xiàn)了貫通塑性區(qū)，但是由于有建筑樁基的存在，在樁附近的土沒(méi)有形成45°左右的貫通破裂面，塑性區(qū)主要出現(xiàn)在樁周?chē)约皹逗蛽跬翂χg。

有結(jié)構(gòu)模型和無(wú)結(jié)構(gòu)模型擋土墻上不同高度土壓力平均值如圖3所示。由圖3可知，有結(jié)構(gòu)模型和無(wú)結(jié)構(gòu)模型的擋土墻上部1m的土壓應(yīng)力很小，幾乎為零，可知它們都為主動(dòng)土壓力。由圖4可知，云圖應(yīng)力等值線接近一條條水平的平行線，在中部靠近樁基的部位應(yīng)力等值線沒(méi)有出現(xiàn)明顯的彎曲。說(shuō)明當(dāng)邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，建筑樁基傳力到邊坡的作用很小。

圖2 基本模型等效塑性應(yīng)變?cè)茍DFig.2 The equivalent plastic strain contour image of basic model

圖3 平均土壓應(yīng)力Fig.3 The average earth pressure of retaining wall

圖4 有結(jié)構(gòu)模型土壓應(yīng)力云圖（單位：Pa）Fig.4 The soil pressure contour image of retaining wall（unit：Pa）

由圖5可知，無(wú)結(jié)構(gòu)模型擋土墻最大位移為16.47mm，而結(jié)構(gòu)模型的擋土墻最大位移為8.39mm，為無(wú)結(jié)構(gòu)模型的50.94%。這說(shuō)明建筑樁基的存在起到了類(lèi)似抗滑樁的有利作用，減小了邊坡的變形。此時(shí)無(wú)結(jié)構(gòu)模型擋土墻的位移除以墻高為0.27%。文獻(xiàn)［3］中分析出擋墻不同的變位模式時(shí)，平動(dòng)模式所需的擋土墻位移和墻高的比值為Δ/H=0.14% ～0.16%，繞墻底模式所需擋土墻位移和墻高的比值為Δ/H=0.35% ～0.40%，繞墻頂模式所需擋土墻位移和墻高的比值為Δ/H=0.2% ～0.25%。本文的無(wú)結(jié)構(gòu)模型極限狀態(tài)下?lián)跬翂Φ淖畲笸翂毫Τ霈F(xiàn)在下部，為繞墻頂模式，Δ/H=0.27%，滿足主動(dòng)土壓力狀態(tài)所需的擋土墻位移。

圖5 土體和擋土墻Ux位移云圖（單位：m）Fig.5 TheUxdisplacement contour image of soil and retaining wall（unit：m）

3.2 邊坡對(duì)建筑樁基的影響

用ANSYS的路徑功能在樁基的沿Z方向-0.4m～0.4m不同高度處取水平的路徑，把X方向應(yīng)力Sx映射在路徑上，Sx對(duì)路徑長(zhǎng)度積分得到樁后推力和樁前抗力的總的分布力，如圖6所示。

圖6中的樁后推力和樁前抗力的分布力相減，得到用來(lái)設(shè)計(jì)樁基的設(shè)計(jì)推力，如圖7所示。由圖7可知設(shè)計(jì)推力在樁埋深接近5.5m位置為0，此處為樁基穿越邊坡滑裂面的位置。在滑裂面以上，樁基承受土體向坡方向的推力，推力的分布呈拋物線的形狀。在滑裂面以下，樁基承受土體背坡方向的抗力。

3.3 樁到坡頂距離的影響

圖6 樁后推力和樁前抗力分布力Fig.6 The distributed force in front of pile and behind pile

樁到坡頂?shù)木嚯x以及樁與邊坡潛在滑動(dòng)面的相對(duì)位置對(duì)樁與邊坡相互作用影響很大。模型編號(hào)及右樁到坡頂?shù)木嚯x如表2所示。

圖7 設(shè)計(jì)推力（一）Fig.7 The design pushing forceⅠ

表2 右樁到邊坡距離參數(shù)Tab.2 Pile slope distance parameter

由圖8可知，在極限狀態(tài)下，建筑樁基到坡頂?shù)木嚯x變化對(duì)擋土墻土壓力的影響較小，d2模型的土壓力變得更小，主要是因?yàn)闃痘l(fā)揮了類(lèi)似抗滑樁的作用。

圖8 平均土壓應(yīng)力Fig.8 The average earth pressure of retaining wall

由圖9可知，隨著建筑樁基到坡頂?shù)木嚯x變大，樁基的設(shè)計(jì)推力變小。d2、d3、d5、d7模型的最大推力分別為23.18kN/m、20.79kN/m、8.45kN/m、3.75kN/m，后三者分別為d2模型最大推力的89.69%、36.45%、16.18%。由設(shè)計(jì)推力零點(diǎn)位置可以看出樁基穿過(guò)滑裂面的位置，d2模型右樁穿過(guò)滑裂面的位置在埋深6m附近，d3模型右樁穿過(guò)滑裂面的位置在埋深5.5m附近，d5、d7模型右樁穿過(guò)滑裂面的位置分別在埋深4m、2m附近。

4 算例取值

《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》［4］中7.2.3條規(guī)定，當(dāng)基礎(chǔ)外邊緣到邊坡距離a小于0.5H（邊坡高度）時(shí)，側(cè)向巖土壓力取靜止土壓力；當(dāng)0.5H≤a≤1.0H時(shí)，側(cè)向巖土壓力取靜止土壓力和主動(dòng)土壓力的平均值；當(dāng)a＞1.0H時(shí)，側(cè)向巖土壓力取主動(dòng)土壓力，即不考慮建筑基礎(chǔ)對(duì)擋土墻的影響。

圖9 設(shè)計(jì)推力（二）Fig.9 The design pushing forceⅡ

由于本文算例的邊坡滑動(dòng)面在45°左右，所以規(guī)范中規(guī)定當(dāng)a＞1.0H時(shí)，建筑基礎(chǔ)在邊坡的滑裂面以外，側(cè)向巖土壓力取主動(dòng)土壓力，即不考慮建筑基礎(chǔ)對(duì)擋土墻的影響是可取的。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)邊坡處于極限狀態(tài)時(shí)，如果樁基的底部在滑動(dòng)面以下，靠近擋土墻的樁基對(duì)擋土墻上的土壓力基本沒(méi)有影響，邊坡內(nèi)的樁基對(duì)邊坡起到類(lèi)似抗滑樁的有利作用。在設(shè)計(jì)坡體內(nèi)樁基時(shí)，應(yīng)根據(jù)邊坡的實(shí)際情況計(jì)算邊坡推力，計(jì)算配筋。