黏土边坡中水平受荷单桩的承载特性与分析方法

《Buildings》：Bearing Characteristics and Analysis Methods of Horizontally Loaded Single Piles Under Clay Slopes

　　

随着山区边坡上桩基建设的增多，边坡引起的非对称应力场显著降低了桩的侧向土抗力（lateral soil resistance）。现有研究多集中于坡顶桩，针对嵌入黏土边坡中单桩的p-y曲线计算方法存在明显空白。研究人员开展了坡角为0°、15°和30°的黏土边坡单桩模型试验，结果表明坡角增大会加剧桩的水平位移与弯矩，并使桩旋转点下移。采用数值模型提取不同埋深与坡角下的p-y曲线，发现坡角升高持续削弱p-y曲线的初始刚度（initial stiffness）与极限土抗力（ultimate soil resistance），且该退化随埋深增加减弱。本文核心创新是建立考虑边坡效应的修正p-y曲线模型，并基于荷载传递法（load transfer method）提出边坡桩简化分析方法。该修正模型预测误差处于工程允许范围内，可为黏土边坡桩基侧向承载力计算提供可靠分析工具。

研究背景方面，城市化和山地基础设施建设推进使大量桩基建于边坡场地，边坡土体应力场呈不对称分布，导致边坡桩与平地桩侧向承载特性存在显著差异，而现行规范缺乏适用的边坡桩计算方法。既有文献虽关注坡角、桩位、桩坡间距的影响，但多聚焦坡顶砂土或黏土桩，对嵌入黏土边坡内单桩的系统定量分析与p-y曲线支撑不足。为此，研究人员以山区输电塔黏土边坡空心薄壁混凝土管桩为背景，采用室内物理模型试验与有限差分数值模拟相结合手段，建立考虑边坡效应的修正p-y曲线模型，填补黏土边坡嵌入桩的理论空白。该文发表于《Buildings》。

关键技术方法上，研究人员首先依据实际工程按1:10几何相似比制作PPR空心管模型桩，以温州山地黏土分层填筑夯实构建0°、15°、30°边坡模型，采用伺服作动器位移控制加载（0.2 mm/min，最大50 mm），用激光位移计测桩顶泥面位移、沿桩身对称贴应变片求弯矩；土体强度由直剪试验得排水指标后按固结围压折算不排水抗剪强度C_u，数值侧以Mohr–Coulomb模型建三维桩土模型并借接触面单元模拟非线性相互作用，用提取的p-y曲线标定初始刚度折减系数λ₁、λ₂及极限抗力系数N_Pθ，最终嵌入API p-y框架形成修正公式并经独立工程实例回代验证。

研究结果部分，第二章“黏土边坡单桩模型试验”通过0°/15°/30°边坡模型试验得出：同水平荷载下泥面位移随坡角增大而增大，50 N荷载时30°坡较平坡增28.6%；弯矩最大值位置随坡角增大上移且浅层影响更显著，最大弯矩随位移增大而增。第三章“模型试验结果及讨论”进一步由数值模型（与试验桩顶位移误差1.92%~3.9%、泥面误差4.15%~8.3%）提取p-y曲线，显示极限侧阻随埋深增大而升，但坡角使其整体衰减，且浅层衰减更强。第四章“边坡桩影响因素数值模拟分析”改变坡面相对位置β、桩径D（1.5D~2.5D）、坡角（0°~30°）发现：坡面位置越靠下β越大非线性越明显；桩径增大使位移与最大弯矩减小、转动点变浅；坡角增大使桩水平位移与弯矩增大、转动点下移、受影响区扩大。第五章“边坡桩修正p-y曲线模型”将平地初始刚度K_i0归一化得K_iθ/K_i0=1?λ₁(x/D)+λ₂(x/D)形式，λ₁、λ₂随坡角拟合；极限抗力按P_Uθ=N_PθC_uD修正，N_Pθ由N_PUθ（10.05~11.32）、N_P0θ（2.38~3.13）及λ=0.55?0.15α（α为界面黏结系数）刻画，代入API格式成修正p-y方程。第六章“算例计算分析”用Yang M.H.等0°/30°铝桩试验与Bhushan K.等20°黏土坡桩试验校核，最大相对误差14.5%与16.5%，均在工程容许内，证明修正法较API平地公式更贴合边坡实际。

讨论与结论翻译：针对黏土边坡嵌入桩研究不足，研究人员通过室内模型试验与数值模拟结合，系统分析0°~30°坡角下桩侧向承载规律，建立含坡角折减系数的修正p-y模型并基于荷载传递法给出简化分析法。（1）0°~30°内坡角增大使桩水平位移与弯矩增大，50 N时30°坡泥面位移较平坡增28.6%，该律仅限≤30°坡；（2）边坡显著退化p-y两核心参数K_i与P_u，同埋深下随坡角增大而降，浅层（<3D）退化最显，随埋深增加衰减减弱；（3）引入与坡角相关的初始刚度与极限抗力衰减系数构建修正p-y曲线，两独立试验验证误差在允差内，为山地黏土地基桩基设计提供可靠工具。