1、第 20 卷 第 3 期2023 年 3 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 3March 2023横坡段桩柱式桥梁双桩基础结构的力学行为研究杨果林1，邓志宏1，罗桂军2，段君义3，肖洪波2，庞圣涛1(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.中建五局 土木工程有限公司，湖南 长沙 410004；3.南昌大学 工程建设学院，江西 南昌 330031)摘要：桩柱式桥梁双桩基础结构在公路/铁路横坡段桥梁工程中应用广泛，其兼具承重桩和抗滑桩的特点，并形成了复杂的桩土及桩梁相互作用体系
2、。为研究复杂受荷条件下桩柱式桥梁双桩基础结构的力学行为，提出基于向量式有限元的计算方法，并利用Python语言编写计算程序。通过与其他数值计算方法的计算结果进行对比，验证该方法的可靠性。最后，结合工程实例，研究桩径、横系梁高度、边坡坡度和地基抗力系数对横坡段桩柱式桥梁双桩基础结构的力学行为的影响。研究结果表明：前、后桩桩身位移随桩径和地基抗力系数的增大而明显减小，随边坡坡度的增大而增大；由于桩周土对前、后桩的约束程度不同以及横系梁的内力调节作用，导致前、后桩桩身内力随边坡坡度的改变呈现出不同的变化规律；横系梁高度对前、后桩桩身内力及变形的影响较小，但横系梁的存在能调整前、后桩的受力状况，改善前
3、、后桩荷载分担比例，使基桩性能充分发挥，在实际工程中应合理利用桩梁相互作用调整并优化双桩基础结构的力学行为。关键词：横坡段；桥梁工程；双桩基础；向量式有限元；力学行为中图分类号：U443.15 文献标志码：A 文章编号：1672-7029（2023）03-0920-11Mechanics behavior of double-pile foundation structure for pile-column bridge in cross slopesYANG Guolin1,DENG Zhihong1,LUO Guijun2,DUAN Junyi3,XIAO Hongbo2,PANG She
4、ngtao1(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.Civil Engineering Co.,Ltd.,China Construction Fifth Engineering Bureau,Changsha 410004,China;3.School of Infrastructure Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China)Abstract:The pile-column bridge double-p
5、ile foundation structure is widely used in bridge engineering of highway/railway cross-slope section,which has the characteristics of both load-bearing piles and anti-slip piles,and forms a complex pile-soil and pile-beam interaction system.In order to study the mechanical behaviors of pile-column b
6、ridge double-pile foundation structure under complex loading conditions,a calculation method 收稿日期：2022-04-06基金项目：国家重点研发计划项目(2019YFC1509800)；国家自然科学基金资助项目(52208348，51778641)；江西省自然科学基金资助项目(20224BAB214064)；中建五局技术开发项目(020116D0003009)；中铁九局技术开发项目(XKGT-07-GGB2022-037)通信作者：段君义(1991)，男，江西九江人，讲师，博士，从事特殊土路基与边坡服
7、役性能及治理研究；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220674第 3 期杨果林，等：横坡段桩柱式桥梁双桩基础结构的力学行为研究based on vector form intrinsic finite element was proposed.The calculation program was prepared by using Python programming language.The reliability of the proposed calculation method was verified by comparing the calc
8、ulation results with other numerical calculation methods.Finally,the effects of pile diameter,cross tie beam height,slope angle and foundation resistance coefficient on the mechanics behaviors of pile-column bridge double pile foundation structure in cross slopes were studied with respect to a pract
9、ical case.The results show that the displacement of front pile and back pile decreases significantly with the increase of pile diameter and foundation resistance coefficient,while it increases with the increase of slope angle.Due to the different constraint of the soil around the piles on front and
10、back piles and the internal force regulation effect of the cross tie beam,the internal forces of the front and back piles show different variation laws with the change of the slope angle.Cross tie beam height has less influence on the internal force and deformation of the front and back piles.Howeve
11、r,cross tie beam can adjust the stress conditions of the front and back piles and improve the load sharing ratio of the piles.The performance of the piles can be fully utilized.The pile-beam interaction should be used reasonably to adjust and optimize the mechanical behaviors of double-pile foundati
12、on structure in practical engineering.Key words:cross slope;bridge engineering;double-pile foundation;vector form intrinsic finite element;mechanics behavior 在山区高速公路/铁路建设中常常面临复杂多变的地形地质条件。为保护山区生态环境，实际工程中通常采用高架桥的结构形式，其中大部分桥梁位于高陡边坡上，且很多都处在横坡段1。与平地上的普通受荷桩和边坡上的抗滑桩不同，边坡上的桥梁桩基除了承受上部结构传递的组合荷载外，还要承受由于坡体变形而产生
13、的滑坡推力12，导致边坡上的桥梁桩基的力学行为十分复杂。同时，现行规范中边坡桥梁桩基的设计方法并不完善3，研究边坡桥梁桩基力学行为具有重要意义。目前，国内外学者从不同方面对复杂受荷条件下基桩的力学行为进行了研究。MUTHUKKUMARAN等4基于模型试验，发现平地基桩的p-y曲线并不适用于边坡基桩，并通过引入折减系数得到了适用于边坡桩基的p-y曲线；GEORGIADIS等5探讨了边坡坡度对边坡基桩力学行为的影响；CHIOU等6通过开展现场试验，发现经过加固处理后的地基能提供更大的横向阻力；杨明辉等7根据模型试验结果，获得了边坡地基抗力的折减效应与边坡上基桩的位置及边坡坡度的定量关系；贺建清等8
14、通过建立桩前土楔体的极限平衡方程，提出了岩质边坡基桩有效嵌固深度的计算方法。以上多为边坡上单桩的研究，较好地揭示了边坡上单桩的力学特性。而双桩基础结构存在复杂的桩-桩间土-桩及桩-梁相互作用，其工作性状与单桩存在明显差异。赵明华等9通过双桩基础的现场试验，指出前桩、后桩及横系梁呈现为整体式受力特点。近年来，部分学者采用幂级数解法10、有限差分法11、有限杆单元法3等数值方法计算边坡桩柱式桥梁双桩基础结构的内力与变形。然而，以上方法或是需要求解非线性方程组并面临迭代计算不收敛问题，或是需要集成总体刚度矩阵并存在矩阵的奇异问题，且计算过程较为复杂，在工程实践中推广应用较为困难。向量式有限元是结合向
15、量力学与数值计算的新型分析方法12，只需要根据牛顿第二定律建立并求解质点运动方程，计算简便1315。为此，本文建立复杂荷载作用下横坡段桩柱式桥梁双桩基础结构的分析模型，并基于向量式有限元基本原理，利用Python编写计算程序，探讨桩径、横系梁高度、边坡坡度及地基抗力系数对横坡段桥梁双桩基础结构力学行为的影响，以期为类似工程结构的设计及施工提供参考。1 横坡段桥梁双桩基础结构计算模型1.1简化计算模型横坡段桥梁的行车方向与边坡走向大致平行，其多采用侧向刚度较大的桩柱式双桩基础结构。921铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 3月为便于分析计算，将横坡段桩柱式桥梁双桩基础结构简化为平面问
16、题，其受力如图1(a)所示，墩顶受轴向荷载 P，水平荷载 Q 及偏心弯矩 M 作用，前、后桩桩身受滑坡推力E(z)和地基水平抗力P(x,z)作用。1.2滑坡推力常用的滑坡推力分布形式有三角形、矩形、梯形和抛物线形16。则滑坡推力E(z)的通式为：E(z)=z2+z+c(1)式中：，和 c为滑坡推力分布系数；z为深度。当 0，0，c0 时，E(z)为三角形分布；当0，0，c0 时，E(z)为矩形分布；当 0，0，c0时，E(z)为梯形分布；当0，0，c0时，E(z)为抛物线形分布。1.3地基水平抗力根据规范17，采用弹性地基反力法计算地基水平抗力P(x,z)：P(x,z)=K(z)b0 x(2)式中：b0为基桩的计算宽度；x为基桩在深度z处的水平位移；K(z)为深度z处的地基抗力系数。对于土层及严重风化的岩层，其抗力系数随深度成比例增大，即K(z)=mz，m为比例系数；对于较为完整的岩层，其抗力系数不随深度变化，即K(z)=C，C为常数。2 向量式有限元原理与计算步骤向量式有限元将结构离散为有限的质点，并利用离散质点的位置变化描述整体结构的变形。质点位置受牛顿第二定律运动方程控制；通过引
