張璽彥， 雷勝友

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 西安710000)

堆載滑動(dòng)對(duì)橋墩與樁基礎(chǔ)的影響分析

張璽彥， 雷勝友

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 西安710000)

針對(duì)處于陡坡地段的某公路大橋橋梁樁基偏位問題，通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)偏位值的對(duì)比分析，用位移法計(jì)算得到堆載滑動(dòng)前后橋梁樁基的側(cè)向偏位與內(nèi)力(彎矩和剪力)分布情況，并提出了合理的治理措施。研究結(jié)果表明，堆載滑動(dòng)是影響橋梁安全性的主要因素，滑動(dòng)后橋墩偏位和內(nèi)力顯著增加；堆載大小對(duì)樁身偏位和內(nèi)力分布影響較大，位移和內(nèi)力隨堆載增加而增大且呈非線性增大；樁基在系梁處存在受力不利區(qū)域，樁身內(nèi)力均在系梁處發(fā)生較大突變；實(shí)際中，應(yīng)避免對(duì)橋梁樁基的大面積堆載，以免堆載滑動(dòng)對(duì)橋梁產(chǎn)生破壞。

橋墩；樁基；堆載滑動(dòng)；堆載大?。粋?cè)向偏位；內(nèi)力

引言

在山區(qū)修建鐵路和公路時(shí)，為避免對(duì)山體過度削切，保護(hù)現(xiàn)有的自然環(huán)境，往往采用高架橋穿越河岸、峽谷等特殊地區(qū)。但在這種地區(qū)修建橋梁時(shí)，橋墩樁基礎(chǔ)難免會(huì)建立在山體邊坡地段。在橋墩樁基礎(chǔ)施工完成后，由于受到地形的限制，鉆孔挖取的土體很難運(yùn)輸?shù)蕉淹翀?chǎng)堆放，而選擇就近在橋梁墩臺(tái)周圍[1]。此時(shí)，堆積在橋墩周圍的土體就變成施加在橋墩樁基礎(chǔ)上的外荷載[2-4]。

堆土荷載會(huì)對(duì)橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)產(chǎn)生兩個(gè)方面的影響：一是堆土荷載作為施加在橋墩樁基礎(chǔ)上的外荷載，會(huì)對(duì)橋墩樁基礎(chǔ)產(chǎn)生側(cè)向壓力，致使橋墩樁基礎(chǔ)產(chǎn)生內(nèi)力與變形，當(dāng)樁體所受側(cè)向壓力大于樁側(cè)土體抗力時(shí)，樁側(cè)土體受到破壞，導(dǎo)致橋墩樁基礎(chǔ)傾斜，從而影響橋梁上部結(jié)構(gòu)的安全使用；二是由于堆填土較為松散，在受到雨水，河流沖刷之后，在山坡地段上堆積的填土容易產(chǎn)生滑坡，堆載滑動(dòng)產(chǎn)生的滑坡推力作用在橋墩樁基礎(chǔ)上，加大了橋墩樁基礎(chǔ)的受力與變形，輕則造成橋墩樁基礎(chǔ)傾斜，重則造成橋墩樁基礎(chǔ)開裂，影響其正常使用[5]。

針對(duì)堆載所引發(fā)的橋梁樁基偏位，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者進(jìn)行了較為深入地研究。Cai F[6]等學(xué)者通過有限元法剪切強(qiáng)度計(jì)算理論，運(yùn)用無厚度彈塑性邊界條件，建立了樁-土作用的三維彈塑性模型，通過模型驗(yàn)算斜坡抗滑樁對(duì)工程治理的穩(wěn)定性效果。周德泉[7]、黃玨鑫[8]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了不同堆載面積、堆載距離、樁頂荷載等因素對(duì)模型樁的影響，并分析了其受力變形規(guī)律。魏煥衛(wèi)[9]等通過有限元分析方法，編制了大面積堆載對(duì)鄰近樁基影響的計(jì)算分析程序，計(jì)算出了樁頂水平位移，并分析了地面堆載大小等因素對(duì)樁頂位移的影響。代恒軍[10]等采用三維有限元分析方法，對(duì)地面堆載作用下鄰近樁基變形性狀進(jìn)行了模擬分析，分別研究了淺層土體彈性模量和樁身剛度對(duì)各排樁基側(cè)向變形的影響。

本文針對(duì)某公路大橋橋梁偏位的實(shí)際工程問題，將實(shí)際情況加以等效，把樁柱式橋墩樁基看作受主動(dòng)、被動(dòng)土壓力、樁間土作用及滑坡推力的剛架，用位移法求得在堆載作用下和堆載滑動(dòng)作用下橋墩與樁基的內(nèi)力和位移，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而進(jìn)一步對(duì)堆載滑動(dòng)后堆載大小對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)的力學(xué)行為的影響進(jìn)行深入剖析，同時(shí)提出了有效的防治措施。

1工程概況

1.1橋梁概況

某公路大橋修建于山谷河流地區(qū)，在K58+160(1#)～K58+340(9#)區(qū)段沿斜坡展開，5#、6#、7#橋墩均處于斜坡坡肩部位，在線路橫向上呈35°～40°的陡坡地形(圖1)。

圖1某大橋局部示意圖

由于后期橋墩施工過程中在該區(qū)段堆積了大面積回填土，導(dǎo)致填土堆積坡度達(dá)45°～50°，在縱橋向上填土堆積高度達(dá)3 m～16 m，在橫橋向上填土堆積高度達(dá)3 m～20 m，在縱橫方向上填土厚度變化很大。7#橋墩樁基礎(chǔ)橫斷面及堆載示意圖如圖2所示。5#～7#墩的詳細(xì)尺寸與填土情況見表1。

圖27#橋墩樁基礎(chǔ)橫斷面及堆載示意圖(單位：cm)

表1橋墩、樁基尺寸與堆土情況

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)5#、6#、7#橋墩發(fā)生了偏移，7#橋墩向右側(cè)偏移了11 cm，向后側(cè)偏移了4 cm；6#橋墩向右側(cè)偏移了6 cm，向后側(cè)偏移了3 cm，5#橋墩僅是向右側(cè)偏移了3 cm。橋墩附近堆填土發(fā)生了明顯的滑坡現(xiàn)象，填土邊坡坡肩線位置處有數(shù)道張拉裂縫，坡肩側(cè)可見明顯下沉現(xiàn)象，斜坡中部、下部可見鼓脹裂縫和剪出特征，坡腳處可見局部垮塌。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，主要是由于斜坡上堆載、降雨導(dǎo)致堆載滑動(dòng)，進(jìn)而作用在橋梁樁基上，導(dǎo)致橋梁樁基發(fā)生偏位。

1.2場(chǎng)地地質(zhì)條件

橋墩所在斜坡毗鄰黃河左岸，呈坡洪積地貌，斜坡整體呈“凸”線型形態(tài)特征。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，并對(duì)所挖填土取樣，測(cè)得下層土樣的容重λ=21.2kN/m3，天然含水率W=12%；上層土樣的容重λ=21kN/m3，天然含水率W=18%，粘聚力C=18kPa，內(nèi)摩擦角φ=15°。地基土以角礫土、碎石土、卵石土為主，表層為少量的耕植土，耕植土下為碎石，碎石之下為卵石。其樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qk和地基土承載力基本容許值[fa0]見表2。

表2地基土承載力參數(shù)

2分析步驟

2.1計(jì)算工況

橋墩施工作業(yè)過程中在該區(qū)段堆積了大面積回填土，此時(shí)橋墩與樁基并未發(fā)生嚴(yán)重偏位。隨著雨季來臨，黃河水位上漲，填土上部受降雨侵蝕，加上松散填土的自重沉降，填土邊坡發(fā)生了滑坡，導(dǎo)致個(gè)別橋墩發(fā)生了偏移。從實(shí)際情況分析，橋墩發(fā)生偏位主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段：

(1)堆土荷載產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力使橋墩內(nèi)力發(fā)生變化，但未發(fā)生嚴(yán)重偏位，處于彈性變形階段。

(2)雨季降臨及黃河水位上漲使斜坡上堆土產(chǎn)生滑坡，橋墩在滑坡推力作用下發(fā)生了嚴(yán)重偏位。

從上述兩個(gè)階段進(jìn)行分析、比較在填土荷載作用下和堆載滑動(dòng)作用下橋墩與樁基的內(nèi)力和變形。

2.2模擬計(jì)算

由于樁間設(shè)置連接梁，樁的內(nèi)力分布都發(fā)生變化，沿樁體彎矩方向的變化規(guī)律不同于懸臂樁內(nèi)力分布形式，因此不能將樁柱式橋墩樁基看作組合梁，而是將其作為受主動(dòng)、被動(dòng)土壓力、樁間土作用及滑坡推力的剛架更合適。

為了解堆載滑動(dòng)前后橋墩樁基礎(chǔ)的受力變形問題，利用平面有限元對(duì)上述工況進(jìn)行模擬分析。將堆載滑動(dòng)前的橋墩樁基礎(chǔ)受力看作在堆載土壓力作用下剛架的內(nèi)力與變形分析，將堆載滑動(dòng)后的橋墩樁基礎(chǔ)受力看作在滑坡推力作用下的剛架內(nèi)力與變形分析。采用簡(jiǎn)化的Bishop法對(duì)坡體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，坡體穩(wěn)定性系數(shù)不小于1.35，運(yùn)用Slope/W程序得到合理的條分結(jié)果，再采用滑坡推力傳遞系數(shù)法算得滑坡推力。分別將土壓力、滑坡推力作用在與實(shí)際橋墩樁基礎(chǔ)等效的剛架上，得出堆載滑動(dòng)前后橋墩樁基的變形與受力。

3橋墩樁基計(jì)算結(jié)果分析

3.1堆載滑動(dòng)前后7#橋墩計(jì)算結(jié)果分析

圖3是7#橋墩樁基礎(chǔ)堆載滑動(dòng)前后位移云圖。

圖37#墩堆載滑動(dòng)前后位移云圖

由圖3可知，在堆土荷載作用下，7#橋墩樁基礎(chǔ)發(fā)生了橫橋向偏移，此時(shí)偏位值為30.6mm，橋墩與基樁處于彈性變形范圍內(nèi)。堆填土在受到雨水，河流沖刷之后產(chǎn)生滑坡，堆載滑動(dòng)產(chǎn)生的滑坡推力會(huì)作用在橋墩樁基礎(chǔ)上，此時(shí)偏位值為105.6mm，比堆載滑動(dòng)前偏位值增大了2.45倍，與偏位實(shí)測(cè)值110mm基本相符。

圖4、圖5為7#橋墩堆載滑動(dòng)前后彎矩剪力圖，表3為堆載滑動(dòng)前后墩柱的最大彎矩值和最大剪力值及出現(xiàn)的相應(yīng)位置。

圖47#墩堆載滑動(dòng)前后彎矩云圖

圖57#墩堆載滑動(dòng)前后剪力云圖

由圖4和表3可知，7#-1墩柱堆載滑動(dòng)前的最大彎矩為3046.2kN，堆載滑動(dòng)后為8147.7kN，增大了約1.68倍，出現(xiàn)在地面下13.2m(系梁處)，之后彎矩急劇減??；7#-2與7#-3墩柱堆載滑動(dòng)后的最大彎矩較堆載滑動(dòng)前分別增大了2.51倍和4.29倍，同樣出現(xiàn)在地面下13.2m(系梁處)的位置。其中7#-1墩柱彎矩值增長(zhǎng)最小，7#-3墩柱彎矩值增長(zhǎng)最大。

由圖5和表3可知，堆載滑動(dòng)前最大剪力出現(xiàn)在左側(cè)系梁上，為1440.0kN，堆載滑動(dòng)后最大剪力出現(xiàn)在右側(cè)系梁上，為4190.0kN，增大了約1.91倍。7#-1墩柱剪力有所減小，變化最大的為7#-3墩柱，剪力最大增大了7.82倍。堆載滑動(dòng)后墩柱上剪力最大值均出現(xiàn)在滑動(dòng)后的地面處。

綜上所述，當(dāng)發(fā)生實(shí)測(cè)偏位時(shí)，7#墩將產(chǎn)生顯著的附加彎矩，剪力變化明顯，顯然這將會(huì)威脅到橋梁樁基的安全。

表37#墩堆載滑動(dòng)前后樁身彎矩剪力

3.2堆載滑動(dòng)前后5#、6#橋墩計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)5#、6#橋墩樁基偏位結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)略分析。5#、6#橋墩樁基堆載滑動(dòng)前后偏位值與最大彎矩值、剪力值見表4。

表45#、6#堆載滑動(dòng)前后墩柱樁身偏位、彎矩、剪力

由表4可知，5#、6#墩堆載滑動(dòng)前后偏位值分別增大了0.43倍和1.55倍，與滑動(dòng)后實(shí)測(cè)值接近。所得彎矩圖剪力圖與7#墩變化規(guī)律相似，驗(yàn)證了上述模型和分析結(jié)果是合理的。5#、6#墩最大彎矩、最大剪力對(duì)比規(guī)律與7#墩基本相同，當(dāng)達(dá)到實(shí)測(cè)的偏位值時(shí)，樁身將產(chǎn)生顯著的附加彎矩，剪力變化明顯，威脅到橋梁樁基的安全。

3.3堆載滑動(dòng)后堆載大小對(duì)橋墩的影響分析

由上述分析可知，堆載滑動(dòng)對(duì)橋墩偏位、彎矩、剪力影響最大，因此針對(duì)滑動(dòng)后橋墩的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。5#、6#、7#橋墩一側(cè)堆載寬度分別為5.31m、6.78m、11.47m，因此研究三組橋墩的偏位、彎矩、剪力變化，可以得出在不同堆載寬度(堆載大小)條件下橋墩偏位、彎矩、剪力的變化規(guī)律。

(1)堆載滑動(dòng)后橋墩位移結(jié)果分析

圖6為滑坡后5#、6#、7#橋墩三根墩柱位移隨樁深變化的曲線圖。

圖6不同堆載大小下樁身位移圖

由圖6可知，(1)在上述三種堆載大小情況下，樁身位移隨著樁深的增加逐漸減小，最大值出現(xiàn)在墩頂處；(2)隨著堆載大小的增加，樁身位移逐漸增大，當(dāng)堆載大小增大1倍時(shí)，樁身位移平均增大1.85倍；(3)在不同堆載大小作用下，最靠近堆載的樁1位移值最大，樁2、樁3位移值較小，但三者相差不大。這是由于橋墩的兩組系梁把三根墩柱聯(lián)結(jié)成一個(gè)整體，相當(dāng)于一個(gè)剛架，所以每組橋墩中的三根墩柱位移值相差不太大，不超過30%。

(2)堆載滑動(dòng)后橋墩彎矩結(jié)果分析

圖7為滑坡后5#、6#、7#橋墩三根墩柱彎矩隨樁深變化的曲線圖。

圖7不同堆載大小下樁身彎矩圖

由圖7可知，(1)5#、6#、7#橋墩的三根墩柱的彎矩變化曲線隨著堆載大小的增加而呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，即隨著堆載大小的增加，樁身各部分彎矩均增大，說明堆載大小對(duì)樁身所受彎矩影響較大；(2)三組橋墩的第一根墩柱彎矩變化幅度最小，第三根墩柱彎矩變化幅度最大；(3)樁身中上部出現(xiàn)了正彎矩，樁身下部出現(xiàn)負(fù)彎矩，均在地面下約13.2m處(系梁處)發(fā)生較大突變。系梁處彎矩顯著增加，說明系梁約束使得樁身彎矩向不利的方向發(fā)展。

由不同堆載大小下樁身剪力圖可知(圖8)，(1)隨著堆載大小的增加，樁身各部分剪力均增大；(2)三組橋墩的第一根墩柱剪力變化幅度最小，第二、三根墩柱剪力變化規(guī)律相似，且第三根墩柱變化幅度最大；(3)樁身剪力基本為負(fù)，共發(fā)生兩次突變，第一次較大突變發(fā)生在地面下約13.2m處(系梁處)，系梁約束使得樁身剪力顯著增加，第二次發(fā)生在地面下約21m處，從此處向下，剪力為常數(shù)。

圖8不同堆載大小下樁身剪力圖

4治理措施

經(jīng)過前期計(jì)算分析表明在堆載滑動(dòng)前，墩柱和系梁剪力、彎矩都在破壞臨界值之內(nèi)，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。由于堆載滑動(dòng)使得結(jié)構(gòu)的剪力、彎矩增加明顯，剪力已超過抗剪極限值，彎矩也達(dá)到抗彎極限，橋墩處于不安全的狀態(tài)。

為防止破壞進(jìn)一步加劇，應(yīng)立即清除邊坡堆載，對(duì)受損系梁進(jìn)行加固，確保橋梁安全運(yùn)營(yíng)。并應(yīng)對(duì)橋墩周圍的邊坡采取加固措施，以防止邊坡滑動(dòng)對(duì)橋墩產(chǎn)生下滑力，對(duì)橋墩不利；為防止坡腳受到黃河水流的沖刷，應(yīng)增加橋墩防沖刷構(gòu)筑物；為防止降雨加大對(duì)邊坡的沖刷，應(yīng)增加排水工程。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)勘察，后期卸載后墩柱已恢復(fù)部分偏位，并對(duì)系梁進(jìn)行了修補(bǔ)加固，同時(shí)為防止滑坡加劇，從邊坡土體特征考慮，選擇重力式擋土墻對(duì)橋墩所在坡體進(jìn)行防護(hù)。經(jīng)勘察，治理效果顯著。

5結(jié)論

(1)堆載使橋梁樁基產(chǎn)生一定的偏位、附加彎矩和剪力，但由于降雨、河水沖刷等原因發(fā)生了堆載滑動(dòng)，此時(shí)橋墩偏位值、附加彎矩值、剪力值明顯增大。因此在橋梁邊坡中，堆載滑動(dòng)對(duì)橋梁安全性影響顯著。在實(shí)際工程中，應(yīng)避免對(duì)橋梁樁基的大面積堆載，堆載滑動(dòng)前出現(xiàn)異常情況應(yīng)及時(shí)預(yù)防治理，以免發(fā)展到堆載滑動(dòng)階段。

(2)將5#、6#、7#墩位移、彎矩和剪力對(duì)比圖視作堆載寬度(堆載大小)對(duì)樁身位移、樁身彎矩、樁身剪力的影響曲線。堆載大小是影響樁身偏位和內(nèi)力(彎矩和剪力)分布的重要因素，位移和內(nèi)力隨堆載大小增大而增大。樁基在系梁處存在受力不利區(qū)域，樁身內(nèi)力均在系梁處發(fā)生較大突變。

[1] 藺鵬臻,武發(fā)輝,楊子江.考慮邊坡效應(yīng)的鐵路橋墩樁基力學(xué)行為分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2013(9):47-52.[2] 馬遠(yuǎn)剛,王艷芬,陳晨.堆載作用下橋梁被動(dòng)樁偏移受力分析及處理措施[J].橋梁建設(shè),2014(4):22-26.

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The Impact Analysis of Surcharge Load Sliding Influence on the Bridge Pier and Pile Foundation

ZHANGXiyan,LEIShengyou

(School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710000, China)

Based on a highway bridge project at the steep slope section of which the deflection of the pier and pile are caused by the load sliding, through the comparative analysis of the results of numerical calculation and field measurement, the lateral displacement around bridge pile foundation and the internal force (the bending moment and the shear force) distribution with the reasonable measures are carried out using displacement method. The load sliding is the main factor influencing the safety of bridges according to the results, significantly displacement and internal force of piers increased after sliding; the lateral displacement and internal force are increased nonlinearly with increasing loading when the magnitude of stack influencing deviation and internal force distribution of pile body; department of pile foundation near the beam where the bending moment and shear force are larger saltation appears adverse stress area. Consequently, it’s necessary to avoid the large stack of bridge pile foundation to reduce bridge damages.

bridge pier；pile；load sliding；loading；lateral displacement；internal force

2016-12-19

國(guó)家自然科學(xué)基金(59479017)

張璽彥(1990-)，女，山東濰坊人，碩士生，主要從事巖土工程方面的研究，(E-mail)332446071@qq.com; 雷勝友(1965-)，男，陜西渭南人，教授，博士，主要從事土力學(xué)、巖石力學(xué)、加筋土高擋墻等方面的研究，(E-mail)rongrong11085310@sina.com

1673-1549(2017)02-0084-06

10.11863/j.suse.2017.02.17

U441

A