董 捷 楊 越 武志輝 吳大宏

(1.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

分流型防護(hù)樁在扎拖特大橋中的應(yīng)用研究

董 捷1楊 越1武志輝1吳大宏2

(1.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

新建扎拖特大橋跨越鮮水河，橋位右岸上方陡峻山崖卸荷裂隙發(fā)育，斜坡上分布有一定厚度的碎石土，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)及線路安全構(gòu)成一定的安全隱患。在施工開(kāi)挖擾動(dòng)及蓄水后動(dòng)水位作用下，斜坡覆蓋層可能會(huì)產(chǎn)生蠕滑變形或局部坍滑，繼而影響橋梁主墩安全。鑒于此，須設(shè)置永久性支擋防護(hù)結(jié)構(gòu)以確保水位波動(dòng)條件下橋墩的整體穩(wěn)定，確保橋梁結(jié)構(gòu)及線路運(yùn)營(yíng)安全。通過(guò)建立不同樁長(zhǎng)、不同冠梁角度及與承臺(tái)不同間距的分流型防護(hù)樁數(shù)值仿真模型，對(duì)承臺(tái)及樁基穩(wěn)定性及內(nèi)力進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果表明：分流防護(hù)樁可以將滑坡阻擋并使之沿防護(hù)樁繞流，且三角形的穩(wěn)定性使防護(hù)樁的受力性能得到充分發(fā)揮，有效降低潛在滑體對(duì)承臺(tái)及橋墩的推力；分流型防護(hù)樁最優(yōu)角度約為60°，最優(yōu)樁長(zhǎng)約為35 m，分流型防護(hù)樁與承臺(tái)樁基的最優(yōu)間距約為20 m，研究成果為該工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

橋梁工程；分流型防護(hù)樁；受力性能；穩(wěn)定性；數(shù)值分析

0 引 言

山體滑坡會(huì)推動(dòng)承臺(tái)甚至推斷橋墩，對(duì)山區(qū)橋梁造成嚴(yán)重危害，因此，在山區(qū)橋梁建設(shè)過(guò)程中，需要設(shè)置防護(hù)樁。防護(hù)樁是穿過(guò)滑坡體深入滑床的樁柱，一般會(huì)布置在滑坡體厚度較薄、推力較小，并且嵌巖段地基強(qiáng)度較高地段，因其具有較強(qiáng)的抗滑力，是一種主要的滑坡抗滑處理措施[1].

圖1 扎拖特大橋右岸原地貌

防護(hù)樁作為治理滑坡的有效工程措施，在世界各國(guó)滑坡治理中占有重要的地位[2-4].迄今為止，針對(duì)不同的滑坡類(lèi)型，已出現(xiàn)不同形式的防護(hù)樁處理山體滑坡.雙排防護(hù)樁是最常用的形式，申永江、唐芬等[5-8]對(duì)雙排防護(hù)樁的計(jì)算模型、推力分擔(dān)設(shè)計(jì)及冠梁連接方式優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究.以門(mén)架式樁為基礎(chǔ)，王羽，趙波[9]等建立了h型樁的三維模型，掌握h型樁對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響效應(yīng).為節(jié)省防護(hù)樁成本造價(jià)，廖偉，李長(zhǎng)冬[10]等設(shè)計(jì)了T形橫截面防護(hù)樁并對(duì)截面優(yōu)化進(jìn)行研究.對(duì)于大型滑坡由于其下滑推力巨大，通常采用設(shè)置多排防護(hù)樁的方式對(duì)其進(jìn)行加固治理.文獻(xiàn)[11-17]對(duì)防護(hù)樁設(shè)計(jì)中滑坡推力及嵌固段的力學(xué)性能進(jìn)行研究并應(yīng)用于實(shí)際工程.

當(dāng)坡體巖土相對(duì)脆弱或蓄水后坡體穩(wěn)定性下降時(shí)，防護(hù)樁往往無(wú)法完美的抑制坡體下滑，此時(shí)需要對(duì)防護(hù)樁進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以減小滑坡對(duì)承臺(tái)及橋墩的影響.本文擬采用一種分流型防護(hù)樁應(yīng)用于擬建的扎拖特大橋，可以阻擋滑坡并使滑坡沿防護(hù)樁繞流，以此來(lái)有效降低滑坡對(duì)承臺(tái)及橋墩的推力.

1 工程概況

1.1 橋梁概況

新建扎拖特大橋跨越鮮水河，全長(zhǎng)471 m，起訖里程樁號(hào)為K68+706.95～K69+152.95，為3×13 m連續(xù)板梁+(92+172+92)m連續(xù)剛構(gòu)+3×13 m連續(xù)板梁.鮮水河河谷呈緩“V”形谷，河道順直，河谷兩岸岸坡植被茂密，橋位兩岸主墩與承臺(tái)之間地形平均坡度約38°～50°，承臺(tái)以上地形較平緩(見(jiàn)圖1).

1.2 工程地質(zhì)條件

橋位兩側(cè)斜坡坡腳覆蓋全新統(tǒng)崩坡積含塊石碎石土，揭露厚度為8～19.1 m，塊碎石成分主要為板巖，含量在40%～60%以上，粒徑一般為7～20 cm，級(jí)配較差，具架空現(xiàn)象，巖體風(fēng)化作用較強(qiáng)，土石工程分級(jí)為Ⅱ類(lèi)；承臺(tái)兩岸出露基巖巖性為三疊系上統(tǒng)新都橋組中段深灰至灰黑色含絹云母粉砂質(zhì)板巖夾變質(zhì)粉砂巖，巖性較致密堅(jiān)硬，所取巖芯大部呈柱狀，小部為碎塊狀，地質(zhì)鉆孔取芯照片見(jiàn)圖2.

圖2 右岸2#墩鉆孔巖芯

1.3 岸坡穩(wěn)定性分析

扎拖特大橋右岸為橫向緩傾坡，岸坡整體穩(wěn)定性較好，坡體上覆崩坡積含孤石塊碎石土，蓄水后覆蓋層可能會(huì)產(chǎn)生蠕滑變形或局部坍滑.

右岸岸坡上覆崩坡積塊碎石土，揭露厚度為10～20 m，蓄水后右岸可能會(huì)產(chǎn)生庫(kù)岸再造現(xiàn)象，采用簡(jiǎn)化Bishop法考慮五種工況對(duì)岸坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，水位按設(shè)計(jì)正常蓄水位2865 m考慮，整體穩(wěn)定性計(jì)算分析時(shí)，岸坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)見(jiàn)表1.

利用簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算扎拖特大橋右岸上覆堆積體穩(wěn)定性結(jié)果表明，堆積體在天然狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在蓄水、蓄水+暴雨、蓄水+地震三種工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在降水工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài).綜上所述，蓄水后右岸覆蓋層可能會(huì)產(chǎn)生蠕滑變形，對(duì)主墩會(huì)產(chǎn)生主動(dòng)推力，故建議按1:1坡比進(jìn)行覆蓋層清坡減載，并在主墩后部建造防護(hù)樁，從而大大減小覆蓋層蓄水后的庫(kù)岸再造對(duì)橋墩影響.

表1 岸坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

2 防護(hù)樁的數(shù)值仿真分析

2.1 模型建立及參數(shù)選取

橋位區(qū)土體類(lèi)型主要有碎石土、塊碎石土，巖石主要為變質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)板巖，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)繪、地質(zhì)鉆探及巖土體室內(nèi)參數(shù)試驗(yàn)，模型計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 模型計(jì)算參數(shù)

根據(jù)橋位區(qū)巖土體工程性質(zhì)，中風(fēng)化變質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)板巖屬硬質(zhì)巖，巖石強(qiáng)度較高，故建議以中風(fēng)化較完整變質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)板巖作為樁基礎(chǔ)持力層.

防護(hù)樁采用FLAC3D的pile單元，通過(guò)設(shè)置pile結(jié)構(gòu)單元的切向和法向耦合彈簧參數(shù)模擬防護(hù)樁與滑坡巖土體之間的相互作用，Pile結(jié)構(gòu)單元與樁頂冠梁設(shè)置為剛接，其余模型在ansys中建立，防護(hù)樁簡(jiǎn)化模型與三維計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖3、如圖4所示.

圖3三維模型示意圖圖4數(shù)值分析計(jì)算三維建模網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 分流型樁基不同角度影響

當(dāng)防護(hù)樁樁長(zhǎng)35 m，與承臺(tái)間距20 m時(shí)，研究冠梁夾角分別為40°、60°、80°、100°、120°抗滑作用效果.當(dāng)冠梁夾角為40°時(shí)，防護(hù)樁的分流效果和支擋效果不理想，分擔(dān)承臺(tái)及橋基推力較?。划?dāng)冠梁夾角為80°、100°及120°時(shí)，分流樁底部防護(hù)樁間距大于橋梁承臺(tái)寬度，造成分流型防護(hù)樁內(nèi)部間距過(guò)大，滑坡滲流效果大于繞流效果，防護(hù)樁處在橋梁承臺(tái)外側(cè)，造成支護(hù)浪費(fèi).不同冠梁角度對(duì)樁身截面彎矩的影響如圖5所示.

不同冠梁角度對(duì)承臺(tái)位移的影響如圖6所示，當(dāng)冠梁夾角約為60°時(shí)，承臺(tái)位移達(dá)到最小值，有效減少橋基所受滑坡推力；此時(shí)防護(hù)樁間距與橋梁承臺(tái)寬度相等，滑坡繞流效果大于滲流效果，分擔(dān)了大部分橋梁承臺(tái)及樁基推力，確保橋梁結(jié)構(gòu)及線路運(yùn)營(yíng)安全.

圖5冠梁不同角度對(duì)樁身截面彎矩的影響圖6冠梁不同角度對(duì)承臺(tái)位移的影響

2.3 不同樁長(zhǎng)與不同承臺(tái)間距的影響

防護(hù)樁不同樁長(zhǎng)與承臺(tái)不同間距之間有交互影響，因此需研究不同樁長(zhǎng)與不同承臺(tái)間距的變化對(duì)承臺(tái)穩(wěn)定性的影響規(guī)律.防護(hù)樁冠梁夾角為60°，防護(hù)樁不同長(zhǎng)與承臺(tái)不同間距布置方案如表3所示.

表3 不同防護(hù)樁與承臺(tái)不同間距布置方案

承臺(tái)及樁基位置固定，隨著防護(hù)樁與承臺(tái)間距不斷增大，承臺(tái)位移也隨之增大，滑坡體對(duì)承臺(tái)的作用力在增大，即防護(hù)樁的防護(hù)作用在逐漸減弱，見(jiàn)圖7.分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)間距增大時(shí)，樁基支擋滑坡體增加，防護(hù)樁的遮蔽效果逐漸減小，導(dǎo)致樁基的后推力增大.當(dāng)間距>20 m(即30 m、40 m、50 m)時(shí)，防護(hù)樁分擔(dān)推力逐漸減小，樁基抗力逐漸增大，不利于防護(hù)樁的支擋效果.

不同樁長(zhǎng)與承臺(tái)不同間距抗滑作用下，防護(hù)樁截面彎矩如圖8-13所示.

圖7樁與承臺(tái)不同間距對(duì)承臺(tái)位移的影響圖8不同間距15 m防護(hù)樁截面彎矩

圖9不同間距20 m防護(hù)樁截面彎矩圖10不同間距25 m防護(hù)樁截面彎矩

圖11不同間距30 m防護(hù)樁截面彎矩圖12不同間距35 m防護(hù)樁截面彎矩

圖13 不同間距40 m防護(hù)樁截面彎矩

當(dāng)防護(hù)樁與承臺(tái)間距取最小值10 m時(shí)，由于防護(hù)樁的遮蔽效果，防護(hù)樁承擔(dān)滑坡體推力偏大，造成其自身彎矩過(guò)大；由于防護(hù)樁與承臺(tái)及樁基間距較小，使得防護(hù)樁與樁基間巖土的擠壓，形成較大的土壓力作用于樁基，不利于承臺(tái)及樁基穩(wěn)定.當(dāng)防護(hù)樁與承臺(tái)間距為20 m、30 m、40 m、50 m時(shí)，防護(hù)樁彎矩差別較小.

綜上所述，當(dāng)防護(hù)樁與樁基間距約為20 m左右時(shí)，既有利于防護(hù)樁的抗力發(fā)揮，又有利于樁基穩(wěn)定性.

表4 防護(hù)樁不同樁長(zhǎng)布置方案

2.4 隨樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)變化

當(dāng)抗滑樁冠梁夾角為60°，與承臺(tái)間距為20 m時(shí)，6種不同樁長(zhǎng)方案如表5所示.

不同樁長(zhǎng)對(duì)樁身截面彎矩的影響如圖14所示，由圖可知，隨樁長(zhǎng)的增加，樁身截面彎矩的最大彎矩截面位置基本不變，只是數(shù)值大小發(fā)生改變.隨著抗滑樁的長(zhǎng)度增加，負(fù)彎矩越來(lái)越大，最大正彎矩增大的程度不太明顯.當(dāng)防護(hù)樁長(zhǎng)增大到35 m、40 m時(shí)，樁身彎矩達(dá)到最大值，說(shuō)明防護(hù)樁為承臺(tái)及樁基分擔(dān)較多推力，能最大程度的減小承臺(tái)及樁基的變形，因此35 m、40 m樁長(zhǎng)最為合適.因35 m、40 m樁長(zhǎng)彎矩相差不明顯，綜合造價(jià)及防護(hù)效果考慮，防護(hù)樁最合適樁長(zhǎng)約為35 m.

2.5 最優(yōu)設(shè)計(jì)方案

三角形冠梁連接可以使分流型防護(hù)樁的六根樁變形相協(xié)調(diào)，充分利用三角形穩(wěn)定性，使六根樁能作為一個(gè)整體更有效的發(fā)揮抗滑與分流效果，比其它截面形式更具穩(wěn)定性更加合理.

通過(guò)對(duì)不同形式的分流防護(hù)樁對(duì)承臺(tái)樁基的防護(hù)效果影響分析比較，最終選擇防護(hù)樁與承臺(tái)間距20 m，樁長(zhǎng)35 m，三角形分流防護(hù)樁的冠梁夾角為60°的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，既能滿(mǎn)足安全要求，又能最大程度的減少承臺(tái)及樁基的變形.

圖14 不同樁長(zhǎng)對(duì)樁身截面彎矩的影響

3 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合扎拖大橋現(xiàn)場(chǎng)勘探資料及橋基邊坡穩(wěn)定性分析，通過(guò)對(duì)分流型防護(hù)樁的不同樁長(zhǎng)、不同冠梁角度及承臺(tái)防護(hù)樁不同間距對(duì)承臺(tái)樁基穩(wěn)定性影響數(shù)值仿真分析研究，得出以下結(jié)論：

(1)橋位右岸上覆15～20 m堆積體，蓄水后覆蓋層可能會(huì)產(chǎn)生蠕滑變形或局部坍滑，影響橋梁主墩安全，建議在清方卸荷的同時(shí)進(jìn)行永久性支擋防護(hù).

(2)當(dāng)防護(hù)樁樁長(zhǎng)逐漸增加時(shí)，承臺(tái)樁基受力變形減小，樁長(zhǎng)大于35 m時(shí)，防護(hù)樁彎矩隨著樁長(zhǎng)增加而增加的趨勢(shì)減緩，選取防護(hù)樁的最優(yōu)樁長(zhǎng)為35 m；隨著防護(hù)樁與承臺(tái)間距的減小，承臺(tái)樁基受力變形減小，當(dāng)間距減小為20 m時(shí)，防護(hù)樁為承臺(tái)及樁基分擔(dān)推力最大，因此，防護(hù)樁與承臺(tái)最優(yōu)間距約為20 m.

(3)當(dāng)樁頂夾角為60°時(shí)，防護(hù)樁間距與橋梁承臺(tái)寬度相等，滑坡繞流效果大于滲流效果，分擔(dān)了大部分橋梁承臺(tái)及樁基推力，能有效保護(hù)施工及墩體安全，確保橋梁結(jié)構(gòu)及線路運(yùn)營(yíng)安全.

[1]佴磊，馬麗英，曦晨，等.滑坡治理中的抗滑樁設(shè)計(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版),2002,32(2):162～165

[2]楊波，鄭穎人，趙尚毅，李安洪.雙排抗滑樁在三種典型滑坡的計(jì)算與受力規(guī)律分析[J].巖土力學(xué),2010,31(Supp.1):237～244

[3]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2009

[4]唐芬，鄭穎人，楊波.雙排抗滑樁的推力分擔(dān)及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(1):3462～3168

[5]鄧友生.山區(qū)陡坡樁柱的承載特性研究進(jìn)展[J].公路交通科技,2012,29(6):37～45

[6]于洋，孫紅月，尚岳全.基于樁周土體位移的雙排抗滑樁計(jì)算模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(1):172～178

[7]申永江，孫紅月，尚岳全，等.雙排抗滑樁樁頂連接方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(Supp.1):3034～3038

[8]趙明華.樁柱式高橋墩樁基穩(wěn)定性分析[J].公路交通科技,2008,25(7):95～99

[9]王羽，趙波.h型抗滑樁結(jié)構(gòu)機(jī)理與工程數(shù)值分析研究[J].公路工程,2015,40(6):5～9

[10]廖偉，李長(zhǎng)冬，代先堯，劉昕旺.T形橫截面抗滑樁截面優(yōu)化研究[J].安全與環(huán)境工程,2015,22(1):33～38

[11]李云華，傅小茜，王殉.多排抗滑樁設(shè)計(jì)中的推力分擔(dān)比模擬[J].巖土工程技術(shù),2009,23(4):197～209

[12]雷勇.按樁頂沉降控制的嵌巖樁嵌巖深度計(jì)算方法[J].公路交通科技,2011,28(5):86～91

[13]趙尚毅，鄭穎人，李安洪，邱文平，唐曉松，徐俊.多排埋入式抗滑樁在武隆縣政府滑坡中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2009,30(Supp.1):160～164

[14]馮文娟，琚曉冬.基于FLAC3D的抗滑樁設(shè)計(jì)方法研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2011,33(2):256～259

[15]鄧友生.超長(zhǎng)大直徑群樁荷載傳遞特性研究[J].公路,2007,11:17～20

[16]趙明華.樁底嵌巖錨桿錨固段應(yīng)力分布研究[J].公路交通科技,2011,28(1):42～46

[17]張浩.土體側(cè)移作用下被動(dòng)樁受力變形的簡(jiǎn)化解析計(jì)算[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào),2016,46(2):392～399

StudyontheApplicationofSplitTypeProtectionPileinZhatuoSUPERLargeBridge

DONGJie1，YANGYue1，WUZhi-hui1，WUDa-hong2

(1.Department of Civil Engineering,Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou,Hebei 075000;2.The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin 300142,China)

The new Zhatuo super large bridge spans the Xianshui River and the steep cliff unloading fissures are developed on the right bank of the bridge site.There is a certain thickness of gravel soil on the slope which can influence the safety of bridge structure and open line segment.Under the action of excavation disturbance and dynamic water level,the cover layer may have creep deformation or partial collapse,which can affect the safety of the main pier of the bridge.Therefore,permanent retaining measures should be provided to protect the safety of construction and pier for the safety of bridge and operation line.The influence of split protection piles on bridge abutment and pile foundation was studied by establishing numerical simulation models that are adopted different length of pile,crown beam angle and the different distance between piles and the bridge abutment.The results reveal that the split protection pile can block the landslide and make it flow along the protection pile,which can effectively reduce the landslide on the abutment and pier thrust,and the mechanical properties of the protection piles can be fully exerted due to the stability of the triangle.The optimal angle of split protection pile is about 60° and the length is about 35m,and the perfect spacing between split protection pile and abutment pile foundation is about 20m.The research results provide a scientific basis for the optimal design of the project.

bridge engineering;split protection piles;mechanical properties;stability;numerical analysis

2017-05-21

河北省自然科學(xué)基金(No.E2017404013)；河北省教育廳重點(diǎn)課題(No.ZD2017224)；河北建筑工程學(xué)院研究生創(chuàng)新基金(XA201726)；河北建筑工程學(xué)院校科研基金項(xiàng)目(No.B-201604)

董捷(1980-)，男，博士后，高級(jí)工程師，主要從事路基及地下工程加固方面的研究.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.03.002

U213.1+52.1

A