馮 波，乃麒元，徐 華，陳華川，李奕信

(1. 中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 400000；2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

現(xiàn)階段，高速公路往往采用高墩橋梁的形式穿越山區(qū)溝谷地帶，這將使得部分橋梁樁基直接設(shè)置于斜坡之上，從而形成由橋梁上部結(jié)構(gòu)、樁基及邊坡所構(gòu)成的相互影響且相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系[1-2]。與常規(guī)平地樁基礎(chǔ)相比，處于斜坡段的橋梁樁基不僅要承受上部結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的組合荷載，還可能承受由坡體變形而產(chǎn)生的坡體推力[3]。因此，斜坡橋梁樁基兼具主動(dòng)樁和被動(dòng)樁的受力特征，已難以在普通樁基類別中找到其歸屬，研究復(fù)雜荷載作用下斜坡橋梁樁基的受力特性具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)斜坡段橋梁樁基的承載受力特性展開了相關(guān)研究。趙明華、楊明輝等在合理簡(jiǎn)化受力的基礎(chǔ)上推導(dǎo)得出了高陡巖質(zhì)邊坡橋梁?jiǎn)巍㈦p樁內(nèi)力與變形的理論解析解[4-6]。劉建華、尹平保等利用模型試驗(yàn)分析了不同樁基剛度、樁基自由長(zhǎng)度與加載方式下陡坡單、雙樁基礎(chǔ)的承載受力特性變化規(guī)律[7-9]。馮忠居、陳思曉等研究了坡度、樁長(zhǎng)變化時(shí)對(duì)黃土沖溝地區(qū)橋梁樁基的橫軸向承載力產(chǎn)生的影響，得到考慮斜坡影響的豎向受荷樁有效樁長(zhǎng)計(jì)算方法[10-12]。Georgiadis利用有限元軟件分析了水平荷載作用下不排水黏土邊坡附近單樁基礎(chǔ)的承載能力[13-14]。Mezazigh等對(duì)砂土邊坡附近的水平受荷樁進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，著重分析了坡度、臨坡距離對(duì)樁基水平受力性能產(chǎn)生的影響[15-17]。喻豪俊對(duì)碎石土斜坡上的單樁基礎(chǔ)展開了不同坡度下的現(xiàn)場(chǎng)水平靜載試驗(yàn)，提出了坡度對(duì)單樁水平臨界荷載和極限荷載影響的折減參數(shù)[18]。趙明華對(duì)湖南省張花高速某一斜坡段橋梁雙樁基礎(chǔ)展開現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究，采集并分析了不同施工工況條件下樁身彎矩、軸力和樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律[19]。

目前對(duì)于斜坡橋梁樁基礎(chǔ)的研究大都基于理論分析或模型試驗(yàn)，有關(guān)斜坡地形下樁基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較少，已有的研究大都基于西部地區(qū)較為普遍的處于巖質(zhì)邊坡上的橋梁樁基礎(chǔ)，對(duì)東南地區(qū)較為常見的花崗巖殘積土邊坡中橋梁樁基的研究還鮮有報(bào)道。依托廣東省云茂高速公路獨(dú)石特大橋右幅26#墩斜坡段橋梁雙樁基礎(chǔ)開展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)采集自澆注成樁至施作蓋梁為期14個(gè)月內(nèi)的樁側(cè)土壓力和樁身鋼筋應(yīng)力數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究施工期斜坡荷載作用下橋梁樁基的受力與變形發(fā)展變化規(guī)律，分析施工擾動(dòng)、臨時(shí)車輛荷載及降雨等因素對(duì)斜坡樁基受力特性的影響，為類似條件下相關(guān)工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

廣東省云浮羅定至茂名信宜高速公路全長(zhǎng)129.82 km，獨(dú)石特大橋?yàn)槠渲械闹仉y點(diǎn)工程，全長(zhǎng)2 566.5 m，橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面全寬25.5 m，按上下行分離的兩幅橋設(shè)計(jì)。橋位地處丘陵地帶，地勢(shì)起伏較大，橋墩所在山坡多較為陡峭，發(fā)育有多處崩塌。受斜坡地形限制，橋梁樁基多為人工挖孔型灌注樁且樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，修筑施工平臺(tái)和便道需要對(duì)原始坡體進(jìn)行大挖大填，而坡體淺層的變質(zhì)砂巖與花崗巖區(qū)坡殘積土遇水易軟化，形成水土流失或崩塌，施工期橋梁樁基的受力及穩(wěn)定性可能處于不利狀態(tài)。

圖1 獨(dú)石特大橋橋梁樁基所處斜坡地貌Fig.1 Slope landform of pile foundation of Dushi Grand Large Bridge

選取獨(dú)石特大橋右幅26#墩雙樁基礎(chǔ)作為監(jiān)測(cè)試樁，墩位所處區(qū)域線路走向與坡體傾向垂直，斜坡坡度約為34°、高度約60 m、沿線路方向的縱向延伸距離約200 m。雙樁結(jié)構(gòu)均位于斜坡中部，為典型的斜坡段高架橋雙樁基礎(chǔ)。雙樁樁長(zhǎng)50 m，樁徑1.8 m，樁體縱向通長(zhǎng)配置HRB400型鋼筋(D=28 mm)。樁周地層以粉質(zhì)黏土和全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為主，按摩擦型樁設(shè)計(jì)。根據(jù)相鄰區(qū)域鉆孔資料及工程地質(zhì)勘察報(bào)告，26#墩雙樁結(jié)構(gòu)及地層信息如圖2所示，場(chǎng)地內(nèi)埋藏各地層的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

圖2 試樁結(jié)構(gòu)及地層信息(單位:cm)Fig.2 Test pile structure and stratigraphic information(unit:cm)

表1 右幅26號(hào)墩樁周土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil layer around pier No.26 on right side

2 試樁監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)樁身鋼筋應(yīng)力和樁周土壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可分析施工期間斜坡橋梁樁基礎(chǔ)的受力狀態(tài)，為后期設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化與運(yùn)營(yíng)安全提供數(shù)據(jù)支撐?？紤]到右幅26#墩為斜坡段雙樁基礎(chǔ)，需沿每根樁基兩側(cè)對(duì)稱布置鋼筋應(yīng)力計(jì)與土壓力盒用于量測(cè)樁身內(nèi)力與樁側(cè)土壓力。監(jiān)測(cè)儀器布設(shè)方向應(yīng)與坡體傾向平行，以便于分析坡體變形對(duì)樁基受力產(chǎn)生的影響。

對(duì)于單根樁基，同一排處的鋼筋計(jì)與土壓力盒布設(shè)在同一水平位置；對(duì)于雙樁結(jié)構(gòu)，前樁與后樁的監(jiān)測(cè)元件布設(shè)完全一致。自樁頂以下0.5 m處開始布置第一排鋼筋應(yīng)力計(jì)與土壓力盒，樁深0.5～15.5 m每隔1.5 m布置一排鋼筋應(yīng)力計(jì)與土壓力盒，共11排；樁深15.5～27.5 m每隔4 m布置一排鋼筋應(yīng)力計(jì)與土壓力盒，共3排；樁身27.5～50 m僅布置鋼筋計(jì)，間距6 m，設(shè)置3排。監(jiān)測(cè)儀器布設(shè)，如圖3所示。

圖3 試樁監(jiān)測(cè)元件布設(shè)(單位:m)Fig.3 Layout of monitoring units for test pile(unit:m)

具體布設(shè)時(shí)，鋼筋計(jì)采用焊接的形式與縱向主筋相連，以保證二者協(xié)同受力；安裝土壓力盒時(shí)應(yīng)預(yù)先在側(cè)壁打孔，然后將土壓力盒與預(yù)制沙包一同放入側(cè)壁孔中，待土壓力盒位置固定后采用水泥砂漿對(duì)孔洞進(jìn)行封裝，以保證土壓力盒受力均勻，監(jiān)測(cè)儀器的具體布設(shè)如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)儀器安裝Fig.4 Installation of sensors

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

獨(dú)石特大橋右幅26#墩后樁與前樁分別于2018年10月中旬灌注完成，取灌注完成7 d后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為初始值，按預(yù)定監(jiān)測(cè)頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其中監(jiān)測(cè)第1個(gè)月每隔1周采集1次數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)第2個(gè)月每隔半個(gè)月采集1次數(shù)據(jù)，從監(jiān)測(cè)第3個(gè)月開始每隔1個(gè)月采集1次數(shù)據(jù)。

3.1 樁側(cè)土壓力分析

由圖5可知，后樁靠上坡側(cè)坡體對(duì)樁基產(chǎn)生側(cè)向推力，在粉質(zhì)黏土層與全風(fēng)化花崗巖層內(nèi)，土壓力呈先增大后減小的近似拋物線形分布模式，進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層后，土壓力值顯著減小，各次監(jiān)測(cè)結(jié)果中土壓力最大值點(diǎn)多位于樁頂以下8 m處，量值變化范圍為22～41 kPa。前樁靠上坡側(cè)土壓力分布規(guī)律與后樁近似相同，其土壓力最大值作用點(diǎn)位于樁頂以下11 m處，雖略深于后樁，但其量值變化范圍為15～23 kPa，要明顯小于后樁，說(shuō)明此階段坡體推力主要由后樁承擔(dān)。分析樁側(cè)土壓力的產(chǎn)生主要是由于施工便道及平臺(tái)的開挖修筑對(duì)原有坡體產(chǎn)生擾動(dòng)，坡體淺層巖土體發(fā)生變形，對(duì)樁側(cè)產(chǎn)生推力。另外廣東地區(qū)年降雨量較大，降雨條件下坡體淺層的花崗巖區(qū)坡殘積土遇水易軟化流失，進(jìn)一步加劇了坡體淺層巖土體的變形。

由圖6可知，后樁靠下坡側(cè)土壓力自樁頂向下呈逐漸增加的近似三角形分布，各次監(jiān)測(cè)結(jié)果中土壓力最大值作用點(diǎn)均位于樁頂以下8 m處，量值變化范圍為29～57 kPa，進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層后土壓力值顯著減小。前樁靠下坡側(cè)土壓力自樁頂向下呈逐漸增加的倒三角形分布模式，說(shuō)明在坡體推力作用下，樁身上部及其周邊坡體產(chǎn)生一定的變形，樁體受到樁前坡體產(chǎn)生的被動(dòng)抗力。施工期間對(duì)樁頂處橫橋向與豎向位移進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，受施工擾動(dòng)影響樁頂處位移略有變化且最大位移量不超過(guò)1.6 mm，后期對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)加固處理后樁頂處位移基本沒(méi)有變化。另外，前樁靠下坡側(cè)土壓力要明顯小于后樁靠上坡側(cè)，說(shuō)明坡體推力作用于樁基時(shí)，樁體依靠自身剛度與嵌固作用承擔(dān)了一部分土壓力，即斜坡樁基具有一定的阻滑作用。

圖5 靠上坡側(cè)土壓力沿樁身分布曲線Fig.5 Distribution curves of earth pressure along pile body in upper slope

圖6 靠下坡側(cè)土壓力沿樁身分布曲線Fig.6 Distribution curves of earth pressure along pile body in lower slope

3.2 樁身鋼筋應(yīng)力分析

樁側(cè)鋼筋應(yīng)力沿樁深分布曲線，如圖7所示。

圖7 鋼筋應(yīng)力沿樁深分布曲線Fig.7 Reinforcement stress distribution curves along pile depth

自26#墩雙樁基礎(chǔ)澆注完成以來(lái)，樁身各處鋼筋均呈受壓狀態(tài)，且越靠近樁頂處，鋼筋壓應(yīng)力值越大。雙樁基礎(chǔ)澆注完成后，2018年11月期間為滿足臨近墩臺(tái)施工需求，施工人員將26#墩雙樁之間改為施工過(guò)車便道并進(jìn)行回填。此階段內(nèi)經(jīng)常有重型機(jī)械停放或經(jīng)過(guò)雙樁之間的過(guò)車便道，在回填土與施工車輛的往復(fù)碾壓作用下，樁頂受壓，樁身鋼筋整體受壓，但這種影響主要集中在淺表層土體，進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層后樁身鋼筋壓應(yīng)力值顯著減小。進(jìn)入2019年3月之后，隨著此坡段內(nèi)人工挖孔樁的施工完成，樁身鋼筋受力趨于穩(wěn)定。

同時(shí)，未施作上部結(jié)構(gòu)之前，前后樁樁身鋼筋應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，施作上部結(jié)構(gòu)后，樁頂以下15 m范圍內(nèi)的鋼筋應(yīng)力值顯著增加，但前樁鋼筋應(yīng)力值在樁頂以下10 m范圍內(nèi)的變化斜率要明顯小于后樁，即后樁樁周淺層土體所能提供的樁側(cè)摩阻力要明顯大于前樁，并且隨著上部荷載的增加(上部結(jié)構(gòu)持續(xù)施作)這種趨勢(shì)愈發(fā)明顯。分析其原因，前樁相比后樁更靠近坡體臨空面，由于坡面的存在使得前樁靠下坡側(cè)的土體體積顯著減小，其樁周不再是半無(wú)限空間體，所以前樁樁側(cè)淺表層范圍內(nèi)的土體所能提供的側(cè)摩阻力相比后樁較小?？梢姡瑢?duì)處于斜坡段的橋梁樁基，受斜坡地形影響，樁頂以下淺表層范圍內(nèi)的土體所能提供的側(cè)摩阻力有限，且側(cè)摩阻力的發(fā)揮程度也與樁基臨坡面的距離相關(guān)，樁基越臨近下坡側(cè)坡面，其側(cè)摩阻力折減越大。

3.3 樁身彎矩分析

獨(dú)石特大橋右幅26#墩為斜坡段橋梁雙樁基礎(chǔ)，考慮到監(jiān)測(cè)期間樁側(cè)存在土壓力且前、后樁兩側(cè)的鋼筋應(yīng)力也存在差異，推測(cè)樁身存在彎矩。為進(jìn)一步分析斜坡段雙樁基礎(chǔ)的受力特性，可根據(jù)式(1)計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)所在平面內(nèi)的樁身彎矩：

(1)

式中，σ1i與σ2i分別為同一測(cè)點(diǎn)截面內(nèi)靠下坡側(cè)與靠上坡側(cè)的鋼筋應(yīng)力值，可由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到；b為鋼筋籠直徑；Ep為樁身實(shí)際彈性模量;Ip為樁基截面慣性矩。其中Ep可由式(2)計(jì)算得到，Ip可由式(3)計(jì)算得到。

(2)

式中，Ac,As分別為混凝土和鋼筋的截面積;Ap為試樁的截面積;Ec,Es分別為鋼筋和混凝土的彈性模量，其值可按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62—2012)查取，Ec=3×104MPa，Es=2×105MPa。

樁基的截面慣性矩根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)中建議的方法計(jì)算：

(3)

式中，d為樁基直徑；αE為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值；ρε樁身配筋率。

表2 樁身各截面彎矩計(jì)算參數(shù)取值Tab.2 Calculation parameters of bending moment of each section of pile

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，樁身各截面計(jì)算參數(shù)如表2所示，樁身彎矩分布如圖8所示。

圖8 樁身彎矩分布曲線Fig.8 Distribution curves of bending moment of pile

由圖8可知，前后樁樁身彎矩分布規(guī)律基本一致，自樁頂向下呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，樁身最大彎矩出現(xiàn)在全風(fēng)化層與強(qiáng)風(fēng)化層交界處附近。分析其原因：在施工擾動(dòng)等因素的綜合作用下，樁基附近邊坡淺層巖土體抗剪強(qiáng)度降低并發(fā)生變形，樁體受到由坡體變形而產(chǎn)生的側(cè)向推力，樁基的受力狀態(tài)發(fā)生改變，不再是完全的豎向受荷樁，樁身產(chǎn)生彎矩。后樁樁身彎矩值明顯大于前樁、最大值作用點(diǎn)也略低于前樁，說(shuō)明后樁承擔(dān)了較大部分的坡體推力，這也與前述土壓力分析結(jié)果相一致。

未施加系梁之前，樁身彎矩主要由樁側(cè)土壓力引起并隨土壓力的變化而發(fā)生改變，此階段樁頂處自由無(wú)約束，樁身受力狀態(tài)類同于抗滑樁，在持續(xù)坡體推力的作用下樁體產(chǎn)生一定程度的橫向變形。施作上部結(jié)構(gòu)(系梁、墩柱、蓋梁等)后，由上部結(jié)構(gòu)自重所產(chǎn)生的豎向荷載使樁體橫向變形加劇并產(chǎn)生附加彎矩，即P-Δ效應(yīng)，所以隨著上部結(jié)構(gòu)的持續(xù)施作，樁頂豎向荷載增加，樁身彎矩將持續(xù)增大。

3.4 施工期臨時(shí)坡體超載對(duì)斜坡樁基受力特性的影響

由圖5及圖8可知，樁基澆注至橫系梁施加之前，樁側(cè)土壓力與樁身彎矩均隨監(jiān)測(cè)時(shí)間發(fā)生不同程度的變化，分析其主要與施工期間重載車輛與各種施工機(jī)械對(duì)坡體產(chǎn)生的臨時(shí)超載有關(guān)。2018年11月～12月期間，樁頂以下11 m巖土層范圍內(nèi)的樁側(cè)土壓力逐漸減小，以后樁樁后側(cè)土壓力的減小最為明顯，其中樁頂以下8 m處的土壓力最大值由41 kPa 減小到32 kPa(見圖5)。分析其原因可能為此階段26#墩所在斜坡附近的人工挖孔樁已經(jīng)基本完成施工，部分施工機(jī)械逐漸撤場(chǎng)，施工便道上的重載貨車數(shù)量顯著減小，坡體超載的減小直接導(dǎo)致了樁側(cè)土壓力與樁身彎矩的減小。2019年1月～6月期間，26#墩所在斜坡附近的人工挖孔樁已全部施工完成，而且并未繼續(xù)開展上部結(jié)構(gòu)的施工，坡體變形趨于穩(wěn)定，樁土變形相互協(xié)調(diào)，加之2018年12月底施工人員對(duì)26#墩右幅施工平臺(tái)附近的邊坡進(jìn)行了表面噴漿加固處理，所以此階段內(nèi)樁側(cè)土壓力與樁身彎矩變化較小且趨于穩(wěn)定。2019年8月～2020年1月期間，因26#墩所在斜坡附近的樁基開始施作上部結(jié)構(gòu)，部分施工車輛重新進(jìn)場(chǎng)，坡體超載增大，樁側(cè)土壓力與樁身彎矩又有增大趨勢(shì)，但增幅較小。對(duì)處于斜坡上樁基礎(chǔ)應(yīng)適當(dāng)考慮施工期坡體超載對(duì)樁基受力產(chǎn)生的影響，加快施工進(jìn)程，盡早對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)，改善樁基的受力狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)廣東省云茂高速公路斜坡段橋梁雙樁基礎(chǔ)為期14個(gè)月的樁身鋼筋應(yīng)力與樁側(cè)土壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)雙樁結(jié)構(gòu)樁后側(cè)土壓力均呈近似拋物線形分布，土壓力最大值作用點(diǎn)位于粉質(zhì)黏土層與全風(fēng)化層交界處附近，進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層后顯著減小，后樁樁側(cè)土壓力明顯大于前樁，是整個(gè)斜坡段雙樁結(jié)構(gòu)承載與阻滑的關(guān)鍵。

(2)前樁相比后樁更靠近下坡側(cè)臨空面，前樁樁頂以下10 m范圍內(nèi)土層所提供的側(cè)摩阻力十分有限，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)折減，斜坡段豎向受荷樁的側(cè)摩阻力發(fā)揮程度受樁基臨坡距離的影響較大。

(3)前后樁樁身彎矩分布規(guī)律基本一致，樁身最大彎矩出現(xiàn)在全風(fēng)化巖層與強(qiáng)風(fēng)化巖層交界處附近，隨著上部結(jié)構(gòu)的施作，樁頂豎向荷載增加，樁身彎矩將持續(xù)增大，斜坡橋梁樁基礎(chǔ)的P-Δ效應(yīng)顯著。

(4)施工期臨時(shí)坡體超載對(duì)邊坡的影響主要集中在樁頂以下11 m范圍內(nèi)的巖土層，重型施工機(jī)械經(jīng)過(guò)或停放于樁基上方的施工便道時(shí)會(huì)在一定程度上增大樁基上方坡體的下滑力，進(jìn)而增大樁側(cè)土壓力。

(5)對(duì)處于斜坡段的橋梁樁基，應(yīng)盡量縮短施工期限,盡早對(duì)開挖坡面進(jìn)行支護(hù)或噴漿封閉以提高坡體的穩(wěn)定性，減小樁基在未施加上部結(jié)構(gòu)時(shí)的初始橫向變形，削弱后期P-Δ效應(yīng)對(duì)樁體承載產(chǎn)生的影響。