摘要：橋梁樁基在高陡坡上由于邊坡的存在，與扁樁基礎(chǔ)相比，結(jié)構(gòu)荷載的作用更為復(fù)雜。為了精準(zhǔn)地分析橋梁樁基受力特點(diǎn)，并提出相應(yīng)的防護(hù)措施，文章以廣西崇左西環(huán)線標(biāo)段為例，分析不同荷載作用下樁基受力和位移情況，并按上部結(jié)構(gòu)樁基邊坡相互作用影響程度，構(gòu)建受力模型，確定自由段、受力段、嵌固段受力情況，最后提出排水防護(hù)、削方減載防護(hù)、回填壓腳防護(hù)三種防護(hù)措施。研究表明：該方法能夠精準(zhǔn)分析橋梁樁基受力情況，但國內(nèi)研究較少，還可進(jìn)一步完善。

關(guān)鍵詞：山區(qū)斜坡;高差;橋梁樁基;受力;防護(hù)

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：U441+.5-A-24-078-4

0 引言

鑒于公路的線形和環(huán)保問題，一些橋梁必須穿越深谷或在陡坡上架設(shè)。橋梁樁基在高陡坡上由于邊坡的存在，不僅要承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)向樁頂組合荷載作用，還要承擔(dān)由山體變形引起的剩余滑移力[1]，與扁樁基礎(chǔ)相比，橋梁樁基結(jié)構(gòu)荷載的作用更為復(fù)雜[2]。以往提出了一種以地基系數(shù)為常數(shù)的樁基，研究其在傾斜荷載作用下山區(qū)斜坡高差下橋梁樁基受力與防護(hù)措施，采用該方法未考慮山區(qū)陡坡復(fù)雜形勢，導(dǎo)致橋梁樁基受力分析內(nèi)容不全面，相應(yīng)的防護(hù)措施不具有代表性;分析水平推力樁的樁土相互作用，研究山區(qū)斜坡高差下橋梁樁基受力情況，可推導(dǎo)出橋梁樁基綜合剛度，但使用該方法局限于抗滑樁，忽略了樁頂復(fù)雜荷載作用，很難與實(shí)際橋梁樁基受力狀況相吻合，導(dǎo)致橋梁樁基防護(hù)效果較差;結(jié)合有限元模擬法分析橋梁樁基斜面位置和坡腳對樁基水平承載力的作用，確定橋梁樁基結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，使用該方法未考慮到邊坡坡度對樁基穩(wěn)定性的影響，導(dǎo)致樁基受力分析結(jié)果不精準(zhǔn)，相應(yīng)防護(hù)措施效果較差。為此，本文根據(jù)山區(qū)斜坡上橋梁樁基的受力特點(diǎn)，提出了山區(qū)斜坡高差下橋梁樁基受力與防護(hù)研究。

1 橋梁樁基荷載實(shí)驗(yàn)

橋梁樁基豎向荷載主要是通過樁周巖體坡體下滑力和橋梁樁基抗力共同承載的，橫向荷載主要是通過樁身軸力承載的，而兩者組合而成的荷載共同承受來自不同方向的力，因此，對不同荷載作用的分析能夠確定橋梁樁基具體受力情況。

課題以廣西崇左西環(huán)線標(biāo)段為例，按照山區(qū)斜坡高差下橋梁樁基受力與防護(hù)方法對其研究效果進(jìn)行驗(yàn)證分析。該路線全長16.73 km，全段樞紐立交2處，停車區(qū)域1處，路基挖方139.5萬 m3，使用軟基換填、石芽墊層法處理6.22 km。橋梁樁基是由基樁、坡面、滑動(dòng)面、滑床組成的，該樁基主要受到橫向載荷作用，在該載荷影響下，容易出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象（如圖1所示）。

由圖1所示的滑坡現(xiàn)象分析，實(shí)際高差H對橋梁樁基產(chǎn)生了兩種破壞形式，分別是流動(dòng)模式和短樁模式。

1.1 豎向荷載作用

將荷載傳遞到樁底堅(jiān)硬處，在該地層中傳遞荷載。樁周巖體受力主要集中在樁端和樁周狹長帶上，由內(nèi)至外逐漸消失。樁的周向應(yīng)力隨周向摩擦阻力變大而增加，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因在于樁基周圍摩擦阻力可將部分豎向荷載以剪應(yīng)力形式傳遞下去，而樁周剪應(yīng)力隨著豎向荷載變化而發(fā)生改變。

距離孔緣2 m以內(nèi)，孔緣應(yīng)力開始由近及遠(yuǎn)逐漸減小，該范圍的應(yīng)力變化不大。在選擇荷載條件時(shí)，豎向荷載對斜坡造成的影響是橋梁樁基影響的2倍。在橋梁樁基豎向荷載影響范圍內(nèi)，需增加斜坡剪應(yīng)力，勢必會(huì)造成結(jié)構(gòu)面落差，嚴(yán)重影響邊坡局部穩(wěn)定性，滑坡災(zāi)害出現(xiàn)的概率有所增加。

豎向荷載作用下樁頂位移情況如表1所示。

由表1可知，樁頂在豎向荷載影響下，其位移變化趨勢與平地處變化趨勢一致，都呈線性增長趨勢。自然狀態(tài)下的樁頂水平位移較小，只有在垂直荷載作用下位移值的萬分之一。由于樁側(cè)土體的水平承載力和樁側(cè)土體的抗側(cè)力都是隨豎向荷載的增大而增大，因此橋梁樁基水平位移逐漸減小。由此可知，豎向荷載作用對樁基水平位移影響很小。

1.2 橫向荷載作用

橋梁樁基在豎向荷載作用下，不可避免地受制動(dòng)力的影響，出現(xiàn)橫向荷載，該荷載的產(chǎn)生影響了橋梁樁基水平承載能力。因此，在樁頂上，應(yīng)沿著斜坡高度差施加橫向荷載，并分析樁基側(cè)面土體抗力。橫向應(yīng)力主要集中在樁頂巖體和邊坡一側(cè)，豎向應(yīng)力主要集中在樁的頂部和周圍巖體上。

橫向荷載作用下樁頂位移情況如表2所示。

從表2可以看出，在橫向荷載作用下，樁頂水平位移隨橫向荷載的增加呈線性增長趨勢。當(dāng)橫向荷載增加到400 kN時(shí)，豎向位移達(dá)到最大值為0.212 0 mm，然而在此之后，隨著橫向荷載的增加，橋梁樁基豎向位移逐漸縮短，研究結(jié)果表明，橫向荷載在一定程度上影響了樁基變形情況?？傊?，橋梁樁基橫向荷載對樁基水平位移和豎向位移都會(huì)產(chǎn)生一定影響。

1.3 組合荷載作用

為了研究橋梁樁基在荷載不同組合形勢下的受力情況，需組合兩種荷載，如表3所示。

在荷載作用下，橋梁樁基自身發(fā)生彎曲變形。在三種組合形式下，樁的豎向位移從樁頂?shù)綐抖艘来螠p小，說明此時(shí)的橋梁樁基是沿樁身逐漸下降的，此時(shí)樁側(cè)摩擦阻力阻止了樁基相對位移，通過向圍巖傳遞部分荷載，激發(fā)圍巖抵抗力，阻止樁變形。

2 受力計(jì)算模型

山區(qū)斜坡橋梁樁基所處地理環(huán)境復(fù)雜，加大了施工難度，可能會(huì)出現(xiàn)滑坡危害[3]，因此，需分析其受力特點(diǎn)。通過構(gòu)建受力模型，確定自由段、受力段、嵌固段受力情況，并計(jì)算坡體下滑力、橋梁樁基抗力、樁身軸力，以此為依據(jù)，分析不同荷載作用下的受力情況[4]。

2.1 模型構(gòu)建

斜坡上的橋梁樁通常通過上覆風(fēng)化程度較高的巖土地層，在穩(wěn)定基巖上嵌固。為了分析其受力情況，按上部結(jié)構(gòu)樁基邊坡相互作用影響程度，將其分成三個(gè)階段，分別為自由段、受力段、嵌固段，如圖2所示。

圖2中的W0表示豎向荷載;Q0表示水平荷載;Z0表示偏心彎矩。自由段、受力段、嵌固段受力情況受力為：樁頂空段承受上部結(jié)構(gòu)傳遞下的組合荷載，還承受坡面巖土體變形所產(chǎn)生的坡體下滑力、橋梁樁基抗力、樁身軸力[5]。對自由段而言，樁頂水平荷載和彎矩會(huì)引起樁身較大彎曲或撓曲變形、樁身撓曲變形的出現(xiàn)，還會(huì)使豎向荷載產(chǎn)生附加彎矩，附加彎矩又會(huì)影響樁身撓曲變形的增加;對于受力段來說，因?yàn)橛行逼碌拇嬖?，樁前巖土體提供的水平抗性會(huì)明顯降低，或者完全退化;對于嵌固段來說，在巖層達(dá)到一定深度后，嵌巖深度不斷增加，這對樁基承載能力的提高并不明顯[6]。

2.2 受力計(jì)算

根據(jù)構(gòu)建的受力模型確定坡體下滑力、橋梁樁基抗力、樁身軸力，對于各個(gè)受力展開詳細(xì)分析。

2.2.1 坡體下滑力

坡體下滑力是指當(dāng)樁身重力處于滑動(dòng)態(tài)或有滑動(dòng)態(tài)時(shí)，與斜面受到的重力、斜支撐力、斜摩擦力平行，當(dāng)橋梁樁基受力不平衡時(shí)，橋梁樁基處于下滑狀態(tài)，這時(shí)的下滑力與斜面摩擦力大小一致，但受力方向相反[7]。根據(jù)圖2所示下滑力，呈三角形分布，具體情況可根據(jù)土體情況選擇，計(jì)算公式為：

F1=as2+bs+c （1）

式中：s——三角形分布的樁后坡體計(jì)算點(diǎn)到樁端頂距離（m）;

a、b、c——坡體所受的三個(gè)分解下滑力斜面摩擦系數(shù)。

2.2.2 橋梁樁基抗力

橋梁樁基結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件和環(huán)境影響的能力為橋梁樁基抗力，充分考慮坡度對橋梁樁基影響情況，需對樁基前巖抗力進(jìn)行分析，計(jì)算公式為：

F2=ηK（s）Hx （2）

式中：η——橋梁樁基抗力折減系數(shù);

K（s）——橋梁樁基抗力系數(shù);

H——橋梁樁基有效計(jì)算寬度（m）;

x——水平位移（m）。

2.2.3 樁身軸力

與橋梁樁基軸線相重合的力是軸力，當(dāng)橋梁樁基受拉力時(shí)，軸力變?yōu)槔?，指向?yàn)楸畴x截面;當(dāng)橋梁樁基受壓力時(shí)，軸力變?yōu)閴毫?，指向?yàn)檎蚪孛鎇8]。樁身摩擦阻力隨著深度線性發(fā)生改變，樁身軸力計(jì)算公式為：

F3=W0+fs （3）

式中：f——軸力增長系數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 流動(dòng)模式

滑面較淺時(shí)，處于塑性狀態(tài)的土在樁周圍流動(dòng)，樁的位移遠(yuǎn)小于土的位移，滑面以下的穩(wěn)定土層產(chǎn)生較大彎矩，如圖3所示。

由圖3可知，在流動(dòng)模式下，樁基位移最長為0.2 m，而土體位移最大為0.5 m，樁基位移小于土體位移;在滑面上層的樁基彎矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土體彎矩，而在滑面下層的樁基彎矩逐漸變小，當(dāng)深度超過20 m時(shí)，滑面下層樁基彎矩小于土體彎矩。

根據(jù)流動(dòng)模式下的位移、彎矩標(biāo)準(zhǔn)，分別使用以地基系數(shù)為常數(shù)研究方法R1、基于水平推力研究方法R2、有限元模擬法R3、分析山區(qū)斜坡上橋梁樁基受力特點(diǎn)研究方法R4，對樁基位移、彎矩情況展開分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，使用R1方法樁基位移較標(biāo)準(zhǔn)位移長0.15 m，當(dāng)深度超過13 m時(shí)，滑面下層樁基彎矩小于土體彎矩，與標(biāo)準(zhǔn)情況不符;使用R2方法樁基位移與標(biāo)準(zhǔn)位移長一致，當(dāng)深度未超過13 m時(shí)，滑面下層樁基彎矩小于土體彎矩，與標(biāo)準(zhǔn)情況不符;使用R3方法樁基位移較標(biāo)準(zhǔn)位移長0.1 m，滑面下層樁基彎矩一直大于土體彎矩，與標(biāo)準(zhǔn)情況不符;使用R4方法樁基位移、彎矩都與實(shí)際情況一致。

3.2 短樁模式

滑面較深時(shí)，由于樁基受流土的推動(dòng)穿透穩(wěn)定土層，使其強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，最大彎矩出現(xiàn)在滑動(dòng)面以上的流土中，使樁土位移相等，如圖5所示。

由圖5可知，在短樁模式下，樁基位移與土體位移一致，都為0.5 m;在滑面上層的樁基彎矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土體彎矩，而在滑面下層的樁基彎矩雖然變小，但也小于土體彎矩。根據(jù)短樁模式下的位移、彎矩標(biāo)準(zhǔn)，分別使用四種方法對樁基位移、彎矩情況展開分析，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，使用R1、R2、R3方法樁基位移較標(biāo)準(zhǔn)位移分別短0.1 m、0.08 m、0.04 m;使用R1方法滑面上層的樁基彎矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土體彎矩，與標(biāo)準(zhǔn)情況大致相同;使用R2方法雖然滑面上層的樁基彎矩小于土體彎矩，但與實(shí)際情況相差較大;使用R3方法在深度超過12 m時(shí)，滑面上層樁基彎矩大于土體彎矩，與標(biāo)準(zhǔn)情況不符;使用R4方法樁基位移、彎矩都與實(shí)際情況一致。

通過上述對比內(nèi)容可知，分析山區(qū)斜坡上橋梁樁基受力特點(diǎn)研究方法，研究結(jié)果與實(shí)際情況一致。

4 橋梁樁基滑坡防護(hù)

4.1 擋墻原理

通過分析山區(qū)斜坡上橋梁樁基受力情況，為滑坡危害防護(hù)提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)提出防護(hù)措施。清理塌陷坡面上的塌陷體，需在墩臺外側(cè)施工便道上修筑混凝土擋墻，對墻后回填、壓實(shí)至坡面;在防止坡體進(jìn)一步坍塌同時(shí)，增加樁側(cè)巖土體厚度，提高樁基承載力;漿砌片石滿鋪防護(hù)在擋墻上坡面至墩底系梁邊，防止雨水滲入破碎物內(nèi)部。

坡頂墩周圍出現(xiàn)硬化，改善樁周排水系統(tǒng)，設(shè)置永久性截水溝，防止雨水滲入坡體內(nèi)，防止樁側(cè)巖土體再次發(fā)生塌方，保證了橋梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。

4.2 防護(hù)措施

對受滑坡影響的地面裂縫，應(yīng)及時(shí)用防水材料回填，防止地面水滲透形成靜水壓力，并提出排水防護(hù)措施;對新的塌方、滑坡或因切割破壞而產(chǎn)生的滑坡體，應(yīng)采取削方減載防護(hù)措施;當(dāng)滑坡位于水庫水位以下，且地勢較平時(shí)，應(yīng)采取回填壓腳的防護(hù)措施。

4.2.1 排水防護(hù)

對于排水防護(hù)措施，應(yīng)設(shè)置周邊截流溝，在滑坡體外截流地表水，防止其流入滑坡體。截水溝的具體位置應(yīng)在5～10 m內(nèi)有可能發(fā)生滑坡的位置。設(shè)計(jì)截面大小根據(jù)可能的最大洪峰流量和被截流地表水集水區(qū)來確定，并在墻內(nèi)設(shè)置面向截流溝的排水孔。

4.2.2 削方減載防護(hù)

削方減載防護(hù)措施，應(yīng)根據(jù)滑坡土壤破壞面的分布、滑坡的變形破壞規(guī)模和滑坡本身的強(qiáng)度等因素來決定，對滑坡的穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行深入分析和研究，結(jié)合實(shí)際切邊量的位置和負(fù)荷，對滑坡體上、后部進(jìn)行清理，嚴(yán)禁將滑坡體前、中部切割。前部土層松動(dòng)、破碎時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)拆除。

4.2.3 回填壓腳防護(hù)

回填壓腳防護(hù)措施，需將土石堆砌在滑坡尖的外側(cè)，增加自身重量，并覆蓋部分滑坡尖，形成抗滑平臺?；麦w浸入水中后，先用沙土法形成排水墊層，當(dāng)邊坡受壓時(shí)，及時(shí)做好地下排水工作。選定填料時(shí)，不能堵塞地下水排泄口。

5 結(jié)語

本文根據(jù)橋梁樁基受力特點(diǎn)，研究山區(qū)斜坡高差下橋梁樁基受力情況，并提出滑坡防護(hù)措施，通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)該研究方法與實(shí)際情況一致。雖然使用該方法能夠精準(zhǔn)分析橋梁樁基受力情況，但國內(nèi)研究較少，屬于一個(gè)新的研究領(lǐng)域。

為進(jìn)一步完善該項(xiàng)目，提出了兩個(gè)工作重點(diǎn)：

（1）研究僅限于分析單樁基礎(chǔ)，實(shí)際上，雙排樁、柱墩或群樁也是橋梁基礎(chǔ)。為此，需要進(jìn)一步研究樁土共同作用對樁基礎(chǔ)傳遞荷載的影響。

（2）在邊坡坡段應(yīng)開展橋梁樁基試驗(yàn)，從試驗(yàn)中提取實(shí)測數(shù)據(jù)，方便與有限元計(jì)算結(jié)果對比分析，驗(yàn)證所研究方法的有效性。

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收稿日期：2021-03-20

作者簡介：韋明春（1985—），工程師，研究方向：道路橋梁工程。