楊 靜

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067； 2.國(guó)家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心，重慶 400067)

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的迅速發(fā)展，既有橋梁鄰近的斜坡區(qū)域出現(xiàn)了大量的基坑開(kāi)挖作業(yè)，這類建設(shè)會(huì)影響斜坡穩(wěn)定性，進(jìn)而威脅斜坡區(qū)域橋梁結(jié)構(gòu)的受力與安全，輕者引起橋梁支座發(fā)生位移或破壞，重者造成墩柱發(fā)生傾斜或橋梁坍塌，總之處理不當(dāng)，會(huì)致使既有橋梁無(wú)法正常安全使用。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外橋梁因所在的斜坡區(qū)域失穩(wěn)導(dǎo)致橋梁災(zāi)害越來(lái)越多，如日本高知縣立川橋因大雨引起的斜坡失穩(wěn)，造成3跨橋梁坍塌；印度那加蘭邦首府科希馬的薩諾魯大橋因暴雨引起斜坡失穩(wěn)而坍塌；我國(guó)安徽省宣城市宣州區(qū)養(yǎng)賢鄉(xiāng)境內(nèi)的天成橋北側(cè)土體失穩(wěn)，致使天成橋的橋柱基礎(chǔ)平行推移而發(fā)生垮塌。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近橋梁安全影響的研究工作[1-8]。杜金龍等[1]提出了適用于均勻土質(zhì)基坑開(kāi)挖與鄰近橋梁樁基相互作用的彈塑性解方法。李龍劍等[2]采用彈塑性有限元方法研究了水平層狀土質(zhì)基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近橋梁樁基的影響，認(rèn)為開(kāi)挖對(duì)多排樁基礎(chǔ)的水平位移趨勢(shì)相同，后排樁位移略小于前排樁。王從鋒等[3]采用有限元強(qiáng)度折減方法計(jì)算了均質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題，確定開(kāi)挖過(guò)程中坡體的應(yīng)力、應(yīng)變以及位移等指標(biāo)對(duì)實(shí)際邊坡的開(kāi)挖和加固處理有一定參考價(jià)值。李明等[4]采用Midas軟件研究了土層深基坑對(duì)近距高架橋變形的影響。楊濤等[6]采用兩階段分析法研究了基坑開(kāi)挖深度與樁基水平位移的影響。

上述研究主要圍繞土質(zhì)基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近橋梁樁基的影響，對(duì)于巖土二元結(jié)構(gòu)斜坡穩(wěn)定性及對(duì)鄰近橋梁樁基的影響研究較少，兩者存在以下較大差異：1) 建于二元結(jié)構(gòu)斜坡上的橋梁樁基多為嵌巖樁，而土質(zhì)基坑鄰近橋梁樁基多為摩擦樁，兩者受力、傳力特性存在較大差異，二者與地基的協(xié)調(diào)變形也有較大區(qū)別；2) 近年來(lái)，有限元強(qiáng)度折減法得到大范圍應(yīng)用，但其關(guān)鍵難點(diǎn)在于巖土體計(jì)算參數(shù)的選取以及計(jì)算模型對(duì)實(shí)際情況的仿真程度，這直接決定了數(shù)值計(jì)算結(jié)果是否可指導(dǎo)工程應(yīng)用。

本文以某高架橋下巖土二元結(jié)構(gòu)的基坑開(kāi)挖為例，按實(shí)際工程區(qū)域地質(zhì)條件情況進(jìn)行建模，采用有限元強(qiáng)度折減法，分析橋梁所在斜坡穩(wěn)定性以及基坑開(kāi)挖與支護(hù)對(duì)橋梁樁基變形的影響，以期為本工程的實(shí)施提供支持。

1 工程背景

某高架橋所處斜坡屬丘陵斜坡地貌，微地貌受巖性控制明顯，總體坡角約25°，由于人類活動(dòng)，斜坡中上部多呈階梯狀，部分保留斜坡自然狀態(tài)。場(chǎng)地?cái)M建居民小區(qū)，橋梁所在斜坡下方為小區(qū)消防通道，向下開(kāi)挖約10 m，基坑(消防通道)開(kāi)挖邊界與高架橋墩中心線最小水平距離約25.5 m，斜坡縱斷面如圖1所示。

單位：m

基坑開(kāi)挖前，為開(kāi)展場(chǎng)地清理和修建施工便道，進(jìn)行了小范圍的的削坡，致使橋梁基礎(chǔ)附近斜坡地表的松散土層出現(xiàn)斷續(xù)延伸的拉裂縫，裂縫長(zhǎng)40 m～55 m，縫寬0.5 cm～5 cm，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)裂縫照片

斜坡場(chǎng)地上覆殘坡積粉質(zhì)粘土，下臥侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂巖與砂質(zhì)泥巖互層，出露地層以侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組紫紅色砂質(zhì)泥巖夾薄層-厚層砂巖為主，巖層產(chǎn)狀130°∠13°～15°。場(chǎng)地內(nèi)主要發(fā)育2組裂隙J1和J2。其中J1傾向約320°，傾角60°～70°，裂隙面比較平直、光滑，部分被粘性土充填，裂隙間距約1 m，基本上出露于砂巖陡坎坡面，延伸較長(zhǎng)，是場(chǎng)地內(nèi)主要構(gòu)造裂隙,局部粘土充填, 結(jié)合較差；J2傾向220°～230°，傾角70°～80°，以大角度與J1斜交，裂隙面波狀起伏，比較光滑，裂隙間距1 m～1.5 m，延伸8 m～10 m，是控制邊坡形態(tài)的另一組結(jié)構(gòu)面，局部粘土充填，結(jié)合較差。

橋梁所在斜坡坡度較大，地表水排泄通暢。上覆土層薄，基巖內(nèi)裂隙不發(fā)育，地下水賦存條件差，地下水貧乏。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 建模與參數(shù)設(shè)置

采用Plaxis巖土有限元軟件進(jìn)行二維建模分析，模型計(jì)算區(qū)域大小選取100 m×70 m，模型底部采用固定約束，側(cè)面采用法向約束，按照實(shí)際地質(zhì)情況模擬斜坡巖層及其裂隙特征，并進(jìn)行概化和網(wǎng)格剖分，對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的基坑開(kāi)挖面及橋梁樁基所在位置進(jìn)行了網(wǎng)格加密，共劃分9 873個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

忽略縱向邊界條件的影響，樁基按彈性材料模擬，將樁基等效為板樁，板樁樁體采用梁?jiǎn)卧x散，巖土體采用高精度15節(jié)點(diǎn)三角形單元離散。利用Plaxis軟件中彈塑性本構(gòu)模型模擬接觸面性狀，采用Coulomb準(zhǔn)則判斷接觸面內(nèi)發(fā)生微小結(jié)構(gòu)與巖土體相對(duì)位移時(shí)的彈性變形。按下式計(jì)算板樁彈性模量：

式中：Ep和Es分別表示樁和巖體的彈性模量，MPa；u為相鄰樁的中心距離，m；d為樁徑，m。將樁體等效為板樁，使得開(kāi)挖時(shí)巖土層水平位移產(chǎn)生的水平作用力均施加在樁身上，結(jié)果可能使巖土層的水平位移較實(shí)際略小，而樁身的水平位移較實(shí)際略大，這對(duì)研究高架橋樁基變形影響分析是偏安全的[5]。

建模時(shí)進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化：

1) 力學(xué)參數(shù)：巖土體材料物理力學(xué)參數(shù)從勘察報(bào)告選取，見(jiàn)表1。其中，結(jié)構(gòu)面J1、J2參數(shù)取值參考了強(qiáng)風(fēng)化泥巖的參數(shù)；剪脹角全部取值0，王從鋒、楊曉杰等[3，9]認(rèn)為隨著剪脹角取值增長(zhǎng)，巖土邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)也逐漸增大，模型計(jì)算時(shí)將剪脹角取值為0，與鄭穎人[10]提出的廣義塑性力學(xué)理論相符，理論上得出的邊坡安全系數(shù)偏小，偏于安全。

2) 計(jì)算條件：考慮橋梁最不利荷載組合，將橋梁結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)化至樁頂位置，橋梁等效荷載標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表2；由于坡體內(nèi)地下水賦存條件差，不考慮地下水的影響；地震作用按Ⅵ度考慮。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

表2 橋梁等效荷載標(biāo)準(zhǔn)值

2.2 計(jì)算步驟

1) 步驟1：計(jì)算巖土體初始應(yīng)力狀態(tài)，并將計(jì)算結(jié)果分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證計(jì)算參數(shù)的合理性。

2) 步驟2：在樁基頂部單元施加橋梁等效荷載，疊加步驟1的生成結(jié)果，計(jì)算高架橋建成后的應(yīng)力場(chǎng)。

3) 步驟3：基坑開(kāi)挖及支護(hù)影響計(jì)算分析?；娱_(kāi)挖發(fā)生在成橋以后，可認(rèn)為開(kāi)挖前，斜坡與橋梁樁基之間無(wú)變形的相互影響，故進(jìn)行開(kāi)挖計(jì)算時(shí)，將步驟2產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)作為基坑開(kāi)挖模擬的初始應(yīng)力場(chǎng)，而將此前產(chǎn)生的所有位移與應(yīng)變初始化為零，僅考慮基坑開(kāi)挖形成的位移增量，并分別對(duì)常用的3種基坑開(kāi)挖和支護(hù)方案進(jìn)行比較計(jì)算：(1) 放坡開(kāi)挖：基坑放坡開(kāi)挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高且不防護(hù)，考慮巖土體開(kāi)挖卸荷作用，開(kāi)挖面計(jì)算時(shí)采用強(qiáng)風(fēng)化巖體力學(xué)參數(shù)；(2) 錨噴防護(hù)：基坑放坡開(kāi)挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高，坡面錨噴防護(hù)，考慮防護(hù)及時(shí)，計(jì)算時(shí)開(kāi)挖面采用中風(fēng)化巖體力學(xué)參數(shù)；(3) 錨拉樁支護(hù)：先進(jìn)行錨拉樁支護(hù)后，再開(kāi)挖基坑至設(shè)計(jì)標(biāo)高狀態(tài)。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

在各種計(jì)算步驟下，提取表征斜坡和橋梁樁基發(fā)生變形情況的位移進(jìn)行分析。

1) 步驟1：橋梁所在斜坡區(qū)域表層松散土失穩(wěn)，最大位移約46 mm，如圖4所示。計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)斜坡整體穩(wěn)定、局部表土出現(xiàn)寬度0.5 cm～5 cm斷續(xù)變形裂縫的情況相符，且裂縫的寬度以及出現(xiàn)位置相似，說(shuō)明巖土體力學(xué)計(jì)算參數(shù)選取合理。

圖4 坡體變形云圖(步驟1)

2) 步驟2：在橋梁等效荷載作用下，斜坡位移趨勢(shì)朝向坡面及坡腳方向，邊坡位移增量最大值達(dá)18 mm，出現(xiàn)在樁頂附近區(qū)域巖土體中，如圖5所示，這與嵌巖樁樁頂位移隨荷載線性增加的特性相符，說(shuō)明橋梁荷載作用下，樁基與坡體發(fā)生了協(xié)調(diào)位移。

3) 步驟3：按以下3種方案分別計(jì)算。

(1) 方案1：放坡開(kāi)挖

基坑經(jīng)放坡開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高且不支護(hù)，強(qiáng)度折減法計(jì)算基坑開(kāi)挖后的斜坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.937，基坑邊坡穩(wěn)定?；舆吰挛灰圃隽孔畲笾?9 mm，出現(xiàn)在基坑放坡平臺(tái)、坡頂以及橋梁樁基頂部區(qū)域的強(qiáng)風(fēng)化巖層中，開(kāi)挖面位移增量最大值21 mm；橋梁樁基變形增量最大值為14 mm，朝開(kāi)挖面?zhèn)茸冃危渲兴较蜃冃卧隽孔畲笾禐?3 mm，豎直向變形增量最大值為4 mm，坡面和樁基均以發(fā)生水平向開(kāi)挖面變形為主，如圖6所示。

圖5 坡體變形云增量圖(步驟2)

圖6 坡體變形云增量圖(步驟3-方案1)

(2) 方案2：錨噴防護(hù)

基坑放坡開(kāi)挖后錨噴支護(hù)，強(qiáng)度折減法計(jì)算基坑開(kāi)挖后的斜坡穩(wěn)定安全系數(shù)為2.412，基坑邊坡穩(wěn)定?；舆吰挛灰圃隽孔畲笾?4 mm，出現(xiàn)在基坑放坡坡頂以及橋梁樁基頂部區(qū)域的強(qiáng)風(fēng)化巖層中；橋梁樁基變形增量最大值為4 mm，朝開(kāi)挖面?zhèn)茸冃?，其中水平向變形增量最大值? mm，豎直向變形增量最大值為1 mm，如圖7所示。

圖7 坡體變形云增量圖(步驟3-方案2)

(3) 方案3：錨拉樁支護(hù)

坡腳先采取錨拉樁進(jìn)行支護(hù)，后開(kāi)挖至基坑設(shè)計(jì)標(biāo)高，強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為5.171，基坑邊坡穩(wěn)定。同時(shí)，坡體變形能夠得到控制，基坑邊坡位移增量最大值2 mm，出現(xiàn)在錨拉樁頂位置；橋梁樁基變形增量最大值為0.5 mm，朝開(kāi)挖面?zhèn)茸冃?，其中水平向變形增量最大值?.5 mm，豎直向變形增量最大值為0.1 mm，如圖8所示。

3.2 結(jié)果分析

1) 基坑開(kāi)挖及不同支護(hù)方式對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響

綜上模擬分析可知，基坑開(kāi)挖及支護(hù)方式對(duì)斜坡穩(wěn)定性影響很大。基坑開(kāi)挖后，支護(hù)措施越強(qiáng)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)越大，位移增量越小，意味著變形控制越好。對(duì)基坑邊坡側(cè)壁而言，方案2比方案1基坑側(cè)壁位移增量減少67%，見(jiàn)表3，說(shuō)明對(duì)基坑邊坡進(jìn)行及時(shí)支護(hù)對(duì)抑制變形非常有效。

圖8 坡體變形云增量圖(步驟3-方案3)

表3 基坑開(kāi)挖及不同支護(hù)方式下變形計(jì)算結(jié)果

2) 基坑開(kāi)挖及不同支護(hù)方式對(duì)橋梁樁基變形的影響

基坑開(kāi)挖及不同支護(hù)方式對(duì)樁基變形影響顯著。從表3可知，方案1在坡面、坡面平臺(tái)、樁頂附近區(qū)域均產(chǎn)生約14 mm～29 mm位移增量，方案2僅在樁頂附近區(qū)域產(chǎn)生約14 mm位移增量，方案3僅在錨拉樁頂位置產(chǎn)生2 mm位移增量;基坑邊坡位移增量最大值隨支護(hù)措施的增強(qiáng)而減少，發(fā)生最大變形的位置也逐漸遠(yuǎn)離橋梁樁基，故橋梁樁基的變形量也隨支護(hù)措施的增加而明顯減少，其中，方案2比方案1樁基位移增量減少71%，方案3比方案1的樁基位移增量減少92%，說(shuō)明對(duì)基坑邊坡及時(shí)支護(hù)措施越強(qiáng)，對(duì)抑制鄰近橋梁樁基變形效果越顯著。

從工程實(shí)施上來(lái)說(shuō)，方案2和方案3中橋梁樁基位移增量最大值同為mm級(jí)，若橋梁基礎(chǔ)變形在容許范圍內(nèi)，方案2施工更為便捷，經(jīng)濟(jì)性更為顯著。

3) 橋梁樁基與斜坡協(xié)調(diào)變形影響

從圖5～圖7可見(jiàn)，基坑開(kāi)挖及支護(hù)后，橋梁樁基附近的云圖均出現(xiàn)了較為明顯的拐點(diǎn)，樁基后的坡體變形增量急劇變小，說(shuō)明橋梁樁基對(duì)附近區(qū)域的坡體變形產(chǎn)生一定的抑制作用，并與坡體發(fā)生了協(xié)調(diào)變形。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合某高架橋下基坑開(kāi)挖案例，本文嘗試采用強(qiáng)度折減有限元方法分析基坑開(kāi)挖引發(fā)的斜坡穩(wěn)定性對(duì)鄰近高架橋樁基變形的影響，得出如下結(jié)論：

1) 強(qiáng)度折減有限元法能夠考慮開(kāi)挖施工過(guò)程對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響，能夠計(jì)算出開(kāi)挖支護(hù)后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算出坡體與樁基協(xié)調(diào)變形量，并較為真實(shí)地模擬其變形發(fā)展趨勢(shì)，計(jì)算過(guò)程中有2點(diǎn)值得特別關(guān)注：一是擬合實(shí)際情況試算選取合理的巖土體力學(xué)參數(shù)，使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際情況；二是開(kāi)挖及支護(hù)的變形影響分析中，采用計(jì)算的位移增量，應(yīng)避免誤讀累積位移量導(dǎo)致研判依據(jù)失真。

2) 基坑開(kāi)挖首先要保障基坑邊坡的穩(wěn)定性，防止因其失穩(wěn)導(dǎo)致鄰近橋梁結(jié)構(gòu)受損。但即便是基坑邊坡穩(wěn)定，坡體及其鄰近橋梁基礎(chǔ)仍可能發(fā)生較大的變形，變形能否致使橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全隱患，有必要從基礎(chǔ)變形及其導(dǎo)致的橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化等方面，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行專項(xiàng)安全評(píng)估。

3) 當(dāng)鄰近橋梁等重要結(jié)構(gòu)物時(shí)，除保障基坑邊坡穩(wěn)定以外，基坑開(kāi)挖及支護(hù)方案比選，還可從控制變形的角度，結(jié)合施工便捷性、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)一步研究。