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(guó)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(shí)碼：U441+.5-A-24-078-4

0 引言

鑒于公路的線形和環(huán)保問(wèn)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(shì)，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(duì)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(duì)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(guò)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(guò)樁身軸力承載的，而兩者組合而成的荷載共同承受來(lái)自不同方向的力，因此，對(duì)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(duì)其研究效果進(jìn)行驗(yàn)證分析。該路線全長(zhǎng)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(wàn) 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(duì)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(zhǎng)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(kāi)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(duì)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(shì)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(shì)與平地處變化趨勢(shì)一致，都呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。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(wàn)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(duì)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(zhǎng)趨勢(shì)。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(duì)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(shì)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(shuō)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(duì)位移，通過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)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?yè)锨冃蔚某霈F(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?yè)锨冃蔚脑黾?對(duì)于受力段來(lái)說(shuō)，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(duì)于嵌固段來(lái)說(shuō)，在巖層達(dá)到一定深度后，嵌巖深度不斷增加，這對(duì)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(duì)于各個(gè)受力展開(kāi)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(duì)橋梁樁基影響情況，需對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(duì)樁基位移、彎矩情況展開(kāi)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(zhǎng)0.15 m，當(dāng)深度超過(guò)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(zhǎng)一致，當(dāng)深度未超過(guò)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(zhǎng)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(duì)樁基位移、彎矩情況展開(kāi)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(guò)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(guò)上述對(duì)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(guò)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(tái)外側(cè)施工便道上修筑混凝土擋墻，對(duì)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(duì)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(duì)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(kù)水位以下，且地勢(shì)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(duì)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(lái)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(lái)決定，對(duì)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(duì)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(tái)?；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(yǔ)

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(guò)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(guó)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?jī)H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(duì)樁基礎(chǔ)傳遞荷載的影響。

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

參考文獻(xiàn)

[1]王彬力.高陡邊坡下橋梁樁基受力與防護(hù)設(shè)計(jì)探析[J].公路工程，2018，43（1）：159-164.

[2]董 捷，楊 越，徐永明，等.一種斜坡橋梁樁基礎(chǔ)自由段樁長(zhǎng)確定方法[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2018，160（3）：17-25.

[3]張 麟，方成武，彭琳琳.沿海大斜坡裸巖條件下大直徑鉆孔樁關(guān)鍵技術(shù)研究[J].施工技術(shù)，2018，509（10）：92-94.

[4]趙明華，陳耀浩，楊超煒，等.基于有限桿單元法的陡坡基樁非線性分析[J].巖土力學(xué)，2018，39（8）：311-319.

[5]陳發(fā)東.盾構(gòu)隧道施工對(duì)臨近橋梁樁基及周圍土體影響的模擬研究[J].中外公路，2018，38（6）：177-181.

[6]陳思曉，馮忠居.多雨沖溝區(qū)橋梁樁基橫向承載特性模型試驗(yàn)研究[J].公路交通科技，2018，35（12）：80-89.

[7]賀 煒，羅智猛，尹平保，等.山區(qū)斜坡樁基地震響應(yīng)的離心模型試驗(yàn)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2018，31（9）：43-51.

[8]鄭 輝，李春陽(yáng).某斜坡式海堤工程對(duì)臨近橋梁樁基位移的影響[J].水運(yùn)工程，2018，541（4）：72-77.

收稿日期：2021-03-20

作者簡(jiǎn)介：韋明春（1985—），工程師，研究方向：道路橋梁工程。