張玉璽 谷任國

（華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641）

0 引言

橋梁、電塔等基建發(fā)展迅速，在山體邊坡上進(jìn)行橋梁樁基施工也越來越常見，但邊坡本身存在穩(wěn)定性不足等風(fēng)險，在其上進(jìn)行樁基施工可能會產(chǎn)生潛在的安全隱患。為了保證這類基礎(chǔ)施工的安全性，需要加強(qiáng)基礎(chǔ)施工對地形穩(wěn)定性影響的研究。

目前研究主要分為邊坡上樁基水平受力分析與豎向受荷對邊坡穩(wěn)定性影響以及樁基變形影響兩個方面。在關(guān)于邊坡上受到水平荷載作用時，王鑒[1]對土質(zhì)邊坡坡頂?shù)膭傂詷哆M(jìn)行模型試驗與有限元模擬分析，坡角越大，樁身發(fā)生破壞時位移越顯著。楊明輝[2]對邊坡造成的樁基土抗力折減進(jìn)行研究，邊坡上樁基水平承載力會弱于平地狀態(tài)。彭文哲[3]分析了水平荷載作用下的樁基對邊坡穩(wěn)定性的影響，提出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)半理論半經(jīng)驗方法，且得出樁基自坡腳向坡頂移動過程中，邊坡穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。在邊坡上樁基受到豎向荷載作用時，萬丹丹[4]對人工高陡邊坡上的大直徑灌注樁的受力進(jìn)行數(shù)值分析，研究豎向荷載大小、樁長以及樁徑等因素對樁基承載力的影響。豎向荷載增大時對樁基受力與承載有利。藺鵬臻[5]也對邊坡效應(yīng)下樁基受力進(jìn)行分析，邊坡效應(yīng)會使樁基受力增加。趙明華[6]通過有限元分析，研究邊坡地層內(nèi)摩擦角，樁基豎向荷載，樁基水平荷載、邊坡坡度、粘聚力、樁徑等因素對樁基變形的影響，得到樁周巖體的強(qiáng)度對樁基位移和內(nèi)力影響最大。因此需考慮樁周開挖時的影響。陳欣[7]研究了邊坡內(nèi)建筑樁基對邊坡內(nèi)力的影響，當(dāng)邊坡處于非極限狀態(tài)時，樁基會使邊坡側(cè)向土壓力增大。在實際施工時必須考慮樁基對邊坡穩(wěn)定性的影響。楊進(jìn)[8]通過有限元分析，計算高邊坡條件下的樁基受力特性，得出巖土性質(zhì)對樁基影響明顯，在計算過程中要考慮樁基所處土層分別計算。

在上述研究中主要考慮土層、樁基參數(shù)對穩(wěn)定性的影響，通過改變樁基的受荷狀態(tài)，樁基布置方式以及研究邊坡坡角、底層分布等分析影響穩(wěn)定性的因素，但對樁基施工過程對邊坡作用的關(guān)注較少，而本文則基于整個施工過程進(jìn)行分析，研究各個施工階段對邊坡穩(wěn)定性的影響，總結(jié)出對邊坡穩(wěn)定性影響最大的施工階段。

1 工程概況

該工程由于片區(qū)工程建設(shè)進(jìn)行土方挖填，導(dǎo)致出現(xiàn)多處挖方及填方邊坡。其中工程北側(cè)邊坡為挖方邊坡，邊坡高度為5.4～47.2m，邊坡主要位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖底層，最大邊坡級數(shù)為5級，每級邊坡高度為9m，邊坡采用格構(gòu)梁+錨桿+客土噴播的支護(hù)形式。電塔位于該邊坡上且具有四個支墩，電塔樁基礎(chǔ)采用人工挖孔樁，其中Q1電塔支墩樁基位于三級邊坡，樁基直徑2.6m；T1電塔支墩樁基位于一、二級邊坡，樁基直徑1.6m。

場地土層普遍為第四系松散層。場地內(nèi)邊坡主要由人工填土、坡積土、殘積土、全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化組成，局部為中風(fēng)化花崗巖組成。場地地下水按水介質(zhì)類型主要分為孔隙水、基巖裂隙水，水位埋深0.5～7.00m；土層具體參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)取值表

圖1與圖2分別為Q1鐵塔樁基與T1鐵塔樁基在邊坡上的位置。Q1塔4個基礎(chǔ)坐落在第三級邊坡，四條支墩與格構(gòu)梁和錨桿沖突，且Ⅰ、Ⅲ支墩與排水溝相切。T1塔4個基礎(chǔ)位于第一、二級邊坡，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ支墩與邊坡既有格構(gòu)梁和錨桿沖突，且Ⅳ腿與排水溝沖突。由圖可知，樁基施工過程中會破壞既有邊坡支護(hù)，對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而對鐵塔樁基穩(wěn)定性造成影響，存在潛在風(fēng)險，因此對樁基施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析邊坡穩(wěn)定性與影響因素。

圖1 Q1電塔樁基與邊坡相對位置圖

2 數(shù)值模型的建立

根據(jù)實際工程地質(zhì)情況，考慮地下結(jié)構(gòu)與周圍地層的相互作用，采用地層-結(jié)構(gòu)法建模。在模型內(nèi)采用有限元強(qiáng)度折減法（SRM），將邊坡穩(wěn)定性計算中的粘聚力與內(nèi)摩擦角逐漸減小，直至達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)，此時的折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)。

為消除尺寸效應(yīng)的影響，計算模型幾何尺寸長、寬、高取100m×100m×145m。模型側(cè)向加水平約束，底部加豎向約束，頂部不施加約束。模型中土體、電塔樁基礎(chǔ)采用三維實體單元，格構(gòu)梁采用線單元。地面超載20kPa，樁基參數(shù)與受力按照表2與表3取值。模型中各土層和構(gòu)件材料均考慮自重作用，土體采用摩爾庫倫理想彈塑性模型，樁身結(jié)構(gòu)采用彈性模型。圖3為建立的數(shù)值模型。

圖3 數(shù)值模型示意圖

表2 電塔樁基參數(shù)

根據(jù)實際施工情況，在工況中設(shè)置5個施工步驟，如圖4所示，分別為初始應(yīng)力場計算、邊坡現(xiàn)狀計算、平整樁基范圍場地、樁基成孔、樁基澆筑。在計算過程中，分別得到各個施工步驟的位移變形云圖與塑性應(yīng)力圖，分析邊坡的位移、應(yīng)力變化與穩(wěn)定性系數(shù)。

圖4 數(shù)值模擬工況

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

（1）圖5為自然狀態(tài)下云圖。在此階段只考慮重力作用，計算邊坡的潛在滑動面。由計算結(jié)果可知邊坡穩(wěn)定性系數(shù)FS為1.4，根據(jù)邊坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)可知，當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)FS>1.15時，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。由圖5(a)可知，在坡腳處應(yīng)變大，因此處坡面較陡，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以在后續(xù)施工過程中，需考慮施工過程對坡腳的影響，防止因應(yīng)力過大，發(fā)生破壞的風(fēng)險。圖5(b)為應(yīng)變最大值截面圖，其潛在滑動面由坡頂開始延伸，且處于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層中。綜上，邊坡在自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 初始階段云圖

（2）圖6為樁基周圍場地整平階段云圖。此時對樁基周圍土層進(jìn)行整平，會對邊坡整體產(chǎn)生一定擾動，因此分析其位移與應(yīng)力變化情況。圖6(a)為平整場地時的總位移云圖。因在此階段施工時盡量減少對邊坡的擾動，只在樁基范圍內(nèi)產(chǎn)生較大位移變形，最大位移為42.31mm。在距離整平范圍較遠(yuǎn)的位置，變形在10mm左右，未對邊坡產(chǎn)生安全影響。圖6(b)為應(yīng)力分布圖，此時應(yīng)力只集中在樁基整平位置處，與實際施工情況相吻合，在此處開挖時產(chǎn)生一定的應(yīng)力變化。自然狀態(tài)下的應(yīng)力向開挖處釋放。最大壓應(yīng)力值為0.067，在Q1塔位置處，因Q1塔基全部位于第三級邊坡處，因此所受力基本為豎向應(yīng)變。最大應(yīng)變值為1.32，出現(xiàn)在T1塔樁基上，T1塔基橫跨一、二級邊坡，在其交界處應(yīng)力更為集中。圖6(c)為應(yīng)變最大處截面，此時潛在滑動面未發(fā)生變化，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 場地整平階段云圖

（3）圖7為樁基孔開挖階段分析圖。由圖7(a)總位移圖可知，在樁基孔開挖階段邊坡位移顯著增大。最大位移出現(xiàn)在T1塔樁基處，最大位移值為282.32mm，在其余樁基位之初位移也顯著增大。位移差異是由于邊坡所處位置不同，位于坡角處的樁基更易發(fā)生變形，豎向位移也大于其余位置，與相關(guān)研究相符。樁基孔位處的開挖過程也破壞了原有的邊坡支護(hù)，地下錨桿被破壞也是位移過大的原因之一，邊坡狀態(tài)發(fā)生變化，穩(wěn)定性受到影響。由于此時位移顯著，邊坡易發(fā)生滑動危險，在此階段需注意邊坡狀態(tài)，將位移控制在合理范圍內(nèi)，同時做好孔位防護(hù)工作。圖7(b)為應(yīng)變圖，最大應(yīng)變分布在坡腳與坡頂位置，此時坡腳最大應(yīng)變值3.1，為自然狀態(tài)下的3～4倍，邊坡應(yīng)力由樁孔位置處傳遞至坡腳位置，當(dāng)此處應(yīng)變值繼續(xù)增大時邊坡則可能會發(fā)生破壞的風(fēng)險。圖7(c)為應(yīng)變最大處截面，此時滑動面位置逐漸集中，在開挖過程中滑移面逐漸向強(qiáng)度較弱土層移動，當(dāng)應(yīng)力逐漸增大時會在坡面發(fā)生滑動。此時滑移面仍在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖內(nèi)，邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。即只要合理控制施工過程，邊坡發(fā)生破壞的風(fēng)險較小，因坡腳為應(yīng)力集中處，在施工過程中需嚴(yán)格控制坡腳處的防護(hù)工作。

圖7 樁基成孔階段云圖

（4）樁基澆筑階段是整個施工的最后一步，此時需注意澆筑過程中的邊坡位移與應(yīng)力變化（見圖8）。由圖8(a)總位移圖可知，在澆筑完成后邊坡位移未發(fā)生明顯變化，主要沉降仍發(fā)生在電塔樁基礎(chǔ)位置處，表明在澆筑階段發(fā)生位移破壞的風(fēng)險較小，只需控制樁孔周邊沉降即可。由圖8(b)應(yīng)變分布可知，樁基澆筑完成后，雖然坡腳處仍為應(yīng)變集中處，但應(yīng)變值明顯減小，而坡頂應(yīng)變值未發(fā)生明顯變化。即樁基澆筑完成后可減小坡角處應(yīng)變，此時樁基發(fā)揮一部分抗滑樁作用，承受邊坡的水平荷載，對邊坡穩(wěn)定性具有一定的加強(qiáng)作用，且在實際施工階段坡頂所受影響較小，不構(gòu)成安全隱患，在施工時可適當(dāng)減少對坡頂?shù)姆雷o(hù)。圖8(c)為應(yīng)變最大處截面，此時已無明顯的滑移面，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。由于樁基穿過黏土層，達(dá)到強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層，因此邊坡的一部分水平荷載由樁基承擔(dān)，邊坡穩(wěn)定性顯著提高。

圖8 樁基澆筑過程云圖

根據(jù)上述施工階段分析可知，在樁基成孔階段最易發(fā)生破壞風(fēng)險，此時樁基周圍的區(qū)域位移變形較大，坡角處應(yīng)變值較大，應(yīng)力較為集中，在此時應(yīng)注意加強(qiáng)樁基周圍的防護(hù)與坡腳處的加固，防止邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)風(fēng)險。而在澆筑完成后邊坡穩(wěn)定性由于樁基承擔(dān)坡體的部分水平荷載而提高。

4 結(jié)束語

通過對自然狀態(tài)、樁基場地整平、樁基成孔、樁基澆筑階段的數(shù)值模擬，分析了邊坡的位移變形、塑性應(yīng)變云圖、應(yīng)變最大值處截面，得到以下結(jié)論：

（1）邊坡上的樁基在成孔階段最易引發(fā)邊坡失穩(wěn)風(fēng)險。此時樁基位置處位移變形較大，但擴(kuò)散作用弱，遠(yuǎn)離成孔區(qū)域時，變形顯著減弱，因此在施工過程中要加強(qiáng)對樁孔的防護(hù)工作。

（2）在整個施工階段過程中，坡腳始終是應(yīng)變集中處，易因施工引起的應(yīng)變導(dǎo)致坡腳發(fā)生破壞，進(jìn)而加劇邊坡整體滑移的風(fēng)險。在實際施工時要強(qiáng)化坡腳處的支護(hù)。坡頂受樁基施工影響較小，無明顯變化。

（3）在樁基施工完成后，因樁基承擔(dān)一部分水平荷載，會使邊坡穩(wěn)定性提高，因此在控制好前期施工階段后，邊坡上樁基對邊坡穩(wěn)定性也有一定加強(qiáng)作用。