山區(qū)斜坡高差下橋梁樁基受力與防護分析

摘要：橋梁樁基在高陡坡上由于邊坡的存在，與扁樁基礎相比，結構荷載的作用更為復雜。為了精準地分析橋梁樁基受力特點，并提出相應的防護措施，文章以廣西崇左西環(huán)線標段為例，分析不同荷載作用下樁基受力和位移情況，并按上部結構樁基邊坡相互作用影響程度，構建受力模型，確定自由段、受力段、嵌固段受力情況，最后提出排水防護、削方減載防護、回填壓腳防護三種防護措施。研究表明：該方法能夠精準分析橋梁樁基受力情況，但國內研究較少，還可進一步完善。

關鍵詞：山區(qū)斜坡;高差;橋梁樁基;受力;防護

文獻標識碼：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。橋梁樁基在高陡坡上由于邊坡的存在，不僅要承擔上部結構向樁頂組合荷載作用，還要承擔由山體變形引起的剩余滑移力[1]，與扁樁基礎相比，橋梁樁基結構荷載的作用更為復雜[2]。以往提出了一種以地基系數為常數的樁基，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措施，采用該方法未考慮山區(qū)陡坡復雜形勢，導致橋梁樁基受力分析內容不全面，相應的防護措施不具有代表性;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，忽略了樁頂復雜荷載作用，很難與實際橋梁樁基受力狀況相吻合，導致橋梁樁基防護效果較差;結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，確定橋梁樁基結構力學性能，使用該方法未考慮到邊坡坡度對樁基穩(wěn)定性的影響，導致樁基受力分析結果不精準，相應防護措施效果較差。為此，本文根據山區(qū)斜坡上橋梁樁基的受力特點，提出了山區(qū)斜坡高差下橋梁樁基受力與防護研究。

1 橋梁樁基荷載實驗

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)線標段為例，按照山區(qū)斜坡高差下橋梁樁基受力與防護方法對其研究效果進行驗證分析。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，容易出現滑坡現象（如圖1所示）。

由圖1所示的滑坡現象分析，實際高差H對橋梁樁基產生了兩種破壞形式，分別是流動模式和短樁模式。

1.1 豎向荷載作用

將荷載傳遞到樁底堅硬處，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，由內至外逐漸消失。樁的周向應力隨周向摩擦阻力變大而增加，產生這種現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力形式傳遞下去，而樁周剪應力隨著豎向荷載變化而發(fā)生改變。

距離孔緣2 m以內，孔緣應力開始由近及遠逐漸減小，該范圍的應力變化不大。在選擇荷載條件時，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，需增加斜坡剪應力，勢必會造成結構面落差，嚴重影響邊坡局部穩(wěn)定性，滑坡災害出現的概率有所增加。

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。由于樁側土體的水平承載力和樁側土體的抗側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，不可避免地受制動力的影響，出現橫向荷載，該荷載的產生影響了橋梁樁基水平承載能力。因此，在樁頂上，應沿著斜坡高度差施加橫向荷載，并分析樁基側面土體抗力。橫向應力主要集中在樁頂巖體和邊坡一側，豎向應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。當橫向荷載增加到400 kN時，豎向位移達到最大值為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，研究結果表明，橫向荷載在一定程度上影響了樁基變形情況。總之，橋梁樁基橫向荷載對樁基水平位移和豎向位移都會產生一定影響。

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到樁端依次減小，說明此時的橋梁樁基是沿樁身逐漸下降的，此時樁側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 受力計算模型

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

2.1 模型構建

斜坡上的橋梁樁通常通過上覆風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，按上部結構樁基邊坡相互作用影響程度，將其分成三個階段，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構傳遞下的組合荷載，還承受坡面巖土體變形所產生的坡體下滑力、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引起樁身較大彎曲或撓曲變形、樁身撓曲變形的出現，還會使豎向荷載產生附加彎矩，附加彎矩又會影響樁身撓曲變形的增加;對于受力段來說，因為有斜坡的存在，樁前巖土體提供的水平抗性會明顯降低，或者完全退化;對于嵌固段來說，在巖層達到一定深度后，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 受力計算

根據構建的受力模型確定坡體下滑力、橋梁樁基抗力、樁身軸力，對于各個受力展開詳細分析。

2.2.1 坡體下滑力

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

F1=as2+bs+c （1）

式中：s——三角形分布的樁后坡體計算點到樁端頂距離（m）;

a、b、c——坡體所受的三個分解下滑力斜面摩擦系數。

2.2.2 橋梁樁基抗力

橋梁樁基結構或結構構件和環(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行分析，計算公式為：

F2=ηK（s）Hx （2）

式中：η——橋梁樁基抗力折減系數;

K（s）——橋梁樁基抗力系數;

H——橋梁樁基有效計算寬度（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，當橋梁樁基受拉力時，軸力變?yōu)槔?，指向為背離截面;當橋梁樁基受壓力時，軸力變?yōu)閴毫?，指向為正向截面[8]。樁身摩擦阻力隨著深度線性發(fā)生改變，樁身軸力計算公式為：

F3=W0+fs （3）

式中：f——軸力增長系數。

3 計算結果分析

3.1 流動模式

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

由圖3可知，在流動模式下，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遠大于土體彎矩，而在滑面下層的樁基彎矩逐漸變小，當深度超過20 m時，滑面下層樁基彎矩小于土體彎矩。

根據流動模式下的位移、彎矩標準，分別使用以地基系數為常數研究方法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研究方法R4，對樁基位移、彎矩情況展開分析，結果如圖4所示。

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

3.2 短樁模式

滑面較深時，由于樁基受流土的推動穿透穩(wěn)定土層，使其強度得到充分發(fā)揮，最大彎矩出現在滑動面以上的流土中，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遠小于土體彎矩，而在滑面下層的樁基彎矩雖然變小，但也小于土體彎矩。根據短樁模式下的位移、彎矩標準，分別使用四種方法對樁基位移、彎矩情況展開分析，結果如圖6所示。

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

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

4 橋梁樁基滑坡防護

4.1 擋墻原理

通過分析山區(qū)斜坡上橋梁樁基受力情況，為滑坡危害防護提供數據支持，同時提出防護措施。清理塌陷坡面上的塌陷體，需在墩臺外側施工便道上修筑混凝土擋墻，對墻后回填、壓實至坡面;在防止坡體進一步坍塌同時，增加樁側巖土體厚度，提高樁基承載力;漿砌片石滿鋪防護在擋墻上坡面至墩底系梁邊，防止雨水滲入破碎物內部。

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

4.2 防護措施

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

4.2.1 排水防護

對于排水防護措施，應設置周邊截流溝，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在5～10 m內有可能發(fā)生滑坡的位置。設計截面大小根據可能的最大洪峰流量和被截流地表水集水區(qū)來確定，并在墻內設置面向截流溝的排水孔。

4.2.2 削方減載防護

削方減載防護措施，應根據滑坡土壤破壞面的分布、滑坡的變形破壞規(guī)模和滑坡本身的強度等因素來決定，對滑坡的穩(wěn)定安全系數進行深入分析和研究，結合實際切邊量的位置和負荷，對滑坡體上、后部進行清理，嚴禁將滑坡體前、中部切割。前部土層松動、破碎時，應根據實際情況適當拆除。

4.2.3 回填壓腳防護

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

5 結語

本文根據橋梁樁基受力特點，研究山區(qū)斜坡高差下橋梁樁基受力情況，并提出滑坡防護措施，通過實驗證實該研究方法與實際情況一致。雖然使用該方法能夠精準分析橋梁樁基受力情況，但國內研究較少，屬于一個新的研究領域。

為進一步完善該項目，提出了兩個工作重點：

（1）研究僅限于分析單樁基礎，實際上，雙排樁、柱墩或群樁也是橋梁基礎。為此，需要進一步研究樁土共同作用對樁基礎傳遞荷載的影響。

（2）在邊坡坡段應開展橋梁樁基試驗，從試驗中提取實測數據，方便與有限元計算結果對比分析，驗證所研究方法的有效性。

參考文獻

[1]王彬力.高陡邊坡下橋梁樁基受力與防護設計探析[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自由段樁長確定方法[J].中國鐵道科學，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鍵技術研究[J].施工技術，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，2018，39（8）：311-319.

[5]陳發(fā)東.盾構隧道施工對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)斜坡樁基地震響應的離心模型試驗[J].中國公路學報，2018，31（9）：43-51.

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

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。