黄土冲沟区桥梁下部结构安全影响因素研究

刘 毅 魏 进 冯忠居

(1．西安市市政建设(集团)有限公司，陕西西安 710000; 2．长安大学公路学院，陕西西安 710064)

0 引言

在诸多工程地质灾害事故中，滑坡、泥石流位居前二位[1-9］。黄土滑坡是黄土地区最为严重的地质灾害，据不完全统计，陕西省已发生黄土滑坡1 131处，兰州地区1 300处，甘肃省东部4 576处[10］;泥石流是水土流失的一种特殊形式，黄土高原地区大范围灾害性泥石流和降雨量关系密切，其活动频率偏低，但其危害程度巨大，如1933年渭河下游及1981年秦岭北坡发生的泥石流[11］;我国黄土高原总面积约64万km2，而水土流失面积高达43万km2，年输入黄河泥沙量达16亿t，黄土高原的坡耕地及冲沟区域是黄河泥沙的主要来源地[12］。

黄土冲沟是黄土堆积上暂时性线状水流侵蚀作用形成的沟谷。以沟深、壁陡、侵蚀作用显著为特征，主要发育在黄土覆盖较厚以及植被稀少的地区。冲沟多狭而深，深度一般由数米到十几米，有的达数十米，长度从数百米到数千米。黄土冲沟特殊的沟谷地貌，以及黄土结构疏松、节理裂隙发育且极易遭受暴雨和水流侵蚀的特性，决定了冲沟区域滑坡、泥石流及土体流失等灾害的频发，这些地质灾害对桥梁的安全带来了巨大危害[13-15］。本文就上述黄土冲沟区域典型地质灾害对桥梁下部结构的影响进行分析，提出了滑坡推力和泥石流冲压力作用下墩台及桩基内力计算方法，并提出相应的安全防护技术。

1 滑坡及泥石流对桥梁下部结构稳定性影响的力学分析

桥梁桩基一般不会直接受到外力的影响，但桥梁墩台受到滑坡推力等外力时，桩基的内力必然增大，若在桩基设计时对此情况考虑不足，桩基可能会因为配筋不合理而开裂。因此，首先应分析桥梁墩台所受外力对墩柱的影响，再将墩台受到的外力叠加至桩身，进而计算桩体的内力。

图1为常见桥梁典型断面形式，桥梁墩台受到的滑坡推力和泥石流冲压力属偶然荷载，出现几率小，强度验算时不考虑车辆荷载作用，在不利工况下其受力模式可简化为如图2所示的刚架模式，图2中P为桥梁上部结构通过支座传递下来的汽车荷载，q2为桥梁上部结构自重，q3为滑坡推力或泥石流冲压力。为计算方便，将汽车荷载P和滑坡推力q3等效转化为均布荷载，简化后的受力图见图2。

一般情况下，滑坡体影响一侧墩柱，而泥石流具有流体性质，故其对两侧墩柱均有影响，两种外力对墩柱受力弯矩图见图3。桥梁盖梁一般为短悬臂结构，由结构力学，滑坡推力作用下A，B点的弯矩根据式(1)计算，泥石流冲压力作用下的A，B点的弯矩按式(2)计算，式中带角标T的量代表受滑坡推力影响下的弯矩值和变量，带角标C的量代表受泥石流冲压力影响下的弯矩值和变量。

其中，a为墩台中心到盖梁边缘的距离;b为墩台中心距;h为墩台的高度;h1T，h1C分别为滑坡推力和泥石流整体冲压力在墩台上的分布高度分别为滑坡推力和泥石流整体冲压力对墩台的作用;X1，X2，X3均为中间变量，按式(3)计算。

其中，δij为单位位移系数;Δip为单位荷载位移，二者与结构的尺寸、抗弯刚度EI有关。对于同一结构形式，无论荷载如何变化，δij始终保持不变，而Δip与荷载的大小和位置有关。δij由式(4)求出，ΔipT和 ΔipC分别由式(5)和式(6)求出[16，17］。

滑坡推力q3T采用传递系数法计算，见式(7)，式(8)计算，泥石流整体冲压力按式(9)计算。

滑坡推力:

泥石流整体冲压力:

其中，γc为泥石流容重，t/m3;Vc为泥石流流速，m/s;g为重力加速度，m/s2;α为泥石流冲压力方向与墩台表面的夹角，(°);λ为墩台截面形状系数，圆形截面λ=1．0，矩形截面λ=1．33，方形截面 λ =1．47。

式(9)计算的是泥石流整体冲击力，当泥石流中含有大石块时，将会对墩台形成冲击，虽然泥石流的运行速度缓慢，但由于石块的体积巨大，其对墩台的影响不可忽视，泥石流石块冲击力按式(10)计算[18］。

其中，E为墩台的弹性模量，Pa;J为墩台截面中心轴的惯性矩;L为墩台高度，m;V为石块运行速度，m/s;α为石块运行方向与墩台表面的夹角，(°);W为石块重量，t。

将求出的 X1，X2，X3，q3T，q3C及 q3C石代入式(1)和式(2)，即可求得墩台的最大弯矩值，根据此最大弯矩值可进行配筋和强度验算。

以上是墩台在受到各种外力时的内力计算方法，将上述计算过程中的外力q1，q2，q3T，q3C及q3C石叠加至桩顶，即可计算桩基的内力和位移，进而按照计算的结果进行配筋和强度验算，详细计算过程见JTG D63-2007公路桥涵地基与基础设计规范。

2 土体流失对桩基稳定性的影响分析

桥梁桩基是由桩周土的侧向支撑的细长型柱体结构，如果没有侧向支撑力或者侧向支撑力降低，桩基将在屈曲不稳定性中失效或者破坏，从而可能造成人员伤亡和经济损失。黄土冲沟区土体流失导致的桩周土体的缺失是影响桩基安全的重要因素，其示意图见图4。

桩周土体流失导致了桩基自由长度增加，桩基受到土体侧向作用力时的桩身挠曲曲线必然发生变化(见图4)，同时，桩侧土体侧向作用力H的大小及作用点位置也发生变化。桩基的承载特性、内力和位移等形状受到桩基前后土体流失量、桩周土的性质、桩基的材料和尺寸等多种复杂因素影响，下面分三种情况作定性分析。

2．1 桩基位于冲沟斜坡中部，桩基上、下边坡土体均流失

斜坡坡体发生大面积流失，即桩基前后土体均发生流失，桩基的自由长度增长，土体流失的卸载作用使H值减小，作用点位置降低，桩周土抗力也随之降低。桩基挠曲曲线第一、二零点位置下移，但桩身挠曲位移量降低;桩身最大弯矩截面位置降低，最大弯矩值减小;桩在地面处横轴向位移量减小，桩顶处的位移增大;桩周土对桩身的嵌固作用明显降低，桩基横轴向承载力及稳定性明显降低。

2．2 桩基位于冲沟斜坡底部，桩基上边坡土体流失，下边坡土体流失不明显

当桩基位于冲沟斜坡底部，桩基上边坡土体流失量远远大于下边坡时，桩基的自由长度增长量较第一种情况小，土体流失的卸载作用使H值减小，作用点位置降低，桩周土抗力无明显变化。桩基挠曲曲线第一、二零点位置下移，下移量较第一种情况小，同时桩身挠曲位移量降低;桩身最大弯矩截面位置降低，最大弯矩值减小;桩在地面处横轴向位移量减小，桩顶处的位移增大;桩周土对桩身的嵌固作用基本不变，桩基横轴向承载力及稳定性基本保持不变。

2．3 桩基位于冲沟斜坡上部，桩基下边坡土体流失，上边坡土体流失不明显

当桩基位于冲沟斜坡顶部，桩基下边坡土体流失量远远大于上边坡时，桩基的自由长度增长量较第一、二种情况均大，H值和作用点位置基本不变，桩周土抗力降低程度较第一、二种情况均大。在这种情况下，桩基挠曲曲线第一、二零点位置下移，下移量较第一种情况大，同时桩身挠曲位移量增大;桩身最大弯矩截面位置降低，最大弯矩值明显减小;桩顶处及桩在地面处横轴向位移量明显增大;桩周土对桩身的嵌固作用显著降低，致使桩基横轴向承载力及稳定性显著降低。

综上所述，当桩基位于冲沟坡体不同位置时，土体流失对桩基横轴向承载力及稳定性的影响量亦不同。具体如下(式中角标代表桩基在斜坡的位置):

桩侧土体作用力减小量ΔH:ΔH底＜ΔH中＜ΔH顶;

桩基自由长度减小量 ΔL:ΔL顶＜ΔL中＜ΔL底;

桩基挠曲曲线第一零点位置降低量Δl:Δl底＜Δl中＜Δl顶;

桩基最大弯矩值降低量 ΔMmax:ΔMmax顶＜ ΔMmax中＜ ΔMmax底;

桩顶横轴向位移增大量 Δx:Δx底＜Δx中＜Δx顶;

桩基横轴向承载力减小量ΔR:ΔR底＜ΔR中＜ΔR顶;

桩基稳定程度减小量ΔW:ΔW底＜ΔW中＜ΔW顶。

3 安全防治技术

3．1 滑坡防治技术

3．1．1 改善坡形和填筑反压

改善坡形，削方卸载，减小下滑推力对滑坡前部加载(反压)，以增加抗滑力;对滑坡后部(主滑段和牵引段)削坡减重，以减少下滑力，最终达到稳定滑坡目的。

3．1．2 排水措施

设置截水沟、排水沟、急流槽等防止雨水入渗和减少雨水对坡面的冲刷侵蚀。3．1．3 支挡

支挡是工程处治措施中用得最多的一种形式，共有三大类:1)利用自身重量抵抗下滑的重力式抗滑挡土墙;2)利用岩体锚固力抵抗下滑的锚杆(锚索)柱板式挡土墙;3)利用自身抗弯强度抵抗下滑的抗滑桩、板式挡土墙。

3．2 泥石流防治技术

3．2．1 桥位的选择

尽量避免将桥墩设置在冲沟高陡夹石边坡的下缘位置，桥位避免选在山坡下的变坡点上，最好应选在山坡上，以利于泥石流的排泄。

3．2．2 桥梁设计原则

尽量不在泥石流流动区域内设置桥墩，采用一孔跨越是最为理想的措施。在桥墩迎水方向前端采用具有分流作用的防撞击措施。还应充分考虑泥石流对桥墩的冲刷掏空桥梁基础的问题。3．2．3 生物措施

保护与营造森林、灌木丛和草本植被，开发先进的农牧业技术和进行科学的山区土地资源开发管理等全流域综合治理措施。3．2．4 排导措施

排导措施主要包括槽、堤和坝三大类型。V形固床槽多用于泥石流形成区，起固定沟床、稳定山体、减少崩塌、滑坡和河床堆积物参与泥石流活动的作用。修建排洪道和导流堤用于泥石流沉积区，具有改善流速、引导流向的功能。

3．2．5 防护工程

防护工程主要有:防撞墩、护坡、挡墙、顺坝、丁坝以及钢筋(竹)石笼等设施，必要时可以设置多道拦挡设施或与拦排措施相结合，综合处治，以保证桥梁墩台及基础的安全使用。

3．3 水土流失防治技术

3．3．1 坡面植被防护

坡面植被防护包括:骨架植草护坡、直接植草(灌木)土工合成材料加筋植草护坡、喷播植草护坡等。

3．3．2 坡面工程防护

工程护坡一般采用框格、抹面、捶面和喷浆、坡面护墙等，框格防护用混凝土、浆砌片(块)石等材料，在边坡上形成骨架，提高了边坡表面粗糙度系数，减缓了水流速度，从而防止土体流失。

4 结语

1)建立了桥梁下部结构在滑坡推力和泥石流冲击力作用下的简化计算模型，提出了墩台和桩基内力的计算方法，应用此法可验算墩台和桩基的强度和位移。

2)对比分析了水土流失后桩基分别位于冲沟斜坡底部、中部和上部时的性状，包括:桩侧土体作用力、桩基自由长度、挠曲曲线第一零点位置、最大弯矩值降低量、横轴向位移增大量、横轴向承载力减小量、稳定程度减小量等性状。

3)提出了针对黄土冲沟区域滑坡、泥石流和水土流失的防治技术。

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