分流型防护桩在扎拖特大桥中的应用研究

董 捷 杨 越 武志辉 吴大宏

(1.河北建筑工程学院土木工程学院，河北 张家口 075000；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

分流型防护桩在扎拖特大桥中的应用研究

董 捷1杨 越1武志辉1吴大宏2

(1.河北建筑工程学院土木工程学院，河北 张家口 075000；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

新建扎拖特大桥跨越鲜水河，桥位右岸上方陡峻山崖卸荷裂隙发育，斜坡上分布有一定厚度的碎石土，对桥梁结构及线路安全构成一定的安全隐患。在施工开挖扰动及蓄水后动水位作用下，斜坡覆盖层可能会产生蠕滑变形或局部坍滑，继而影响桥梁主墩安全。鉴于此，须设置永久性支挡防护结构以确保水位波动条件下桥墩的整体稳定，确保桥梁结构及线路运营安全。通过建立不同桩长、不同冠梁角度及与承台不同间距的分流型防护桩数值仿真模型，对承台及桩基稳定性及内力进行分析，计算结果表明：分流防护桩可以将滑坡阻挡并使之沿防护桩绕流，且三角形的稳定性使防护桩的受力性能得到充分发挥，有效降低潜在滑体对承台及桥墩的推力；分流型防护桩最优角度约为60°，最优桩长约为35 m，分流型防护桩与承台桩基的最优间距约为20 m，研究成果为该工程的优化设计提供了科学依据。

桥梁工程；分流型防护桩；受力性能；稳定性；数值分析

0 引 言

山体滑坡会推动承台甚至推断桥墩，对山区桥梁造成严重危害，因此，在山区桥梁建设过程中，需要设置防护桩。防护桩是穿过滑坡体深入滑床的桩柱，一般会布置在滑坡体厚度较薄、推力较小，并且嵌岩段地基强度较高地段，因其具有较强的抗滑力，是一种主要的滑坡抗滑处理措施[1].

图1 扎拖特大桥右岸原地貌

防护桩作为治理滑坡的有效工程措施，在世界各国滑坡治理中占有重要的地位[2-4].迄今为止，针对不同的滑坡类型，已出现不同形式的防护桩处理山体滑坡.双排防护桩是最常用的形式，申永江、唐芬等[5-8]对双排防护桩的计算模型、推力分担设计及冠梁连接方式优化设计进行了研究.以门架式桩为基础，王羽，赵波[9]等建立了h型桩的三维模型，掌握h型桩对边坡稳定性影响效应.为节省防护桩成本造价，廖伟，李长冬[10]等设计了T形横截面防护桩并对截面优化进行研究.对于大型滑坡由于其下滑推力巨大，通常采用设置多排防护桩的方式对其进行加固治理.文献[11-17]对防护桩设计中滑坡推力及嵌固段的力学性能进行研究并应用于实际工程.

当坡体岩土相对脆弱或蓄水后坡体稳定性下降时，防护桩往往无法完美的抑制坡体下滑，此时需要对防护桩进行优化改进，以减小滑坡对承台及桥墩的影响.本文拟采用一种分流型防护桩应用于拟建的扎拖特大桥，可以阻挡滑坡并使滑坡沿防护桩绕流，以此来有效降低滑坡对承台及桥墩的推力.

1 工程概况

1.1 桥梁概况

新建扎拖特大桥跨越鲜水河，全长471 m，起讫里程桩号为K68+706.95～K69+152.95，为3×13 m连续板梁+(92+172+92)m连续刚构+3×13 m连续板梁.鲜水河河谷呈缓“V”形谷，河道顺直，河谷两岸岸坡植被茂密，桥位两岸主墩与承台之间地形平均坡度约38°～50°，承台以上地形较平缓(见图1).

1.2 工程地质条件

桥位两侧斜坡坡脚覆盖全新统崩坡积含块石碎石土，揭露厚度为8～19.1 m，块碎石成分主要为板岩，含量在40%～60%以上，粒径一般为7～20 cm，级配较差，具架空现象，岩体风化作用较强，土石工程分级为Ⅱ类；承台两岸出露基岩岩性为三叠系上统新都桥组中段深灰至灰黑色含绢云母粉砂质板岩夹变质粉砂岩，岩性较致密坚硬，所取岩芯大部呈柱状，小部为碎块状，地质钻孔取芯照片见图2.

图2 右岸2#墩钻孔岩芯

1.3 岸坡稳定性分析

扎拖特大桥右岸为横向缓倾坡，岸坡整体稳定性较好，坡体上覆崩坡积含孤石块碎石土，蓄水后覆盖层可能会产生蠕滑变形或局部坍滑.

右岸岸坡上覆崩坡积块碎石土，揭露厚度为10～20 m，蓄水后右岸可能会产生库岸再造现象，采用简化Bishop法考虑五种工况对岸坡稳定性进行分析，水位按设计正常蓄水位2865 m考虑，整体稳定性计算分析时，岸坡设计安全系数见表1.

利用简化Bishop法计算扎拖特大桥右岸上覆堆积体稳定性结果表明，堆积体在天然状态下处于基本稳定状态，在蓄水、蓄水+暴雨、蓄水+地震三种工况下处于欠稳定状态，在降水工况下处于不稳定状态.综上所述，蓄水后右岸覆盖层可能会产生蠕滑变形，对主墩会产生主动推力，故建议按1:1坡比进行覆盖层清坡减载，并在主墩后部建造防护桩，从而大大减小覆盖层蓄水后的库岸再造对桥墩影响.

表1 岸坡稳定性计算结果表

2 防护桩的数值仿真分析

2.1 模型建立及参数选取

桥位区土体类型主要有碎石土、块碎石土，岩石主要为变质粉砂岩、粉砂质板岩，根据现场地质调绘、地质钻探及岩土体室内参数试验，模型计算参数见表2.

表2 模型计算参数

根据桥位区岩土体工程性质，中风化变质粉砂岩、粉砂质板岩属硬质岩，岩石强度较高，故建议以中风化较完整变质粉砂岩、粉砂质板岩作为桩基础持力层.

防护桩采用FLAC3D的pile单元，通过设置pile结构单元的切向和法向耦合弹簧参数模拟防护桩与滑坡岩土体之间的相互作用，Pile结构单元与桩顶冠梁设置为刚接，其余模型在ansys中建立，防护桩简化模型与三维计算模型网格划分如图3、如图4所示.

图3三维模型示意图图4数值分析计算三维建模网格划分示意图

2.2 分流型桩基不同角度影响

当防护桩桩长35 m，与承台间距20 m时，研究冠梁夹角分别为40°、60°、80°、100°、120°抗滑作用效果.当冠梁夹角为40°时，防护桩的分流效果和支挡效果不理想，分担承台及桥基推力较小；当冠梁夹角为80°、100°及120°时，分流桩底部防护桩间距大于桥梁承台宽度，造成分流型防护桩内部间距过大，滑坡渗流效果大于绕流效果，防护桩处在桥梁承台外侧，造成支护浪费.不同冠梁角度对桩身截面弯矩的影响如图5所示.

不同冠梁角度对承台位移的影响如图6所示，当冠梁夹角约为60°时，承台位移达到最小值，有效减少桥基所受滑坡推力；此时防护桩间距与桥梁承台宽度相等，滑坡绕流效果大于渗流效果，分担了大部分桥梁承台及桩基推力，确保桥梁结构及线路运营安全.

图5冠梁不同角度对桩身截面弯矩的影响图6冠梁不同角度对承台位移的影响

2.3 不同桩长与不同承台间距的影响

防护桩不同桩长与承台不同间距之间有交互影响，因此需研究不同桩长与不同承台间距的变化对承台稳定性的影响规律.防护桩冠梁夹角为60°，防护桩不同长与承台不同间距布置方案如表3所示.

表3 不同防护桩与承台不同间距布置方案

承台及桩基位置固定，随着防护桩与承台间距不断增大，承台位移也随之增大，滑坡体对承台的作用力在增大，即防护桩的防护作用在逐渐减弱，见图7.分析发现，当间距增大时，桩基支挡滑坡体增加，防护桩的遮蔽效果逐渐减小，导致桩基的后推力增大.当间距>20 m(即30 m、40 m、50 m)时，防护桩分担推力逐渐减小，桩基抗力逐渐增大，不利于防护桩的支挡效果.

不同桩长与承台不同间距抗滑作用下，防护桩截面弯矩如图8-13所示.

图7桩与承台不同间距对承台位移的影响图8不同间距15 m防护桩截面弯矩

图9不同间距20 m防护桩截面弯矩图10不同间距25 m防护桩截面弯矩

图11不同间距30 m防护桩截面弯矩图12不同间距35 m防护桩截面弯矩

图13 不同间距40 m防护桩截面弯矩

当防护桩与承台间距取最小值10 m时，由于防护桩的遮蔽效果，防护桩承担滑坡体推力偏大，造成其自身弯矩过大；由于防护桩与承台及桩基间距较小，使得防护桩与桩基间岩土的挤压，形成较大的土压力作用于桩基，不利于承台及桩基稳定.当防护桩与承台间距为20 m、30 m、40 m、50 m时，防护桩弯矩差别较小.

综上所述，当防护桩与桩基间距约为20 m左右时，既有利于防护桩的抗力发挥，又有利于桩基稳定性.

表4 防护桩不同桩长布置方案

2.4 随桩长设计变化

当抗滑桩冠梁夹角为60°，与承台间距为20 m时，6种不同桩长方案如表5所示.

不同桩长对桩身截面弯矩的影响如图14所示，由图可知，随桩长的增加，桩身截面弯矩的最大弯矩截面位置基本不变，只是数值大小发生改变.随着抗滑桩的长度增加，负弯矩越来越大，最大正弯矩增大的程度不太明显.当防护桩长增大到35 m、40 m时，桩身弯矩达到最大值，说明防护桩为承台及桩基分担较多推力，能最大程度的减小承台及桩基的变形，因此35 m、40 m桩长最为合适.因35 m、40 m桩长弯矩相差不明显，综合造价及防护效果考虑，防护桩最合适桩长约为35 m.

2.5 最优设计方案

三角形冠梁连接可以使分流型防护桩的六根桩变形相协调，充分利用三角形稳定性，使六根桩能作为一个整体更有效的发挥抗滑与分流效果，比其它截面形式更具稳定性更加合理.

通过对不同形式的分流防护桩对承台桩基的防护效果影响分析比较，最终选择防护桩与承台间距20 m，桩长35 m，三角形分流防护桩的冠梁夹角为60°的最优设计方案，既能满足安全要求，又能最大程度的减少承台及桩基的变形.

图14 不同桩长对桩身截面弯矩的影响

3 结 语

结合扎拖大桥现场勘探资料及桥基边坡稳定性分析，通过对分流型防护桩的不同桩长、不同冠梁角度及承台防护桩不同间距对承台桩基稳定性影响数值仿真分析研究，得出以下结论：

(1)桥位右岸上覆15～20 m堆积体，蓄水后覆盖层可能会产生蠕滑变形或局部坍滑，影响桥梁主墩安全，建议在清方卸荷的同时进行永久性支挡防护.

(2)当防护桩桩长逐渐增加时，承台桩基受力变形减小，桩长大于35 m时，防护桩弯矩随着桩长增加而增加的趋势减缓，选取防护桩的最优桩长为35 m；随着防护桩与承台间距的减小，承台桩基受力变形减小，当间距减小为20 m时，防护桩为承台及桩基分担推力最大，因此，防护桩与承台最优间距约为20 m.

(3)当桩顶夹角为60°时，防护桩间距与桥梁承台宽度相等，滑坡绕流效果大于渗流效果，分担了大部分桥梁承台及桩基推力，能有效保护施工及墩体安全，确保桥梁结构及线路运营安全.

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StudyontheApplicationofSplitTypeProtectionPileinZhatuoSUPERLargeBridge

DONGJie1，YANGYue1，WUZhi-hui1，WUDa-hong2

(1.Department of Civil Engineering,Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou,Hebei 075000;2.The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin 300142,China)

The new Zhatuo super large bridge spans the Xianshui River and the steep cliff unloading fissures are developed on the right bank of the bridge site.There is a certain thickness of gravel soil on the slope which can influence the safety of bridge structure and open line segment.Under the action of excavation disturbance and dynamic water level,the cover layer may have creep deformation or partial collapse,which can affect the safety of the main pier of the bridge.Therefore,permanent retaining measures should be provided to protect the safety of construction and pier for the safety of bridge and operation line.The influence of split protection piles on bridge abutment and pile foundation was studied by establishing numerical simulation models that are adopted different length of pile,crown beam angle and the different distance between piles and the bridge abutment.The results reveal that the split protection pile can block the landslide and make it flow along the protection pile,which can effectively reduce the landslide on the abutment and pier thrust,and the mechanical properties of the protection piles can be fully exerted due to the stability of the triangle.The optimal angle of split protection pile is about 60° and the length is about 35m,and the perfect spacing between split protection pile and abutment pile foundation is about 20m.The research results provide a scientific basis for the optimal design of the project.

bridge engineering;split protection piles;mechanical properties;stability;numerical analysis

2017-05-21

河北省自然科学基金(No.E2017404013)；河北省教育厅重点课题(No.ZD2017224)；河北建筑工程学院研究生创新基金(XA201726)；河北建筑工程学院校科研基金项目(No.B-201604)

董捷(1980-)，男，博士后，高级工程师，主要从事路基及地下工程加固方面的研究.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.03.002

U213.1+52.1

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