山区斜坡高差下桥梁桩基受力与防护分析

摘要：桥梁桩基在高陡坡上由于边坡的存在，与扁桩基础相比，结构荷载的作用更为复杂。为了精准地分析桥梁桩基受力特点，并提出相应的防护措施，文章以广西崇左西环线标段为例，分析不同荷载作用下桩基受力和位移情况，并按上部结构桩基边坡相互作用影响程度，构建受力模型，确定自由段、受力段、嵌固段受力情况，最后提出排水防护、削方减载防护、回填压脚防护三种防护措施。研究表明：该方法能够精准分析桥梁桩基受力情况，但国内研究较少，还可进一步完善。

关键词：山区斜坡;高差;桥梁桩基;受力;防护

文献标识码：U441+.5-A-24-078-4

0 引言

鉴于公路的线形和环保问题，一些桥梁必须穿越深谷或在陡坡上架设。桥梁桩基在高陡坡上由于边坡的存在，不仅要承担上部结构向桩顶组合荷载作用，还要承担由山体变形引起的剩余滑移力[1]，与扁桩基础相比，桥梁桩基结构荷载的作用更为复杂[2]。以往提出了一种以地基系数为常数的桩基，研究其在倾斜荷载作用下山区斜坡高差下桥梁桩基受力与防护措施，采用该方法未考虑山区陡坡复杂形势，导致桥梁桩基受力分析内容不全面，相应的防护措施不具有代表性;分析水平推力桩的桩土相互作用，研究山区斜坡高差下桥梁桩基受力情况，可推导出桥梁桩基综合刚度，但使用该方法局限于抗滑桩，忽略了桩顶复杂荷载作用，很难与实际桥梁桩基受力状况相吻合，导致桥梁桩基防护效果较差;结合有限元模拟法分析桥梁桩基斜面位置和坡脚对桩基水平承载力的作用，确定桥梁桩基结构力学性能，使用该方法未考虑到边坡坡度对桩基稳定性的影响，导致桩基受力分析结果不精准，相应防护措施效果较差。为此，本文根据山区斜坡上桥梁桩基的受力特点，提出了山区斜坡高差下桥梁桩基受力与防护研究。

1 桥梁桩基荷载实验

桥梁桩基竖向荷载主要是通过桩周岩体坡体下滑力和桥梁桩基抗力共同承载的，横向荷载主要是通过桩身轴力承载的，而两者组合而成的荷载共同承受来自不同方向的力，因此，对不同荷载作用的分析能够确定桥梁桩基具体受力情况。

课题以广西崇左西环线标段为例，按照山区斜坡高差下桥梁桩基受力与防护方法对其研究效果进行验证分析。该路线全长16.73 km，全段枢纽立交2处，停车区域1处，路基挖方139.5万 m3，使用软基换填、石芽垫层法处理6.22 km。桥梁桩基是由基桩、坡面、滑动面、滑床组成的，该桩基主要受到横向载荷作用，在该载荷影响下，容易出现滑坡现象（如图1所示）。

由图1所示的滑坡现象分析，实际高差H对桥梁桩基产生了两种破坏形式，分别是流动模式和短桩模式。

1.1 竖向荷载作用

将荷载传递到桩底坚硬处，在该地层中传递荷载。桩周岩体受力主要集中在桩端和桩周狭长带上，由内至外逐渐消失。桩的周向应力随周向摩擦阻力变大而增加，产生这种现象的主要原因在于桩基周围摩擦阻力可将部分竖向荷载以剪应力形式传递下去，而桩周剪应力随着竖向荷载变化而发生改变。

距离孔缘2 m以内，孔缘应力开始由近及远逐渐减小，该范围的应力变化不大。在选择荷载条件时，竖向荷载对斜坡造成的影响是桥梁桩基影响的2倍。在桥梁桩基竖向荷载影响范围内，需增加斜坡剪应力，势必会造成结构面落差，严重影响边坡局部稳定性，滑坡灾害出现的概率有所增加。

竖向荷载作用下桩顶位移情况如表1所示。

由表1可知，桩顶在竖向荷载影响下，其位移变化趋势与平地处变化趋势一致，都呈线性增长趋势。自然状态下的桩顶水平位移较小，只有在垂直荷载作用下位移值的万分之一。由于桩侧土体的水平承载力和桩侧土体的抗侧力都是随竖向荷载的增大而增大，因此桥梁桩基水平位移逐渐减小。由此可知，竖向荷载作用对桩基水平位移影响很小。

1.2 横向荷载作用

桥梁桩基在竖向荷载作用下，不可避免地受制动力的影响，出现横向荷载，该荷载的产生影响了桥梁桩基水平承载能力。因此，在桩顶上，应沿着斜坡高度差施加横向荷载，并分析桩基侧面土体抗力。横向应力主要集中在桩顶岩体和边坡一侧，竖向应力主要集中在桩的顶部和周围岩体上。

横向荷载作用下桩顶位移情况如表2所示。

从表2可以看出，在横向荷载作用下，桩顶水平位移随横向荷载的增加呈线性增长趋势。当横向荷载增加到400 kN时，竖向位移达到最大值为0.212 0 mm，然而在此之后，随着横向荷载的增加，桥梁桩基竖向位移逐渐缩短，研究结果表明，横向荷载在一定程度上影响了桩基变形情况。总之，桥梁桩基横向荷载对桩基水平位移和竖向位移都会产生一定影响。

1.3 组合荷载作用

为了研究桥梁桩基在荷载不同组合形势下的受力情况，需组合两种荷载，如表3所示。

在荷载作用下，桥梁桩基自身发生弯曲变形。在三种组合形式下，桩的竖向位移从桩顶到桩端依次减小，说明此时的桥梁桩基是沿桩身逐渐下降的，此时桩侧摩擦阻力阻止了桩基相对位移，通过向围岩传递部分荷载，激发围岩抵抗力，阻止桩变形。

2 受力计算模型

山区斜坡桥梁桩基所处地理环境复杂，加大了施工难度，可能会出现滑坡危害[3]，因此，需分析其受力特点。通过构建受力模型，确定自由段、受力段、嵌固段受力情况，并计算坡体下滑力、桥梁桩基抗力、桩身轴力，以此为依据，分析不同荷载作用下的受力情况[4]。

2.1 模型构建

斜坡上的桥梁桩通常通过上覆风化程度较高的岩土地层，在稳定基岩上嵌固。为了分析其受力情况，按上部结构桩基边坡相互作用影响程度，将其分成三个阶段，分别为自由段、受力段、嵌固段，如图2所示。

圖2中的W0表示竖向荷载;Q0表示水平荷载;Z0表示偏心弯矩。自由段、受力段、嵌固段受力情况受力为：桩顶空段承受上部结构传递下的组合荷载，还承受坡面岩土体变形所产生的坡体下滑力、桥梁桩基抗力、桩身轴力[5]。对自由段而言，桩顶水平荷载和弯矩会引起桩身较大弯曲或挠曲变形、桩身挠曲变形的出现，还会使竖向荷载产生附加弯矩，附加弯矩又会影响桩身挠曲变形的增加;对于受力段来说，因为有斜坡的存在，桩前岩土体提供的水平抗性会明显降低，或者完全退化;对于嵌固段来说，在岩层达到一定深度后，嵌岩深度不断增加，这对桩基承载能力的提高并不明显[6]。

2.2 受力计算

根据构建的受力模型确定坡体下滑力、桥梁桩基抗力、桩身轴力，对于各个受力展开详细分析。

2.2.1 坡体下滑力

坡体下滑力是指当桩身重力处于滑动态或有滑动态时，与斜面受到的重力、斜支撑力、斜摩擦力平行，当桥梁桩基受力不平衡时，桥梁桩基处于下滑状态，这时的下滑力与斜面摩擦力大小一致，但受力方向相反[7]。根据图2所示下滑力，呈三角形分布，具体情况可根据土体情况选择，计算公式为：

F1=as2+bs+c （1）

式中：s——三角形分布的桩后坡体计算点到桩端顶距离（m）;

a、b、c——坡体所受的三个分解下滑力斜面摩擦系数。

2.2.2 桥梁桩基抗力

桥梁桩基结构或结构构件和环境影响的能力为桥梁桩基抗力，充分考虑坡度对桥梁桩基影响情况，需对桩基前岩抗力进行分析，计算公式为：

F2=ηK（s）Hx （2）

式中：η——桥梁桩基抗力折减系数;

K（s）——桥梁桩基抗力系数;

H——桥梁桩基有效计算宽度（m）;

x——水平位移（m）。

2.2.3 桩身轴力

与桥梁桩基轴线相重合的力是轴力，当桥梁桩基受拉力时，轴力变为拉力，指向为背离截面;当桥梁桩基受压力时，轴力变为压力，指向为正向截面[8]。桩身摩擦阻力随着深度线性发生改变，桩身轴力计算公式为：

F3=W0+fs （3）

式中：f——轴力增长系数。

3 计算结果分析

3.1 流动模式

滑面较浅时，处于塑性状态的土在桩周围流动，桩的位移远小于土的位移，滑面以下的稳定土层产生较大弯矩，如图3所示。

由图3可知，在流动模式下，桩基位移最长为0.2 m，而土体位移最大为0.5 m，桩基位移小于土体位移;在滑面上层的桩基弯矩远远大于土体弯矩，而在滑面下层的桩基弯矩逐渐变小，当深度超过20 m时，滑面下层桩基弯矩小于土体弯矩。

根据流动模式下的位移、弯矩标准，分别使用以地基系数为常数研究方法R1、基于水平推力研究方法R2、有限元模拟法R3、分析山区斜坡上桥梁桩基受力特点研究方法R4，对桩基位移、弯矩情况展开分析，结果如图4所示。

由图4可知，使用R1方法桩基位移较标准位移长0.15 m，当深度超过13 m时，滑面下层桩基弯矩小于土体弯矩，与标准情况不符;使用R2方法桩基位移与标准位移长一致，当深度未超过13 m时，滑面下层桩基弯矩小于土体弯矩，与标准情况不符;使用R3方法桩基位移较标准位移长0.1 m，滑面下层桩基弯矩一直大于土体弯矩，与标准情况不符;使用R4方法桩基位移、弯矩都与实际情况一致。

3.2 短桩模式

滑面较深时，由于桩基受流土的推动穿透稳定土层，使其强度得到充分发挥，最大弯矩出现在滑动面以上的流土中，使桩土位移相等，如图5所示。

由图5可知，在短桩模式下，桩基位移与土体位移一致，都为0.5 m;在滑面上层的桩基弯矩远远小于土体弯矩，而在滑面下层的桩基弯矩虽然变小，但也小于土体弯矩。根据短桩模式下的位移、弯矩标准，分别使用四种方法对桩基位移、弯矩情况展开分析，结果如图6所示。

由图6可知，使用R1、R2、R3方法桩基位移较标准位移分别短0.1 m、0.08 m、0.04 m;使用R1方法滑面上层的桩基弯矩远远小于土体弯矩，与标准情况大致相同;使用R2方法虽然滑面上层的桩基弯矩小于土体弯矩，但与实际情况相差较大;使用R3方法在深度超过12 m时，滑面上层桩基弯矩大于土体弯矩，与标准情况不符;使用R4方法桩基位移、弯矩都与实际情况一致。

通过上述对比内容可知，分析山区斜坡上桥梁桩基受力特点研究方法，研究结果与实际情况一致。

4 桥梁桩基滑坡防护

4.1 挡墙原理

通过分析山区斜坡上桥梁桩基受力情况，为滑坡危害防护提供数据支持，同时提出防护措施。清理塌陷坡面上的塌陷体，需在墩台外侧施工便道上修筑混凝土挡墙，对墙后回填、压实至坡面;在防止坡体进一步坍塌同时，增加桩侧岩土体厚度，提高桩基承载力;浆砌片石满铺防护在挡墙上坡面至墩底系梁边，防止雨水渗入破碎物内部。

坡顶墩周围出现硬化，改善桩周排水系统，设置永久性截水沟，防止雨水渗入坡体内，防止桩侧岩土体再次发生塌方，保证了桥梁结构整体稳定。

4.2 防护措施

对受滑坡影响的地面裂缝，应及时用防水材料回填，防止地面水渗透形成静水压力，并提出排水防护措施;对新的塌方、滑坡或因切割破坏而产生的滑坡体，应采取削方减载防护措施;当滑坡位于水库水位以下，且地势较平时，应采取回填压脚的防护措施。

4.2.1 排水防护

对于排水防护措施，应设置周边截流沟，在滑坡体外截流地表水，防止其流入滑坡体。截水沟的具体位置应在5～10 m内有可能发生滑坡的位置。设计截面大小根据可能的最大洪峰流量和被截流地表水集水区来确定，并在墙内设置面向截流沟的排水孔。

4.2.2 削方减载防护

削方减载防护措施，应根据滑坡土壤破坏面的分布、滑坡的变形破坏规模和滑坡本身的强度等因素来决定，对滑坡的稳定安全系数进行深入分析和研究，结合实际切边量的位置和负荷，对滑坡体上、后部进行清理，严禁将滑坡体前、中部切割。前部土层松动、破碎时，应根据实际情况适当拆除。

4.2.3 回填压脚防护

回填压脚防护措施，需将土石堆砌在滑坡尖的外侧，增加自身重量，并覆盖部分滑坡尖，形成抗滑平台。滑坡体浸入水中后，先用沙土法形成排水垫层，当边坡受压时，及时做好地下排水工作。选定填料时，不能堵塞地下水排泄口。

5 结语

本文根据桥梁桩基受力特点，研究山区斜坡高差下桥梁桩基受力情况，并提出滑坡防护措施，通过实验证实该研究方法与实际情况一致。虽然使用该方法能够精准分析桥梁桩基受力情况，但国内研究较少，属于一个新的研究领域。

为进一步完善该项目，提出了两个工作重点：

（1）研究仅限于分析单桩基础，实际上，双排桩、柱墩或群桩也是桥梁基础。为此，需要进一步研究桩土共同作用对桩基础传递荷载的影响。

（2）在边坡坡段应开展桥梁桩基试验，从试验中提取实测数据，方便与有限元计算结果对比分析，验证所研究方法的有效性。

参考文献

[1]王彬力.高陡边坡下桥梁桩基受力与防护设计探析[J].公路工程，2018，43（1）：159-164.

[2]董 捷，杨 越，徐永明，等.一种斜坡桥梁桩基础自由段桩长确定方法[J].中国铁道科学，2018，160（3）：17-25.

[3]张 麟，方成武，彭琳琳.沿海大斜坡裸岩条件下大直径钻孔桩关键技术研究[J].施工技术，2018，509（10）：92-94.

[4]赵明华，陈耀浩，杨超炜，等.基于有限杆单元法的陡坡基桩非线性分析[J].岩土力学，2018，39（8）：311-319.

[5]陳发东.盾构隧道施工对临近桥梁桩基及周围土体影响的模拟研究[J].中外公路，2018，38（6）：177-181.

[6]陈思晓，冯忠居.多雨冲沟区桥梁桩基横向承载特性模型试验研究[J].公路交通科技，2018，35（12）：80-89.

[7]贺 炜，罗智猛，尹平保，等.山区斜坡桩基地震响应的离心模型试验[J].中国公路学报，2018，31（9）：43-51.

[8]郑 辉，李春阳.某斜坡式海堤工程对临近桥梁桩基位移的影响[J].水运工程，2018，541（4）：72-77.

收稿日期：2021-03-20

作者简介：韦明春（1985—），工程师，研究方向：道路桥梁工程。