弃渣对斜坡桥桩结构安全影响机制研究*

陈 伟，田 明，邹云丽，徐伟然，尹小涛

(1.大理大漾洱云高速公路有限公司，云南 大理 671000； 2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071)

0 引言

相对于平原地区，山区公路建设桥隧比高，桥桩常坐落于自然斜坡上，自然坡的稳定性及施工对自然稳定状态的改变均会间接影响桥桩的结构安全，严重情况下可能会引起桥桩竖向承载性能发生极大改变，剪切承载过大则会造成桥桩结构失效。因此，需关注山区桥桩与斜坡地基系统的稳定性及对周边环境的影响。

由于空间所限，山区公路建设多沿沟谷河道两侧布设桥梁通过，斜坡狭窄空间的桥梁建设需施工作业面，同时需设置边帮弃渣场，这些挖填改变地形会极大地影响自然斜坡、桥桩和堆填弃渣边坡的稳定性。当前该领域的研究主要集中在以下几方面：①工程建设造成的地形改变对斜坡稳定性的影响机理[1-3]；②工程荷载作用下斜坡稳定性演化机理[4-8]；③工程和环境因素联合作用下桥桩结构安全性演化机理[9-12]；④斜坡地形对桥桩设计的影响机理和新型设计方法探讨[13-16]；⑤工程和环境因素联合作用下斜坡和桥桩系统协同影响机理及安全控制技术研究[17-19]。当前桩基设计主要为弹性设计，地基对其作用也按半无限弹性考虑，不考虑实际斜坡地形造成的背侧与面侧约束差异，较不利。设计中没有办法量化考虑自然环境和工程环境改变造成的外部荷载体系变化，储备若能承受则安全，储备不足则可能失效，这是很多病害和灾变的根源。

本文依托某山区高速公路桥桩路段，探讨边帮弃渣对既有覆盖层斜坡、桥桩变形和应力场的影响机理，分析边帮弃渣对既有边坡稳定性和桥桩结构受力的影响，量化评估弃渣对桥桩结构安全的影响机理，为类似工程提供借鉴。

1 桥桩路段工程概况

桥梁沿斜坡建设，施工场地狭小，上部为进场道路，外侧紧邻桥桩承台，再外侧为工程弃渣，坡脚建设有拦渣墙，再往外为河谷，周边情况如图1所示。

图1 斜坡、桥桩、弃渣场空间位置

该桥桩路段主要为斜坡表层(残坡积土)，中部为厚度不一的碎石土层，再往下为强风化白云岩和砂岩。勘察和设计单位提供的主斜坡路段主要地层岩土力学参数如表1所示。

表1 斜坡路段主要地层岩土力学参数

本次计算评估主要依托3个剖面，如图2所示。

2 边帮弃渣对斜坡和桥桩的影响分析

2.1 数值模型和计算方案设计

利用Phase2D软件，建立考虑边帮弃渣分层填筑的有限元数值模型(见图3)，采用弹塑性本构模型，计算参数如表1所示。模型两侧为法向约束，底部全约束。计算时先进行初始应力平衡，再激活桥桩，然后开始弃渣填筑，直至达到图2所示填筑高度。分析边帮有覆盖层斜坡弃渣对覆盖层变形和桥桩结构受力的影响，为桥桩结构安全控制提供依据。

图3 斜坡桩数值模型

2.2 弃渣对斜坡变形的影响分析

限于篇幅，以里程桩号K32+733为例，说明弃渣对斜坡+桥桩体系水平位移的影响，典型阶段水平位移如图4所示。K32+733，K32+973，K33+053路段不同弃渣阶段最大水平位移如表2所示。

由图4可知，K32+733路段，弃渣堆填高度为15～35m(3～7级坡)时，水平位移为厘米级，产生在弃渣坡脚，符合一般边坡水平变形规律，桥桩施工对其影响不大；堆填高度超过40～47m(8～9级坡)时，水平位移发展到分米级，最大位移部位为弃渣坡脚。弃渣堆填造成的超载是引起既有斜坡变形的主要因素，但最大变形产生在弃渣边坡坡脚，说明弃渣变形要大于自然斜坡。

图4 K32+733典型水平位移(单位：m)

由表2可知，K32+973路段，弃渣堆填高度为40m(4级坡)时，最大水平位移为8mm；随着斜坡外侧弃渣堆填到50m(5级坡)时，最大水平位移为86mm，达到厘米级；堆填高度达到61m时，最大水平位移为146mm，达到分米级。K33+053路段，弃渣堆填到30m(3级坡)时，几乎无变形，<1mm；堆填到40m(4级坡)时，最大水平位移为15mm，发展到厘米级；堆填高度达到55m时，最大水平位移为110mm，达到分米级。

表2 K32+733，K32+973，K33+053路段不同弃渣阶段最大水平位移 mm

综上所述，弃渣由自然斜坡坡脚逐步堆高，形成一定程度压脚，只要堆填高度造成的附加荷载不超过地基承载力，总体上对斜坡稳定性有利，但弃渣的填筑压实质量会影响斜坡局部拖坡变形，弃渣距离斜坡桥桩越远对其结构安全的影响越小。

2.3 弃渣对斜坡桥桩结构内力的影响分析

K32+733，K32+973，K33+053路段不同弃渣阶段结构内力最值如表3所示。

表3 K32+733，K32+973，K33+053路段不同弃渣阶段结构内力最值

由表3可知，K33+053路段，弃渣堆填到30m(3级坡)前，轴力、弯矩及剪力均变化不大，认为弃渣堆积对桥桩结构安全无影响；弃渣堆填到40m(4级坡)时，轴力变化不大，但弯矩增大近3倍，剪力增大0.5倍，弃渣使桥桩受剪切作用，竖向承载性能发生改变；弃渣堆填到50m(5级坡)时，轴力较初始值增大5倍，弯矩较初始值增大10倍，剪力较初始值增大2.4倍，桥桩受力性状急剧改变，由设计的竖向承载变为竖向+剪切承载；弃渣继续堆填到55m高度时，轴力较初始值增大5.4倍，弯矩较初始值增大11.8倍，剪力较初始值增大2.7倍。K33+053路段，弃渣堆填到50m高度时距桥桩仅约13.6m，且桥桩由竖向承载剧变为竖向+剪切承载，严重威胁桥桩结构安全。

K32+973路段，弃渣堆填到30m高度时，轴力、弯矩及剪力均变化不大，认为弃渣堆积对桥桩结构安全无影响；弃渣堆填到40m高度时，轴力减小，但弯矩增大近3.5倍，剪力增大1.7倍，弃渣使桥桩受剪切作用，承载性能发生改变；弃渣堆填到50m高度时，轴力较初始值增大1.3倍，弯矩较初始值增大13.8倍，剪力较初始值增大6.2倍，桥桩受力性状急剧改变，由设计的竖向承载变为竖向+剪切承载；继续堆填到61m高度时，轴力较初始值增大2.0倍，弯矩较初始值增大19.5倍，剪力较初始值增大8.7倍。K32+973路段，弃渣堆填到50m高度时距桥桩仅约25.0m，且桥桩由竖向承载剧变为竖向+剪切承载，严重威胁桥桩结构安全。

K32+733路段，弃渣整个堆填过程中，轴力、弯矩、剪力与初始值相比均在同一量级变化，可认为弃渣堆积对桥桩结构安全无影响。

2.4 综合评价

弃渣堆积会对斜坡、斜坡桥桩的产生影响，作用机理为弃渣堆填会造成既有斜坡表层土体承受附加荷载，在附加荷载作用下产生变形，但变形影响深度有限，通常只作用在弃渣斜坡接触面部位一定深度，产生部分拖坡变形，若桩基在此影响范围内，则会改变桥桩受力性状，使其由竖向承载变为竖向承载+剪切承载，若剪力和弯矩作用超过截面抗剪和抗弯性能，则可能造成桥桩失效；虽不会失效，但会产生变形，造成上部结构和路面变形，影响桥梁中长期服役性能。

综上所述，可认为堆填高度≥50m，距桥桩最短距离为13.5～25.0m时，会对桥桩结构安全产生影响，使桥桩由竖向承载变为竖向+剪切承载，改变桥桩的安全状态，需引起重视。不同距离和堆填高度产生的安全影响如表4所示。

由表4可知，基于安全考虑，K32+733路段仅需采取弃渣整形满足坡面稳定要求即可；K32+973，K33+053路段弃渣需整形且堆填高度宜为30～40m。

表4 不同距离和堆填高度产生的安全影响

后续该区弃渣安全堆填高度宜≤30m，与桥桩最短距离应≥40m。上述参数可作为该区桥桩、斜坡、弃渣联合整治的综合安全控制参数。

3 结语

山区斜坡地形、桥梁建设、外侧弃渣会极大地改变自然斜坡的稳定状态，潜在威胁桥桩结构安全，需重点关注坡体变形稳定性和桥桩结构安全。考虑弃渣过程进行数值动态仿真，得到以下结论。

1)在斜坡坡脚堆填弃渣，只要堆高造成的附加荷载不超过地基承载力，整体有利于斜坡稳定，但需重视弃渣边坡，尽快完成整形控制坡面稳定性，弃渣填筑质量、弃渣与桥桩距离会影响弃渣与斜坡结合部的拖坡变形影响范围，距离越远，弃渣对桥桩结构安全影响越小。

2)K32+733路段，弃渣对斜坡整体变形稳定性无不利影响，主要是弃渣自身的坡面稳定性需引起重视。

3)K33+053路段，在整个弃渣堆填过程中，结构内力均在同一量级变化，对桥桩结构安全无影响。

4)根据结构内力分析，K32+973，K33+053路段，弃渣均需整形且堆填高度宜为30～40m。该区桥桩、斜坡、弃渣联合整治的综合安全控制参数为堆填高度≤30m，与桥桩最短距离≥40m。