抗滑桩对边坡桥梁桩基受力变形的影响

2022-04-06解瑞松巩悦韩飞张蛟尹培杰晏长根

科学技术与工程 2022年9期

解瑞松，巩悦，韩飞，张蛟，尹培杰*，晏长根

(1.陕西省交通建设集团公司，西安 710075；2.长安大学公路学院，西安 710064)

近年来，高速公路等工程建设发展迅速，其中有大量的公路路线需要经过沟谷陡坡，为减少施工活动对自然环境的破坏，避免大规模的填挖方，通常将桥梁桩基础设置在边坡上。位于边坡上的桥梁桩基受力较为复杂，除了上部结构作用产生的竖向和横向荷载，还承受桩周坡体的剩余下滑力，具有承重和抗滑双重作用。针对上述问题，专家学者基于理论分析、数值模拟、室内试验和现场监测开展了大量的研究工作。

杨明辉[1]指出边坡上的桥梁桩基有承受上部荷载和抗滑的双重功能，其力学特性远比平地桩基复杂。严飞淞等[2]基于陡坡地段上的简支桥梁桩基的现场监测，对桥梁桩基和陡坡岩土体在施工荷载影响下的位移分布与变化特性进行了系统分析，得出桩身位移和弯矩量值随坡顶施工载荷的增加而增大，且在上下两层岩土的交界面处会出现桩身最大弯矩量值的结论。余继东等[3]利用有限元模拟对比分析桩身弯矩与坡顶施工载荷之间的变化关系，得到边坡土体塑性变形发展与坡顶施工荷载的关系。杨明辉等[4]基于高陡地段横向坡桥梁双排桩基及其复杂的载荷特征，提出了滑坡推力以抛物线二维形式分布,通过与现场实测数据对比分析得到与实际工程设计相吻合的结论。邬龙刚[5]将边坡段桥梁桩基视为承重阻滑桩结构，考虑桩顶效应、桩基侧摩阻力、桩身自重、边坡推力、地基系数等因素影响，获得了承重阻滑桩的内力特性及位移特征的有限差分数值解，研究了其承载机理和荷载传递规律。刘建华等[6]对桥基边坡稳定性，桥基埋置位置和桥基承载机理等方面进行了系统的研究。关晓静[7]采用MARC软件模拟分析了陡坡桥梁桩基承载特性，探究了桩端与陡坡坡脚相对位置、桩顶与极陡坡临空坡面外侧距离、坡脚坡形等变化时，对桩基受力特性的影响。杨明辉等[8]就高陡横向坡地段双桩桥梁结构特征和荷载提出桩间土相互作用及桩土相互作用的新模式。近年来，尹平保[9]通过斜坡基桩竖向承载室内模型试验，分析了不同坡度及桩长条件下斜坡基桩屈曲临界荷载，获得了基桩屈曲临界荷载理论计算公式及拟合公式。何良德等[10]针对黏性土抗滑桩合理桩间距的确定进行了分析，推导出抗滑桩最大桩间距的计算公式。赵明华等[11]对高陡横坡段桥梁双桩基础进行合理分析,提出一种适用的有限差分法,考虑桩土相互作用及桩顶变形协调,建立了适用于高陡横坡段桥梁双桩基础内力及位移分析的简化计算模型。蒋一波等[12]采用FLAC3D软件对比分析不同荷载组合、坡度、岩土性质和各层岩层厚度下边坡对于桥梁桩基的内力和位移的影响。李浩等[13]探究桩间距及桩位对桩-土作用下抗滑桩及土体力学特性的影响，采用ABAQUS对不同桩间距及桩位的桩-土有限元计算模型进行数值模拟，分析模型达到临界破坏时的抗滑桩桩身内力及土体力学特性的分布规律。王念秦等[14]分析了边坡变形监测技术的发展现状，并提出针对性对策。

设置于边坡上的桥梁桩基往往水平承载能力有限,常常需要设置抗滑桩对桥基进行支护，抗滑桩和桥基是相互作用的。边坡上桥梁桩基受到两部分侧向荷载的作用,即位于抗滑桩和桥基之间的滑体产生的下滑力和抗滑桩变形挤压土体将荷载传递给桥梁桩基。目前，抗滑桩支护下滑坡段桥梁桩基的相关研究成果发表较少,抗滑桩与桥梁桩基的相互作用及位置关系尚不明确，亟须进行相关的研究。现基于子姚高速K34+580-K34+680段抗滑桩治理滑坡区桥基工程，对桥梁桩基及抗滑桩桩顶位移及桩侧土压力进行监测，分析抗滑桩位置差异对桥梁桩基受力及位移的影响。同时采用ABAQUS对抗滑桩布设位置差异对桥梁桩基影响进行数值模拟分析，为类似滑坡段抗滑桩加固桥梁桩基的设计提供参考。

1 工程概况及现场监测

1.1 工程概况

崖坬沟3号大桥位于延川县崖坬沟村，桥梁全长为440 m，从滑坡中前缘通过。滑坡整体形态清晰，呈马蹄形，后缘较陡立，自然坡度约31°，如图1所示。滑坡主滑方向长约72 m，宽约100 m，滑体最大厚度6.5～13.5 m，土体松散，为中型黄土牵引式滑坡。滑坡体位于黄土梁峁斜坡上，岩土体主要由粉质黏土(滑体土)、粉质黏土(滑带土)和下伏黄土(滑床)组成。如滑坡体开挖坡脚和发生特大暴雨或长时期降雨，滑坡表面(裂缝和落水洞)雨水灌入对滑面起到润滑作用，减小滑床摩阻力，滑坡体平衡状态被破坏，滑坡体有发生次生滑坡的可能。路基开挖后滑面在暴雨工况稳定性系数为1.095，滑坡处于稳定状态，但是不满足安全储备，剩余推力为387 kN/m，需对边坡进行治理。根据现场调查及地质勘查资料，结合路线构筑物情况，经综合分析，确定了抗滑桩支挡的治理方案，治理段落里程桩号K34+580～K34+680。设防推力为387 kN/m，布设段落长度总计72 m，抗滑桩桩径为2.5 m×2 m，桩长25 m，间距均为6 m，共计13根。

图1 边坡-桥梁桩基-抗滑桩全貌图

1.2 现场监测

1.2.1 监测系统

数据的采集和传输通过远程无线监测系统实现，如图2所示，其主要由感知系统、数据采集系统和控制分析系统三部分组成。感知系统主要为监测传感器，指能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置；数据采集系统主要由供电装置、采集模块、防护装置等组成，采用4、8、16通道自动化采集仪，配置移动SIM卡和信号天线进行GPRS无线传输，将数据上传至网络平台；采集仪通过40 W单晶太阳能电池板进行供电；现场采集得到的数据通过GPRS无线传输上传到指定的网络云平台上，可以实时监控各测点的监测数据；历史监测数据会长期保存在云平台中。

图2 监测元件及数据采集系统

1.2.2 监测方案

坬沟3号大桥的10～12孔于子姚高速沿线HP108滑体前缘通过，属于典型的桥址滑坡，为研究桩基与抗滑桩的相互作用关系，选取了K34+598和K34+638断面进行监测，如图3所示。

图3 桥梁桩基与抗滑桩位置关系图

为获取桥梁桩基上的受力，在#10-0和#12-0桥梁桩基处布设直径d=2.5 m的土压力盒，如图4所示。两桩基均为坡中桩，在桩基旁边沿滑坡滑动方向布设1个6 m深的方形截面探井，土压力盒从桩顶垫层下顶部开始布设，间隔为1 m，受力面朝向边坡坡体，土压力盒埋设完成后人工分层回填夯实，确保桩侧的下滑力能被准确监测。在#12-0桥梁桩基及#10-0桥梁桩基靠近坡体一侧布设#TY01-07及#TY08-14，深度分布为桩头下1、2、3、4、5、6 m；在#12-0桥梁桩基一侧布设#CX01, 在#10-0桥梁桩基一侧布设#CX02。

图4 桥梁桩侧土压力盒及测斜仪布设图

在与上述桥梁桩基同一断面的抗滑桩上布设土压力盒，如图5所示，在桩侧土体回填过程中将土压力盒埋设至靠近边坡一侧。#9抗滑桩及#2抗滑桩靠近坡体一侧分别布设#TY13-17及#TY18-22深度分布为桩头下1、3、5、7、9 m。在抗滑处布设测斜仪时，将测斜仪布设在抗滑桩锁口处，用混凝土进行浇筑固定。#9抗滑桩布设#CX03,#2抗滑桩布设#CX04。

图5 抗滑桩桩侧土压力盒及测斜仪布设图

2 监测结果及分析

2.1 桥梁桩基监测结果

桥梁桩侧土压力及桩顶位移均从2019年4月20日开始采集，数据每隔1 h上传一次，各个点监测数据波动不大。对各个监测点的监测数据取平均值，得到两桥梁桩基各个监测点的桩侧土压力值对比图，如图6(a)所示。对桩顶位移监测数据按月取均值得到两桩顶位移对比图，如图6(b)所示。

图6 桥梁桩侧土压力及桩顶位移对比图

通过监测数据分析，两桥梁桩侧土压力值变化规律基本一样，压力最大位置均在4 m处，监测期间#12-0的桩侧土压力最大为23.07 kPa，#10-0最大压力是24.52 kPa,相差1.45 kPa。在同一深度#12-0的桩侧土压力值均小于#10-0桩的土压力值。其中#12-0桩距离同一段断面的抗滑桩8 m，#10-0桩距离同一断面的抗滑桩4 m，间距8 m时桥梁桩侧土压力值在同一深度均比间距4 m时小，对桥梁桩基更为有利。分析水平位移变化规律发现，#12-0桩顶位移增长了2.14 mm，#10-0桩顶位移增长了2.47 mm，相差0.33 mm，在8月与9月时桩顶位移陡增是由于施工吊装箱梁等荷载的增加，整体上#12-0桩顶位移均小于#10-0桩顶位移，位移的增长规律与桩侧土压力的变化规律一致，在抗滑桩距离桥基8 m时对桥梁桩基更为有利，说明抗滑桩与桥桩之间具有相互作用关系。由此分析抗滑桩布设位置对加固陡坡段桥梁桩基效果存在影响，由于抗滑桩与桥梁桩基的相互作用，抗滑桩加固桥基应该存在一个最佳距离，对于实际工程处理时将抗滑桩设置于最佳位置时，对加固效果及经济投入都将取得良好的效益。

2.2 抗滑桩监测结果

对桥梁桩基进行监测的同时，监测抗滑桩桩侧土压力，土压力值略有浮动但是变化不大，取各监测数据的平均值，如图7(a)所示。将所有测斜仪采集数据按月取均值，绘制于图7(b)。

图7 抗滑桩桩侧土压力及桩顶位移对比图

根据监测数据分析，#9抗滑桩(与#12-0同一断面)桩侧土压力值在同一断面均大于#2抗滑桩(与#10-0同一断面)，在9 m深处#9抗滑桩桩侧土压力均值为38.06 kPa,#2抗滑桩为33.06 kPa,相差5 kPa。对比桥梁桩基桩侧土压力[图5(a)]可知，虽然#9号抗滑桩侧土压力值大于#2抗滑桩，但是位于相应同一段断面的#12-0桥桩桩侧土压力均小于#10-0桩侧土压力，抗滑桩距离桥基8 m时比4 m时桥梁桩侧土压力更有利于桥梁桩基安全。由图6(b)可知，整体上#9抗滑桩桩顶位移均大于#2抗滑桩桩顶位移，对比桥梁桩顶位移[图5(b)]可知，抗滑桩桩顶位移变化规律与所对应的桥梁桩顶位移变化成负相关关系，#9抗滑桩所对应的#12-0桥梁桩顶位移均小于#2号抗滑桩所对应的#10-0所对应的桥梁桩顶位移。综上所述，在抗滑桩距离桥梁桩基8 m和4 m时，桥梁桩侧土压力、桩顶位移变化规律与抗滑桩桩侧土压力、桩顶位移变化规律成负相关关系，体现了抗滑桩与桥梁桩基之间的相互作用关系，对于抗滑桩加固桥梁桩基，抗滑桩与桥梁桩基之间存在一个最佳间距。

3 抗滑桩位置对桥梁桩基受力变形影响数值分析

由监测结果可知，抗滑桩与桥梁桩基之间存在相互作用关系，合理的抗滑桩位置布设对滑坡区桥基加固至关重要。桥梁设计路线途经边坡时，将桥梁桩基埋设于下滑力较小的位置有利于降低桥梁桩基的受力和变形，然而由于需要对设计路线的整体高程和经济成本进行考虑，可能会出现桥梁桩基位于边坡不同位置的情况。此时需要在桩基周边设置抗滑桩等支挡结构，在提高边坡的稳定性的同时，减少边坡对桥梁桩基的变形影响。根据子姚高速现场调查结果，大部分桩基位于坡体中前部，为此选取坡脚桩(临坡距5 m)分析后排抗滑和坡中桩(临坡距20 m)分析前后排抗滑桩布设位置对所支护桥梁桩基受力变形的影响规律，得到抗滑桩加固桥梁桩基的最佳间距，以期为类似工程提供设计指导。

3.1 模型建立及参数选取

根据现场地质情况，基于子姚高速沿线崖坬沟3号大桥桥址区的地质情况建立数值分析模型，采用ABAQUS进行计算分析。模型尺寸及地层如图8(a)所示，根据现场钻孔情况，从上至下由三层不同的岩土体构成，边坡为黄土，坡度为1∶1，坡高40 m；中间一层为红黏土地基，深度为15 m；最下面一层为三叠系强-中风化砂岩，深度取20 m。三维模型中X轴方向长度100 m，Y轴方向长度24 m，模型高度为78 m。桥梁桩基为圆形桩，桩直径2.5 m，桩长40 m；抗滑桩为矩形桩，桩横截面2.5 m×2 m，桩长25 m，桩顶处无荷载。网格划分时，沿坡脚，坡顶和桩身两侧的桩端水平面划分土坡，加密桥梁桩基及附近岩土体的网格，采用三维应力单元(C3D8)对模型进行划分，网格尺寸为4 m，网格划分如图8(b)所示。

图8 模型尺寸及网格划分

桥梁桩基和抗滑桩使用弹性模型，岩土体采用Mohr-Coulomb模型，模型的边界条件规定如下：①边坡坡面、顶面和模型的地表面都是自由边界，不添加任何约束；②模型左右两个侧面约束X方向的位移；③前后两个侧面约束Y方向位移；④模型底面限制3个方向位移。模型中岩土体及桥梁桩基的物理力学参数见表1。

表1 模型中岩土体及桥梁桩基的物理力学参数

3.2 后排抗滑桩桩位变化对坡脚桥梁桩基影响分析

基于现场工况，坡脚桩采用后排抗滑桩进行加固，模型中桥梁桩基顶部施加横向200 kN、竖向5 MN的组合荷载。为了分析不同边坡情况下抗滑桩加固效果，模拟计算时边坡土体抗剪强度参数在原来基础上进行了两次折减，加设c=16.4 kPa、φ=25°和c=16.4 kPa、φ=21.6°两种情况，其中c=16.4 kPa、φ=21.6°为现场所取原状土饱和后的抗剪强度参数。使用后排抗滑桩对坡脚桩基进行加固时，保持坡脚桩基后的后排抗滑桩设计参数不变，只变化抗滑桩和桥梁基础之间的距离，取1h、2h、3h、4h、5h、6h(h为抗滑桩沿滑坡走向的截面长度，本模型h=2 m)作为计算工况，如图9所示。

图9 坡脚桥梁桩基后排抗滑桩不同埋设位置图

提取各工况下桩顶水平位移如图10所示，随着抗滑桩的布置位置与桥梁桩基距离的增大，桩顶处水平位移呈现出先减小后增大的趋势，当抗滑桩距离桥梁桩基至某一距离后桩顶位移出现陡增的趋势。当边坡土体抗剪强度参数c=30.8 kPa，φ=25°时，抗滑桩布设在距桥桩5h位置处最有利于减少桩顶处位移；当c=16.4 kPa，φ=25°时，同样在5h处桩顶水平位移最小；当c=16.4 kPa，φ=21.6°时，在3h处桩顶水平位移最小。综合判定对于类似工程情况下根据岩土体抗剪强度指标选定抗滑桩与桥基最佳距离为3h～5h。

图10 桥梁桩基桩顶水平位移

提取各工况下桥梁桩基最大弯矩及最大剪力如图11(a)、图11(b)所示。由图11可知，桩身弯矩及剪力变化规律均为随着抗滑桩距桥梁桩基距离的增大呈现先减小后增大的趋势，在距离超过一定值时，桩身剪力及弯矩值均出现增长速率加快的趋势，变化规律与桩顶位移变化规律一致，当边坡土体抗剪强度参数c=30.8 kPa，φ=25°时，抗滑桩布设在距桥桩5h位置处最有利于减少桩身剪力及弯矩，对桥基自身材料安全起到最佳保护效果；当c=16.4 kPa，φ=25°时，同样在距离5h处桩身剪力及弯矩最小；当c=16.4 kPa，φ=21.6°时，距离3h处桩顶剪力及弯矩水最小。综合判定对于类似工程情况下根据岩土体抗剪强度指标选定抗滑桩与桥基最佳距离为3h～5h时，对桥梁桩基安全最有利。

图11 坡脚桥梁桩基后排抗滑桩不同埋设位置对桥梁桩基内力的影响

3.3 后排抗滑桩桩位变化加固坡中桥桩受力变形分析

保持坡中桥梁桩基后的后排抗滑桩截面尺寸不改变，只变化抗滑桩和桥梁基础之间的距离，取1h、2h、3h、4h、5h、6h作为计算工况，如图12所示。

图12 坡中桥梁桩基后排抗滑桩不同埋设位置图

提取各工况下桩顶水平位移如图13所示。对于坡中桩，分析桩顶水平位移图可知：随着抗滑桩的布置位置与桥梁桩基距离的增大，桩顶处水平位移呈现出先减小后增大的趋势，但其增长趋势较为平缓。当边坡土体抗剪强度参数c=30.8 kPa，φ=25°时，抗滑桩布设在距桥桩5h位置处最有利于减少桩顶处位移；当c=16.4 kPa，φ=25°时，在2h处桩顶水平位移最小；当c=16.4 kPa，φ=21.6°时，在4h处桩顶水平位移最小。综合判定对于类似坡中桥桩的加固工程情况下根据岩土体抗剪强度指标选定抗滑桩与桥基最佳距离为2h～4h。

图13 桥梁桩顶水平位移图

提取各工况下桩身最大弯矩及桩身最大剪力如图14(a)、图14(b)所示，可知桩身弯矩及剪力变化规律均为随着抗滑桩距桥梁桩基距离的增大呈现先减小后增大的趋势，变化趋势较为平缓，变化规律与桩顶位移变化规律一致，当边坡土体抗剪强度参数c=30.8 kPa，φ=25°时，抗滑桩布设在距桥桩5h位置处最有利于减少桩身弯矩及剪力，对桥基自身材料安全起到最佳保护效果；当c=16.4 kPa，φ=25°时，同样在距离4h处桩身剪力及弯矩最小；当c=16.4 kPa，φ=21.6°时，距离3h处桩顶弯矩及剪力水最小。综合判定对于类似工程情况下根据岩土体抗剪强度指标选定抗滑桩与桥基最佳距离为2h～4h时，对桥梁桩基水平位移及桩身弯矩及剪力最有利。

图14 坡中桥梁桩基后排抗滑桩不同埋设位置对桥梁桩基内力的影响

3.4 前排抗滑桩桩位变化加固坡中桥桩受力变形分析

在坡中桥桩前侧布设抗滑桩时，同样只变化抗滑桩和桥梁基础之间的距离，取1h、2h、3h、4h、5h、6h作为计算工况，如图15所示。

图15 桥桩前排抗滑桩不同埋设位置图

提取各工况下桥梁桩顶水平位移如图16所示。随着前排抗滑桩和桥梁桩基之间距离的增大，桥梁桩基桩顶处的水平位移呈现增大的趋势，在边坡稳定性较差时桩顶位移增加速率增快，当抗剪强度参数c=30.8 kPa，φ=25°时，最大位移为12.14 mm，比最小位移10.10 mm增大了20.19%；抗剪强度参数c=16.4 kPa，φ=25°时，最大位移为 19.85 mm，比最小位移14.74 mm增大了34.67%；当抗剪强度参数c=16.4 kPa，φ=21.6°时，最大位移为 33.16 mm，比最小位移22.35 mm增大了48.37%。这是因为随着前排抗滑桩距离桥桩越来越远，协同防护作用降低，且在抗剪强度较低时两桩间土体有滑动趋势，土体提供的桩侧土抗力减少。

图16 桩顶水平位移图

提取各工况下桩身最大弯矩及桩身最大剪力如图17(a)、图17(b)所示。对比不同抗剪强度情况下桩基的最大剪力和弯矩值可知，无论抗剪强度为多少，前排抗滑桩受力最小的加固地点都是1h，与桩顶水平位移变化规律一致，结合前述位移状况综合分析，前排抗滑桩距离桩基越近加固效果越好。对比后排与前排抗滑桩加固桥基各工况下桩顶水平位移、桩身最大弯矩、桩身最大剪力可知，3种抗剪强度下，后排桩对于降低桥基内力和位移的作用均优于前排桩，如果只需要布置一排抗滑桩加固时，应该采用后排桩，其具有较好的抵抗滑坡体滑坡推力及减小桩身内力的作用。如果桩基在坡体中上部位时，桩体前部土体较多，边坡可能会逐步演化为牵引式滑坡，这时候同样要考虑桥桩前部的局部稳定性，防止因前部土体滑动，造成桥梁桩基偏移破坏等问题。当有这类隐患存在是要设置前排抗滑桩进行支护，虽然前排桩靠近桩基时对其加固效果最好，但此时对与桥基前部边坡稳定而恰恰相反，因此需要进行多方面考虑确定合理的加固位置。