山区公路斜坡、弃渣和桥桩相互作用机制和安全控制措施研究

肖 羚，陈 伟，邹云丽，李艳梅，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)

山区地形陡峻，公路建设经常面临较大环境扰动和安全控制挑战。狭窄空间斜坡建设场地、工程结构、弃渣之间存在相互影响，如何实现三者安全并保障工作有序开展是工程建设需要首先解决的基本问题。

山区斜坡地形下公路建设研究主要包括：(1)公路斜坡稳定性评价及安全控制技术[1-6]；(2)邻近弃渣场与既有斜坡的相互影响及安全控制技术[7-10]；(3)公路斜坡与桥梁结构的相互影响及安全控制技术[11-14]；(4)公路斜坡、结构、弃渣的相互影响及安全控制技术[15-18]。相关研究主要集中在工程建设对自然环境的改变、影响及安全控制，反之这种影响对工程自身安全的威胁及控制措施。研究的目的是弄清扰动机制和影响范围，为安全控制提供依据。

依托某山区高速公路斜坡桥梁建设路段，探讨斜坡、弃渣和桥桩在改变地形下正常运行工况的边坡稳定性演化机制，弃渣堆填过程对斜坡变形稳定的影响，分析由此造成的桥桩结构安全问题和应对措施。量化评估环境影响，总结区域安全控制措施，提高建造水平和风险管控水平，为类似工程提供借鉴。

1 典型山区公路斜坡路段概况

1.1 工程概况

该路段主要沿河谷左侧斜坡展开，地形陡峻，进场道路狭窄，施工作业空间狭小，工程弃渣顺斜坡外侧堆填，上部施作桥桩，斜坡表层覆盖一定厚度碎石土层，下部为强风化基岩。斜坡、桥桩、弃渣场的空间关系见图1。

图1 斜坡、桥桩、弃渣场空间位置图

勘察和设计提供的主要岩土层物理力学性质指标统计列于表1。

表1 斜坡路段主要地层岩土力学参数建议值表

1.2 环境影响评价计算方案

利用Slide建模，计算工程建设前后斜坡正常运行工况的稳定性变化，估算稳定性达到1.35安全标准所需补偿加固力，计算模型详见图2，将弃渣等效成竖向荷载作用在坡面。

图2 初始地形和改变地形极限平衡法计算模型

为分析弃渣对斜坡变形影响机制和对桥桩结构内力的影响程度，利用Phase2D软件建立考虑弃渣过程的有限元模型，采用弹塑性本构，计算参数见表1。模型两侧法向约束，底部全约束。计算先进行初始应力平衡，接着激活桥桩，然后开始分步填筑弃渣，具体分级及填筑高度详见图3。

通过上述计算分析，综合评估弃渣对斜坡公路建设造成的潜在影响，并提出了相应安全控制措施。

2 弃渣对斜坡和桥桩的影响分析

2.1 弃渣对斜坡稳定性的影响分析

2.1.1 极限平衡法

初始地形和改变地形的斜坡稳定性计算结果，限于篇幅以k32+733路段为例进行展示，最不利滑面见图4。边坡稳定性系数和补偿加固力统计列于表2。

图3 考虑边帮弃渣分步填筑的斜坡桩数值模型

图4 斜坡稳定性计算结果图

由图4和表2可知，初始地形下，k32+733、k32+973、k33+053路段斜坡稳定性系数分别为1.037、1.035、1.165，均小于1.350，均不满足正常运行工况安全系数标准。改变地形下，k32+733、k32+973、k33+053路段斜坡稳定性系数分别为1.303、1.057、1.256，均小于1.350，均不满足正常运行工况安全系数标准，需采取加固措施。

表2 不同条件下斜坡稳定性系数和补偿力统计表

改变地形稳定性排序为k32+733(1.303)>k33+053(1.256)>k32+973(1.057)，所需加固力排序为k32+973(4 667 kN/m)>k33+053(1 478 kN/m)>k32+733(815 kN/m)。k32+733路段弃渣距离桥桩最短距离52.5 m、坡脚弃渣底部水平宽度约55.0 m，所需加固力小，且稳定性改善最显著；k32+973路段弃渣距离桥桩最短距离11.7 m、坡脚弃渣底部水平宽度约41.0 m，所需加固力最大；k33+053路段弃渣距离桥桩最短距离0.0 m、坡脚弃渣底部水平宽度约73.0 m，距离近且底宽最大，所需加固力较大。

因此，仍需系统评估弃渣对桥桩结构产生的安全影响。

2.1.2 有限元方法

为综合评估弃渣对斜坡及桥桩带来的影响，弃渣+斜坡+桥桩系统水平位移和剪应变云图见图5，限于篇幅仅提供k33+053路段初始地形、弃渣完成阶段的云图。

由图5可知，k33+053路段，初始位移mm级，在自然坡面，沿碎石土层剪切破坏；弃渣堆填后，变形dm级，沿弃渣与自然坡面结合部破坏。弃渣堆填改变了斜坡稳定性，弃渣自身稳定居主导，需要引起重视。

将k32+733路段、k32+973路段、k33+053路段各弃渣阶段对应的水平位移最大值和增量整理成曲线，见图6。

由图6可知，k32+733路段，弃渣堆高超过15 m以后，位移增量超过cm级；35 m堆高以后，位移超过dm，最大堆高47 m时最大水平位移245 mm。k32+973路段，弃渣堆高超过40 m以后，位移增量超过cm级；61 m堆高，位移超过dm，最大为146 mm。k33+053路段，弃渣堆高超过40 m以后，位移增量超过cm级；55 m堆高，位移超过dm，最大为110 mm。弃渣对坡体变形的影响具有明显的阶段特征。

图5 弃渣对k32+733路段斜坡+桥桩体系变形影响云图

图6 最大水平位移随弃渣高度演化曲线

2.2 弃渣对斜坡桥桩结构内力影响分析

2.2.1 结构位移分析

为考察弃渣过程对斜坡桥桩水平位移的影响，将k32+733路段、k32+973路段和k33+053路段各阶段桥桩水平位移沿桩身分布曲线整体成图7。

由图7可知，k32+733路段，弃渣堆填到47 m桩身最大水平位移也才1.2 mm，其余堆填阶段对桩身位移的影响都在mm级以下，可以认为弃渣对桥

图7 不同弃渣高度的桥桩水平位移曲线

桩结构安全没有影响；k32+973路段，弃渣堆填到40 m以前桩身水平位移都在mm级变化，50 m高度之后位移变化急剧增加到cm级，最大水平位移22.8 mm；k33+053路段，弃渣堆填到30 m以前桩身水平位移都在mm级变化，40 m高度之后位移变化急剧增加到cm级，最大水平位移52.4 mm。由此可知，k32+733路段条件下，弃渣堆高47 m，对桥桩变形影响不大；k32+973路段条件下，弃渣堆高不宜超过40 m，否则对桥桩变形影响较大；k33+053路段条件下，弃渣堆高不易超过30 m，否则对桥桩变形影响较大。

2.2.2 结构内力分析

为考察弃渣过程对斜坡桥桩结构内力的影响，各阶段桥桩结构内力分布曲线见图8，限于篇幅仅给出k33+053路段桥桩激活阶段和堆填完成阶段的桥桩轴力、弯矩、剪力等结构内力曲线。

图8 弃渣对桥桩结构内力影响图

由图8可知，k33+053路段，弃渣堆填对桥桩结构轴力、弯矩、剪力的影响发生了数量级变化，可以认为弃渣对桥桩结构安全有显著影响，明显使得桥桩设计的竖向承载变为竖向+剪切承载，弃渣需要迁移控高处置，具体控制高度可综合确定。

将k32+733路段、k32+973路段和k33+053路段结构内力最值统计绘制成曲线，详见图9。

由图9可知，k32+733路段，轴力、弯矩、剪力曲线平缓，可以认为弃渣堆积对桥桩结构安全没有影响；k32+973路段，轴力、弯矩、曲线在超过40 m之后最大值曲线急剧上扬、最小值曲线小角度下沉，最大值变化比最小值变化剧烈，堆高不宜超过40 m；k33+053路段，轴力、弯矩、曲线在超过40 m之后最大值曲线急剧上扬、最小值曲线下沉，最大值变化比最小值变化剧烈，相对其他路段变化最剧烈，堆高不宜超过40 m。

图9 桥桩结构内力最值随弃渣高度演化曲线

2.3 工程监测检验及反馈

施工单位对k33+053路段选择外侧桥桩在施工中埋设测斜管和钢筋计，见图10；测试数据整理成图11(a)和图11(b)。

图10 桥桩内部安装测斜管及钢筋计图

由图11可知，上部桩身受弃渣影响较大，最大位移约5 mm，最大剪力192.4 kN，桥桩竖向承载变为剪切承载+竖向承载，后期施工方采取了减载+控制弃渣堆填高度处置措施后，数据趋于稳定。

图11 桥桩监测曲线图

3 结论与建议

通过对斜坡+桥桩+弃渣系统的极限平衡法和有限元综合分析，所得主要结论如下：

(1) k32+733路段弃渣距离桥桩最短距离52.5 m、坡脚弃渣底部水平宽度约55.0 m，所需加固力最小；k32+973路段弃渣距离桥桩最短距离11.7 m、坡脚弃渣底部水平宽度约41.0 m，所需加固力最大；k33+053路段弃渣距离桥桩最短距离0.0 m、坡脚弃渣底部水平宽度约73.0 m，所需加固力居中。因此，弃渣距离桥桩越远，对桥梁结构的影响越小；弃渣底宽越宽+初始坡面越缓，对斜坡的稳定增强效果越显著。

(2) 弃渣堆积改变了斜坡变形破坏机制，初始地形下沿碎石土层的剪切滑移变为改变地形下沿弃渣内部和弃渣与斜坡结合部剪切破坏，初始地形水平变位很小，小于mm级；弃渣堆积后，k32+733路段最大堆高47 m最大水平位移245 mm；k32+973路段最大堆高61 m最大水平位移146 mm；k33+053路段最大堆高55 m最大水平位移110 mm。斜坡弃渣系统的变形具有明显的阶段特征。

(3) k32+733路段，弃渣整个堆填过程，结构内力均在同一量级变化，对桥桩结构安全没有影响，可不做控高处置，仅需坡面整形+截排水处理。k32+973路段和k33+053路段，弃渣堆填高度超过40 m之后，内力急剧变化，桥桩由设计的竖向承载变为竖向+剪切承载，结构安全受到威胁，弃渣需要迁移控高处置，控制高度不宜超过40 m，同时还需要坡面整形+截排处理。

(4) 桥桩内力监测揭示的最大剪力192.4 kN，桩顶最大水平位移约5 mm，在控制弃渣堆填高度后，变形和内力趋于稳定。