边坡上桩基施工对既有边坡影响的数值分析

张玉玺 谷任国

（华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510641）

0 引言

桥梁、电塔等基建发展迅速，在山体边坡上进行桥梁桩基施工也越来越常见，但边坡本身存在稳定性不足等风险，在其上进行桩基施工可能会产生潜在的安全隐患。为了保证这类基础施工的安全性，需要加强基础施工对地形稳定性影响的研究。

目前研究主要分为边坡上桩基水平受力分析与竖向受荷对边坡稳定性影响以及桩基变形影响两个方面。在关于边坡上受到水平荷载作用时，王鉴[1]对土质边坡坡顶的刚性桩进行模型试验与有限元模拟分析，坡角越大，桩身发生破坏时位移越显著。杨明辉[2]对边坡造成的桩基土抗力折减进行研究，边坡上桩基水平承载力会弱于平地状态。彭文哲[3]分析了水平荷载作用下的桩基对边坡稳定性的影响，提出边坡稳定性系数半理论半经验方法，且得出桩基自坡脚向坡顶移动过程中，边坡稳定性逐渐增强。在边坡上桩基受到竖向荷载作用时，万丹丹[4]对人工高陡边坡上的大直径灌注桩的受力进行数值分析，研究竖向荷载大小、桩长以及桩径等因素对桩基承载力的影响。竖向荷载增大时对桩基受力与承载有利。蔺鹏臻[5]也对边坡效应下桩基受力进行分析，边坡效应会使桩基受力增加。赵明华[6]通过有限元分析，研究边坡地层内摩擦角，桩基竖向荷载，桩基水平荷载、边坡坡度、粘聚力、桩径等因素对桩基变形的影响，得到桩周岩体的强度对桩基位移和内力影响最大。因此需考虑桩周开挖时的影响。陈欣[7]研究了边坡内建筑桩基对边坡内力的影响，当边坡处于非极限状态时，桩基会使边坡侧向土压力增大。在实际施工时必须考虑桩基对边坡稳定性的影响。杨进[8]通过有限元分析，计算高边坡条件下的桩基受力特性，得出岩土性质对桩基影响明显，在计算过程中要考虑桩基所处土层分别计算。

在上述研究中主要考虑土层、桩基参数对稳定性的影响，通过改变桩基的受荷状态，桩基布置方式以及研究边坡坡角、底层分布等分析影响稳定性的因素，但对桩基施工过程对边坡作用的关注较少，而本文则基于整个施工过程进行分析，研究各个施工阶段对边坡稳定性的影响，总结出对边坡稳定性影响最大的施工阶段。

1 工程概况

该工程由于片区工程建设进行土方挖填，导致出现多处挖方及填方边坡。其中工程北侧边坡为挖方边坡，边坡高度为5.4～47.2m，边坡主要位于强风化花岗岩底层，最大边坡级数为5级，每级边坡高度为9m，边坡采用格构梁+锚杆+客土喷播的支护形式。电塔位于该边坡上且具有四个支墩，电塔桩基础采用人工挖孔桩，其中Q1电塔支墩桩基位于三级边坡，桩基直径2.6m；T1电塔支墩桩基位于一、二级边坡，桩基直径1.6m。

场地土层普遍为第四系松散层。场地内边坡主要由人工填土、坡积土、残积土、全风化、强风化组成，局部为中风化花岗岩组成。场地地下水按水介质类型主要分为孔隙水、基岩裂隙水，水位埋深0.5～7.00m；土层具体参数如表1所示。

表1 土层参数取值表

图1与图2分别为Q1铁塔桩基与T1铁塔桩基在边坡上的位置。Q1塔4个基础坐落在第三级边坡，四条支墩与格构梁和锚杆冲突，且Ⅰ、Ⅲ支墩与排水沟相切。T1塔4个基础位于第一、二级边坡，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ支墩与边坡既有格构梁和锚杆冲突，且Ⅳ腿与排水沟冲突。由图可知，桩基施工过程中会破坏既有边坡支护，对边坡稳定性产生一定影响，进而对铁塔桩基稳定性造成影响，存在潜在风险，因此对桩基施工过程进行数值模拟，分析边坡稳定性与影响因素。

图1 Q1电塔桩基与边坡相对位置图

2 数值模型的建立

根据实际工程地质情况，考虑地下结构与周围地层的相互作用，采用地层-结构法建模。在模型内采用有限元强度折减法（SRM），将边坡稳定性计算中的粘聚力与内摩擦角逐渐减小，直至达到失稳状态，此时的折减系数即为边坡的安全系数。

为消除尺寸效应的影响，计算模型几何尺寸长、宽、高取100m×100m×145m。模型侧向加水平约束，底部加竖向约束，顶部不施加约束。模型中土体、电塔桩基础采用三维实体单元，格构梁采用线单元。地面超载20kPa，桩基参数与受力按照表2与表3取值。模型中各土层和构件材料均考虑自重作用，土体采用摩尔库伦理想弹塑性模型，桩身结构采用弹性模型。图3为建立的数值模型。

图3 数值模型示意图

表2 电塔桩基参数

根据实际施工情况，在工况中设置5个施工步骤，如图4所示，分别为初始应力场计算、边坡现状计算、平整桩基范围场地、桩基成孔、桩基浇筑。在计算过程中，分别得到各个施工步骤的位移变形云图与塑性应力图，分析边坡的位移、应力变化与稳定性系数。

图4 数值模拟工况

3 数值模拟结果分析

（1）图5为自然状态下云图。在此阶段只考虑重力作用，计算边坡的潜在滑动面。由计算结果可知边坡稳定性系数FS为1.4，根据边坡稳定状态划分标准可知，当稳定性系数FS>1.15时，边坡处于稳定状态。由图5(a)可知，在坡脚处应变大，因此处坡面较陡，易产生应力集中，所以在后续施工过程中，需考虑施工过程对坡脚的影响，防止因应力过大，发生破坏的风险。图5(b)为应变最大值截面图，其潜在滑动面由坡顶开始延伸，且处于强风化花岗岩层中。综上，边坡在自然状态下处于稳定状态。

图5 初始阶段云图

（2）图6为桩基周围场地整平阶段云图。此时对桩基周围土层进行整平，会对边坡整体产生一定扰动，因此分析其位移与应力变化情况。图6(a)为平整场地时的总位移云图。因在此阶段施工时尽量减少对边坡的扰动，只在桩基范围内产生较大位移变形，最大位移为42.31mm。在距离整平范围较远的位置，变形在10mm左右，未对边坡产生安全影响。图6(b)为应力分布图，此时应力只集中在桩基整平位置处，与实际施工情况相吻合，在此处开挖时产生一定的应力变化。自然状态下的应力向开挖处释放。最大压应力值为0.067，在Q1塔位置处，因Q1塔基全部位于第三级边坡处，因此所受力基本为竖向应变。最大应变值为1.32，出现在T1塔桩基上，T1塔基横跨一、二级边坡，在其交界处应力更为集中。图6(c)为应变最大处截面，此时潜在滑动面未发生变化，边坡处于稳定状态。

图6 场地整平阶段云图

（3）图7为桩基孔开挖阶段分析图。由图7(a)总位移图可知，在桩基孔开挖阶段边坡位移显著增大。最大位移出现在T1塔桩基处，最大位移值为282.32mm，在其余桩基位之初位移也显著增大。位移差异是由于边坡所处位置不同，位于坡角处的桩基更易发生变形，竖向位移也大于其余位置，与相关研究相符。桩基孔位处的开挖过程也破坏了原有的边坡支护，地下锚杆被破坏也是位移过大的原因之一，边坡状态发生变化，稳定性受到影响。由于此时位移显著，边坡易发生滑动危险，在此阶段需注意边坡状态，将位移控制在合理范围内，同时做好孔位防护工作。图7(b)为应变图，最大应变分布在坡脚与坡顶位置，此时坡脚最大应变值3.1，为自然状态下的3～4倍，边坡应力由桩孔位置处传递至坡脚位置，当此处应变值继续增大时边坡则可能会发生破坏的风险。图7(c)为应变最大处截面，此时滑动面位置逐渐集中，在开挖过程中滑移面逐渐向强度较弱土层移动，当应力逐渐增大时会在坡面发生滑动。此时滑移面仍在强风化花岗岩内，边坡仍处于稳定状态。即只要合理控制施工过程，边坡发生破坏的风险较小，因坡脚为应力集中处，在施工过程中需严格控制坡脚处的防护工作。

图7 桩基成孔阶段云图

（4）桩基浇筑阶段是整个施工的最后一步，此时需注意浇筑过程中的边坡位移与应力变化（见图8）。由图8(a)总位移图可知，在浇筑完成后边坡位移未发生明显变化，主要沉降仍发生在电塔桩基础位置处，表明在浇筑阶段发生位移破坏的风险较小，只需控制桩孔周边沉降即可。由图8(b)应变分布可知，桩基浇筑完成后，虽然坡脚处仍为应变集中处，但应变值明显减小，而坡顶应变值未发生明显变化。即桩基浇筑完成后可减小坡角处应变，此时桩基发挥一部分抗滑桩作用，承受边坡的水平荷载，对边坡稳定性具有一定的加强作用，且在实际施工阶段坡顶所受影响较小，不构成安全隐患，在施工时可适当减少对坡顶的防护。图8(c)为应变最大处截面，此时已无明显的滑移面，边坡整体处于稳定状态。由于桩基穿过黏土层，达到强风化花岗岩层，因此边坡的一部分水平荷载由桩基承担，边坡稳定性显著提高。

图8 桩基浇筑过程云图

根据上述施工阶段分析可知，在桩基成孔阶段最易发生破坏风险，此时桩基周围的区域位移变形较大，坡角处应变值较大，应力较为集中，在此时应注意加强桩基周围的防护与坡脚处的加固，防止边坡出现失稳风险。而在浇筑完成后边坡稳定性由于桩基承担坡体的部分水平荷载而提高。

4 结束语

通过对自然状态、桩基场地整平、桩基成孔、桩基浇筑阶段的数值模拟，分析了边坡的位移变形、塑性应变云图、应变最大值处截面，得到以下结论：

（1）边坡上的桩基在成孔阶段最易引发边坡失稳风险。此时桩基位置处位移变形较大，但扩散作用弱，远离成孔区域时，变形显著减弱，因此在施工过程中要加强对桩孔的防护工作。

（2）在整个施工阶段过程中，坡脚始终是应变集中处，易因施工引起的应变导致坡脚发生破坏，进而加剧边坡整体滑移的风险。在实际施工时要强化坡脚处的支护。坡顶受桩基施工影响较小，无明显变化。

（3）在桩基施工完成后，因桩基承担一部分水平荷载，会使边坡稳定性提高，因此在控制好前期施工阶段后，边坡上桩基对边坡稳定性也有一定加强作用。