黄土高边坡区域桥基临坡距影响及施工技术研究

摘 要：本文基于某大桥实际工程，通过ABAQUS建立模型计算，研究了不同临坡距对边坡稳定性和桩-土接触状态的影响，结果表明，桥基临坡距小，在潜在滑动面内，会对滑体起阻挡作用。当超过一定距离，桥基对边坡稳定性无影响，在边坡极限状态下，临坡距过小，桥基与桩前土体脱离。临坡距较大，边坡稳定。临坡距对桩前、桩后土压力的峰值深度影响较大，在施工前，应该对天然边坡潜在滑动面位置进行试算，确定滑动面位置，选择合理临坡距，桥基选用钻孔灌注桩，浅层土干孔施工，深层土泥浆护壁钻孔的方式可保障施工安全。

关键词：黄土高边坡桥基；临坡距；数值模拟；ABAQUS

中图分类号：U 41 " 文献标志码：A

黄土是一种特殊土，具有湿陷、多孔隙、弱胶结、浸水强度低等特性，易导致滑坡等灾害[1]。黄土地区多沟壑，因此用桥梁形式穿越公路路线是常用的方法。桥基在桥梁上部结构自重荷载和桩周土体不平衡力的作用下，比平地桥基、普通抗滑桩受力形式更为复杂，属于倾斜受荷[2]。蔺鹏臻等[3]根据边坡上桥基的静力平衡条件，对桥基的受力及变形进行理论计算，证实边坡效应对桥基受力有不利影响，导致其顶部位移变大。段瑞芳等[4]运用FLAC 3D研究了边坡土体缺失对桥基的影响，建立了冲刷作用下的影响函数和边坡极限承载力评价方法。此外，还有学者研究了桥基临坡距对边坡稳定性的影响，并提出了黄土地区施工优化措施[5-7]。本文基于某大桥实际工程，采用ABAQUS软件进行建模计算，对黄土高边坡区域桥基在不同临坡距下的整体稳定性、桩-土接触状态进行研究，结合工程实际情况，选用钻孔灌注桩作为桥基，并对其施工技术进行研究。

1 数值模拟

该桥是高速公路的重点控制工程，桥址区土体主要为第四系覆盖层，由第四系上更新统马兰黄土（Q3eol）、古土壤（Q3eol）、中更新统离石黄土（Q2eol）、中更新统古土壤（Q2eol）构成。地表水不发育，仅雨季存在短暂地表径流，地下水类型为第四系松散岩类孔隙潜水，地下水较富集，以地下径流方式向河谷排泄。

基于实际工程，用ABQUS软件建立边坡的三维数值模型，如图1所示。考虑实际工程的复杂性及ABQUS软件的特性，假定各土层为各向同性的弹塑性材料，忽略施工、地下水等因素的影响，采用改变场变量的方法减少边坡土体材料的黏聚力和内摩擦角，从而达到强度折减的目的。为保证计算效率和计算结果的有效性，根据对称性，取三维桩-土有限元模型进深为1/2桩间距，即3.4m，桩-土接触面以桩刚度为主面，土体为从面，模型底面为全约束边界，四周为法向约束边界，对模型施加自重应力场。

边坡上层土体为黄土，下层为粉质黏土，采用摩尔-库伦本构模型。桥基为C40混凝土，采用弹性模型。根据该工程的地质勘察报告，结合《工程地质手册》，选取该边坡桥基稳定性数值模拟的参数，见表1。

2 桥基临坡距影响分析

2.1 边坡稳定性分析

将位移拐点作为失稳判据，对桥基在不同临坡距的数值模型进行强度折减计算，可得到其极限状态下的边坡的塑性应变和总位移，设桥基直径为D。根据边坡塑性应变云图可知，该边坡潜在滑动面位置离坡面较近，且形状陡峭。当桥基临坡距在4D内时，其所处位置在滑动面内，边坡塑性应变最大处出现在桥基与桩前土体接触位置，且随着临坡距增加呈减少趋势。而当桥基临坡距大于4D时，桥基所处位置远离滑动面，边坡塑性应变与天然边坡较为接近。随着桥基临坡距增加，边坡整体稳定性增强，总位移变小，如图2所示。分析边坡位移可知，当临坡距由1D增至2D时，边坡总体位移减少明显，在临坡距超过4D后，边坡总位移几乎不发生变化。

临坡距-边坡安全系数关系曲线如图3所示，该黄土边坡在天然情况下的安全系数为0.93。由于天然边坡坡度较大，十分陡峭且黄土土质条件相对较差，因此稳定性较差。当桥基临坡距为1D～3D时，桥基位处滑坡面内，可以起到类似抗滑桩的阻滑作用，边坡安全系数大于天然边坡，当桥基临坡距为4D～5D时，桥基与滑动面相邻，对其产生了一定扰动，增加了滑坡推力，导致边坡稳定性降低，安全系数低于天然边坡，当桥基临坡距为6D时，对滑体几乎无影响，因此安全系数与天然边坡相近。

2.2 桩-土接触状态分析

该桥基主要承受由桩前、桩后的不对称土体和潜在的、有移动趋势的滑块造成的桩前土体抗力和桩后土体推力，其内力分布复杂，类似超静定梁。

根据强度折减后的桩土变形结果可知，边坡土体和桥基顶部之间出现明显的脱离现象。桥基整体上部呈弯曲变形状态，下部呈锚固状态，类似长抗滑桩变形。桩前土体产生了较为明显的失稳变形，局部呈现桩土完全脱离的状态，而桩后土体相对稳定。边坡土体变形与桥基临坡距有明显关系，桩前土体变形比桩后明显。随着临坡距从1D到4D，桩前土体变形逐渐减少，即桩离边坡越远，土体越稳定。当临坡距为1D和2D时，桩和土之间发生了明显的局部脱开变形，临坡距4D后，桩前土体与桩的接触状态趋于稳定，几乎没有脱开变形。

图4为桥基桩前、桩后的土压力随深度的变化，土压力为0表示桩-土无接触。桩前土体和桥基的脱开距离随着临坡距增加，呈现先减少后逐渐稳定的趋势。当桥基临坡距为1D时，其桩-桩前土无接触状态深度约为20m，随着临坡距增加，其无接触状态依次为18.41m、16.64m、14.78m、14.77m和14.76m。

而桩-土接触压力变化规律与临坡距关联度较少，桩前土压力均随着桥基埋深增加呈现先增后减，再逐渐增加的趋势，且随着临坡距增加，桩与潜在滑动面距离变远，桩前土压力的第一峰值点深度上移。桩后土压力随着深度呈现“M”形变化，在临坡距超过2D后，其总体变化趋于一致。由于临坡距增加，桥基逐渐远离了边坡潜在滑动面，因此其抑制边坡滑动的能力逐渐降低。

此外，由于桩前和桩后土体存在不对称性，因此桩后的土压力总值要大于桩前土压力，且随着临坡距增加而逐渐接近。不同临坡距时的边坡在极限状态下，桥基前后总土压力如图5所示。由图5可知，随着临坡距从1D到4D，桥基前后总土压力均随着临坡距增加而出现明显减少，且桥基后总土压力明显大于桥基前总土压力。当临坡距1D到2D时，桥基前后的总土压力值变化最大，这与土压力分布曲线的变化一致，即当临坡距为1D时，桥基对边坡的阻滑能力相对较强。但结合边坡位移和桩土接触状态可知，当桥基临坡距为1D时，边坡土体位移相对较大，桩前土体存在脱离风险，因此在实际工程中，当小临坡距范围进行桩基设计时，须综合考虑上述影响。

而随着临坡距从4D到6D，桥基前后总土压力虽略有减少，但比之前变化平缓，且桥基前后总土压力逐渐接近，由此可知，此时桩基逐渐远离天然边坡的滑动面，基本不能起到阻滑作用，但结合安全系数分析可知，当桩基与滑动面相邻时，不利于边坡整体稳定，因此，当大临坡距范围内进行桩基设计时，应使桩基尽可能远离边坡滑动面，并根据平地桩基要求进行设计，不考虑桩基的阻滑作用。

3 施工技术研究

工程位于黄土残塬沟壑地貌单元，地面标高为1022.04～

1104.57m，相对高差为82.53m，多高陡坡，表层黄土深厚且裂隙发育，施工难度大。因此，应在考虑地质条件、地形地貌的基础上，综合施工工期、施工技术、工程预算等要求，制定合适的施工方案，尽量减少对黄土边坡扰动，避免灾害发生。

按照本文所述的数值模拟方法对天然状态下的边坡进行试算，确定边坡滑动面位置，选择合理的临坡距，并根据该桥的工程特性和桥址区地质状况，选用钻孔灌注桩作为桥基，采用旋挖或冲击钻成孔，浅层土干孔施工，深层土泥浆护壁钻孔，用导管法灌注水下混凝土的施工方案较为合理。

由于桥址区施工环境复杂，因此须在以下4个方面对桥基施工技术进行控制。1）护筒埋设：控制护筒尺寸、护筒位置和周围填土。2）护壁泥浆制备：根据地层情况及时调整稠度、拌制时间、材料等参数。3）钻进成孔：根据深度、地层性质采用合适的钻进成孔方法。4）桥基砼灌筑施工：选择合适的混凝土原材料，并对灌注全过程进行实时监控。

4 结论

本文基于实际工程，采用ABAQUS软件进行建模计算，针对桩基不同临坡距下的边坡稳定性、桩-土接触状态进行研究，结合实际情况选用钻孔灌注桩作为桥基，得到以下结论。1）临坡距对边坡影响较大，当临坡距小时，桥基位于滑动面内部，起到了阻滑的作用，因此边坡的总位移较大，但安全系数高，临坡距设置不合理会导致滑坡推力增加，边坡安全系数降低。在临坡距超过一定距离后，对边坡滑动几乎不产生影响，边坡总体位移和安全系数均与天然边坡相近。2）当临坡距较小时，桩前土体与桥基脱离，产生明显的滑动变形，在临坡距增加后，桩前土体与桥基接触状态稳定，未发生脱开变形。临坡距对高边坡桥基桩前、桩后土压力随深度变化的规律无影响，但对其峰值深度有影响，主要与桥基和滑坡面相对位置有关。3）在施工前，对天然边坡潜在滑动面的位置进行试算，确定滑动面大致位置，综合评估桥基自身的受力特性和对边坡的阻滑特性，选择合理的临坡距。根据黄土高边坡的施工安全要求，桥基选用钻孔灌注桩，浅层土干孔施工，深层土泥浆护壁钻孔，并通过实际工程验证该方案的合理性。

参考文献

[1]孙永新. 考虑边坡效应的桥基础力学行为的理论与试验研究[D].兰州：兰州交通大学，2016.

[2]常前永. 地震作用下陡坡与桥基相互影响的研究[D]. 赣州：江西理工大学， 2019.

[3]蔺鹏臻，武发辉，杨子江.考虑边坡效应的桥基受力分析[J].中国铁道科学，2016，37（4）：54-60.

[4]段瑞芳，王鼎，王晓明.冲刷作用下斜坡桥基竖向极限承载力评价方法[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2019，43（1）：20-25.

[5]程刘勇，许锡昌，陈善雄，等.斜坡基桩水平极限承载力及影响因素模型试验和数值模拟[J].岩土力学，2014，35（9）：2685-2691.

[6]焦全民. 桥基对黄土边坡稳定性影响研究[J]. 山西交通科技， 2018（5）： 49-51.

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