堆載滑動對橋墩與樁基礎的影響分析

張璽彥， 雷勝友

(長安大學公路學院， 西安710000)

堆載滑動對橋墩與樁基礎的影響分析

張璽彥， 雷勝友

(長安大學公路學院， 西安710000)

針對處于陡坡地段的某公路大橋橋梁樁基偏位問題，通過數(shù)值計算結果與現(xiàn)場實測偏位值的對比分析，用位移法計算得到堆載滑動前后橋梁樁基的側向偏位與內力(彎矩和剪力)分布情況，并提出了合理的治理措施。研究結果表明，堆載滑動是影響橋梁安全性的主要因素，滑動后橋墩偏位和內力顯著增加；堆載大小對樁身偏位和內力分布影響較大，位移和內力隨堆載增加而增大且呈非線性增大；樁基在系梁處存在受力不利區(qū)域，樁身內力均在系梁處發(fā)生較大突變；實際中，應避免對橋梁樁基的大面積堆載，以免堆載滑動對橋梁產(chǎn)生破壞。

橋墩；樁基；堆載滑動；堆載大?。粋认蚱?；內力

引言

在山區(qū)修建鐵路和公路時，為避免對山體過度削切，保護現(xiàn)有的自然環(huán)境，往往采用高架橋穿越河岸、峽谷等特殊地區(qū)。但在這種地區(qū)修建橋梁時，橋墩樁基礎難免會建立在山體邊坡地段。在橋墩樁基礎施工完成后，由于受到地形的限制，鉆孔挖取的土體很難運輸?shù)蕉淹翀龆逊?，而選擇就近在橋梁墩臺周圍[1]。此時，堆積在橋墩周圍的土體就變成施加在橋墩樁基礎上的外荷載[2-4]。

堆土荷載會對橋梁墩臺基礎產(chǎn)生兩個方面的影響：一是堆土荷載作為施加在橋墩樁基礎上的外荷載，會對橋墩樁基礎產(chǎn)生側向壓力，致使橋墩樁基礎產(chǎn)生內力與變形，當樁體所受側向壓力大于樁側土體抗力時，樁側土體受到破壞，導致橋墩樁基礎傾斜，從而影響橋梁上部結構的安全使用；二是由于堆填土較為松散，在受到雨水，河流沖刷之后，在山坡地段上堆積的填土容易產(chǎn)生滑坡，堆載滑動產(chǎn)生的滑坡推力作用在橋墩樁基礎上，加大了橋墩樁基礎的受力與變形，輕則造成橋墩樁基礎傾斜，重則造成橋墩樁基礎開裂，影響其正常使用[5]。

針對堆載所引發(fā)的橋梁樁基偏位，國內外諸多學者進行了較為深入地研究。Cai F[6]等學者通過有限元法剪切強度計算理論，運用無厚度彈塑性邊界條件，建立了樁-土作用的三維彈塑性模型，通過模型驗算斜坡抗滑樁對工程治理的穩(wěn)定性效果。周德泉[7]、黃玨鑫[8]通過室內模型試驗研究了不同堆載面積、堆載距離、樁頂荷載等因素對模型樁的影響，并分析了其受力變形規(guī)律。魏煥衛(wèi)[9]等通過有限元分析方法，編制了大面積堆載對鄰近樁基影響的計算分析程序，計算出了樁頂水平位移，并分析了地面堆載大小等因素對樁頂位移的影響。代恒軍[10]等采用三維有限元分析方法，對地面堆載作用下鄰近樁基變形性狀進行了模擬分析，分別研究了淺層土體彈性模量和樁身剛度對各排樁基側向變形的影響。

本文針對某公路大橋橋梁偏位的實際工程問題，將實際情況加以等效，把樁柱式橋墩樁基看作受主動、被動土壓力、樁間土作用及滑坡推力的剛架，用位移法求得在堆載作用下和堆載滑動作用下橋墩與樁基的內力和位移，并與現(xiàn)場實測結果進行對比，從而進一步對堆載滑動后堆載大小對橋梁樁基礎的力學行為的影響進行深入剖析，同時提出了有效的防治措施。

1工程概況

1.1橋梁概況

某公路大橋修建于山谷河流地區(qū)，在K58+160(1#)～K58+340(9#)區(qū)段沿斜坡展開，5#、6#、7#橋墩均處于斜坡坡肩部位，在線路橫向上呈35°～40°的陡坡地形(圖1)。

圖1某大橋局部示意圖

由于后期橋墩施工過程中在該區(qū)段堆積了大面積回填土，導致填土堆積坡度達45°～50°，在縱橋向上填土堆積高度達3 m～16 m，在橫橋向上填土堆積高度達3 m～20 m，在縱橫方向上填土厚度變化很大。7#橋墩樁基礎橫斷面及堆載示意圖如圖2所示。5#～7#墩的詳細尺寸與填土情況見表1。

圖27#橋墩樁基礎橫斷面及堆載示意圖(單位：cm)

表1橋墩、樁基尺寸與堆土情況

現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)5#、6#、7#橋墩發(fā)生了偏移，7#橋墩向右側偏移了11 cm，向后側偏移了4 cm；6#橋墩向右側偏移了6 cm，向后側偏移了3 cm，5#橋墩僅是向右側偏移了3 cm。橋墩附近堆填土發(fā)生了明顯的滑坡現(xiàn)象，填土邊坡坡肩線位置處有數(shù)道張拉裂縫，坡肩側可見明顯下沉現(xiàn)象，斜坡中部、下部可見鼓脹裂縫和剪出特征，坡腳處可見局部垮塌。根據(jù)現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，主要是由于斜坡上堆載、降雨導致堆載滑動，進而作用在橋梁樁基上，導致橋梁樁基發(fā)生偏位。

1.2場地地質條件

橋墩所在斜坡毗鄰黃河左岸，呈坡洪積地貌，斜坡整體呈“凸”線型形態(tài)特征。根據(jù)現(xiàn)場勘察，并對所挖填土取樣，測得下層土樣的容重λ=21.2kN/m3，天然含水率W=12%；上層土樣的容重λ=21kN/m3，天然含水率W=18%，粘聚力C=18kPa，內摩擦角φ=15°。地基土以角礫土、碎石土、卵石土為主，表層為少量的耕植土，耕植土下為碎石，碎石之下為卵石。其樁側摩阻力標準值qk和地基土承載力基本容許值[fa0]見表2。

表2地基土承載力參數(shù)

2分析步驟

2.1計算工況

橋墩施工作業(yè)過程中在該區(qū)段堆積了大面積回填土，此時橋墩與樁基并未發(fā)生嚴重偏位。隨著雨季來臨，黃河水位上漲，填土上部受降雨侵蝕，加上松散填土的自重沉降，填土邊坡發(fā)生了滑坡，導致個別橋墩發(fā)生了偏移。從實際情況分析，橋墩發(fā)生偏位主要經(jīng)歷了兩個階段：

(1)堆土荷載產(chǎn)生的主動土壓力使橋墩內力發(fā)生變化，但未發(fā)生嚴重偏位，處于彈性變形階段。

(2)雨季降臨及黃河水位上漲使斜坡上堆土產(chǎn)生滑坡，橋墩在滑坡推力作用下發(fā)生了嚴重偏位。

從上述兩個階段進行分析、比較在填土荷載作用下和堆載滑動作用下橋墩與樁基的內力和變形。

2.2模擬計算

由于樁間設置連接梁，樁的內力分布都發(fā)生變化，沿樁體彎矩方向的變化規(guī)律不同于懸臂樁內力分布形式，因此不能將樁柱式橋墩樁基看作組合梁，而是將其作為受主動、被動土壓力、樁間土作用及滑坡推力的剛架更合適。

為了解堆載滑動前后橋墩樁基礎的受力變形問題，利用平面有限元對上述工況進行模擬分析。將堆載滑動前的橋墩樁基礎受力看作在堆載土壓力作用下剛架的內力與變形分析，將堆載滑動后的橋墩樁基礎受力看作在滑坡推力作用下的剛架內力與變形分析。采用簡化的Bishop法對坡體穩(wěn)定性進行分析，根據(jù)現(xiàn)場地質條件，坡體穩(wěn)定性系數(shù)不小于1.35，運用Slope/W程序得到合理的條分結果，再采用滑坡推力傳遞系數(shù)法算得滑坡推力。分別將土壓力、滑坡推力作用在與實際橋墩樁基礎等效的剛架上，得出堆載滑動前后橋墩樁基的變形與受力。

3橋墩樁基計算結果分析

3.1堆載滑動前后7#橋墩計算結果分析

圖3是7#橋墩樁基礎堆載滑動前后位移云圖。

圖37#墩堆載滑動前后位移云圖

由圖3可知，在堆土荷載作用下，7#橋墩樁基礎發(fā)生了橫橋向偏移，此時偏位值為30.6mm，橋墩與基樁處于彈性變形范圍內。堆填土在受到雨水，河流沖刷之后產(chǎn)生滑坡，堆載滑動產(chǎn)生的滑坡推力會作用在橋墩樁基礎上，此時偏位值為105.6mm，比堆載滑動前偏位值增大了2.45倍，與偏位實測值110mm基本相符。

圖4、圖5為7#橋墩堆載滑動前后彎矩剪力圖，表3為堆載滑動前后墩柱的最大彎矩值和最大剪力值及出現(xiàn)的相應位置。

圖47#墩堆載滑動前后彎矩云圖

圖57#墩堆載滑動前后剪力云圖

由圖4和表3可知，7#-1墩柱堆載滑動前的最大彎矩為3046.2kN，堆載滑動后為8147.7kN，增大了約1.68倍，出現(xiàn)在地面下13.2m(系梁處)，之后彎矩急劇減?。?#-2與7#-3墩柱堆載滑動后的最大彎矩較堆載滑動前分別增大了2.51倍和4.29倍，同樣出現(xiàn)在地面下13.2m(系梁處)的位置。其中7#-1墩柱彎矩值增長最小，7#-3墩柱彎矩值增長最大。

由圖5和表3可知，堆載滑動前最大剪力出現(xiàn)在左側系梁上，為1440.0kN，堆載滑動后最大剪力出現(xiàn)在右側系梁上，為4190.0kN，增大了約1.91倍。7#-1墩柱剪力有所減小，變化最大的為7#-3墩柱，剪力最大增大了7.82倍。堆載滑動后墩柱上剪力最大值均出現(xiàn)在滑動后的地面處。

綜上所述，當發(fā)生實測偏位時，7#墩將產(chǎn)生顯著的附加彎矩，剪力變化明顯，顯然這將會威脅到橋梁樁基的安全。

表37#墩堆載滑動前后樁身彎矩剪力

3.2堆載滑動前后5#、6#橋墩計算結果分析

對5#、6#橋墩樁基偏位結果進行簡略分析。5#、6#橋墩樁基堆載滑動前后偏位值與最大彎矩值、剪力值見表4。

表45#、6#堆載滑動前后墩柱樁身偏位、彎矩、剪力

由表4可知，5#、6#墩堆載滑動前后偏位值分別增大了0.43倍和1.55倍，與滑動后實測值接近。所得彎矩圖剪力圖與7#墩變化規(guī)律相似，驗證了上述模型和分析結果是合理的。5#、6#墩最大彎矩、最大剪力對比規(guī)律與7#墩基本相同，當達到實測的偏位值時，樁身將產(chǎn)生顯著的附加彎矩，剪力變化明顯，威脅到橋梁樁基的安全。

3.3堆載滑動后堆載大小對橋墩的影響分析

由上述分析可知，堆載滑動對橋墩偏位、彎矩、剪力影響最大，因此針對滑動后橋墩的計算結果進行分析。5#、6#、7#橋墩一側堆載寬度分別為5.31m、6.78m、11.47m，因此研究三組橋墩的偏位、彎矩、剪力變化，可以得出在不同堆載寬度(堆載大小)條件下橋墩偏位、彎矩、剪力的變化規(guī)律。

(1)堆載滑動后橋墩位移結果分析

圖6為滑坡后5#、6#、7#橋墩三根墩柱位移隨樁深變化的曲線圖。

圖6不同堆載大小下樁身位移圖

由圖6可知，(1)在上述三種堆載大小情況下，樁身位移隨著樁深的增加逐漸減小，最大值出現(xiàn)在墩頂處；(2)隨著堆載大小的增加，樁身位移逐漸增大，當堆載大小增大1倍時，樁身位移平均增大1.85倍；(3)在不同堆載大小作用下，最靠近堆載的樁1位移值最大，樁2、樁3位移值較小，但三者相差不大。這是由于橋墩的兩組系梁把三根墩柱聯(lián)結成一個整體，相當于一個剛架，所以每組橋墩中的三根墩柱位移值相差不太大，不超過30%。

(2)堆載滑動后橋墩彎矩結果分析

圖7為滑坡后5#、6#、7#橋墩三根墩柱彎矩隨樁深變化的曲線圖。

圖7不同堆載大小下樁身彎矩圖

由圖7可知，(1)5#、6#、7#橋墩的三根墩柱的彎矩變化曲線隨著堆載大小的增加而呈順時針旋轉，即隨著堆載大小的增加，樁身各部分彎矩均增大，說明堆載大小對樁身所受彎矩影響較大；(2)三組橋墩的第一根墩柱彎矩變化幅度最小，第三根墩柱彎矩變化幅度最大；(3)樁身中上部出現(xiàn)了正彎矩，樁身下部出現(xiàn)負彎矩，均在地面下約13.2m處(系梁處)發(fā)生較大突變。系梁處彎矩顯著增加，說明系梁約束使得樁身彎矩向不利的方向發(fā)展。

由不同堆載大小下樁身剪力圖可知(圖8)，(1)隨著堆載大小的增加，樁身各部分剪力均增大；(2)三組橋墩的第一根墩柱剪力變化幅度最小，第二、三根墩柱剪力變化規(guī)律相似，且第三根墩柱變化幅度最大；(3)樁身剪力基本為負，共發(fā)生兩次突變，第一次較大突變發(fā)生在地面下約13.2m處(系梁處)，系梁約束使得樁身剪力顯著增加，第二次發(fā)生在地面下約21m處，從此處向下，剪力為常數(shù)。

圖8不同堆載大小下樁身剪力圖

4治理措施

經(jīng)過前期計算分析表明在堆載滑動前，墩柱和系梁剪力、彎矩都在破壞臨界值之內，結構處于安全狀態(tài)。由于堆載滑動使得結構的剪力、彎矩增加明顯，剪力已超過抗剪極限值，彎矩也達到抗彎極限，橋墩處于不安全的狀態(tài)。

為防止破壞進一步加劇，應立即清除邊坡堆載，對受損系梁進行加固，確保橋梁安全運營。并應對橋墩周圍的邊坡采取加固措施，以防止邊坡滑動對橋墩產(chǎn)生下滑力，對橋墩不利；為防止坡腳受到黃河水流的沖刷，應增加橋墩防沖刷構筑物；為防止降雨加大對邊坡的沖刷，應增加排水工程。

經(jīng)現(xiàn)場詳細勘察，后期卸載后墩柱已恢復部分偏位，并對系梁進行了修補加固，同時為防止滑坡加劇，從邊坡土體特征考慮，選擇重力式擋土墻對橋墩所在坡體進行防護。經(jīng)勘察，治理效果顯著。

5結論

(1)堆載使橋梁樁基產(chǎn)生一定的偏位、附加彎矩和剪力，但由于降雨、河水沖刷等原因發(fā)生了堆載滑動，此時橋墩偏位值、附加彎矩值、剪力值明顯增大。因此在橋梁邊坡中，堆載滑動對橋梁安全性影響顯著。在實際工程中，應避免對橋梁樁基的大面積堆載，堆載滑動前出現(xiàn)異常情況應及時預防治理，以免發(fā)展到堆載滑動階段。

(2)將5#、6#、7#墩位移、彎矩和剪力對比圖視作堆載寬度(堆載大小)對樁身位移、樁身彎矩、樁身剪力的影響曲線。堆載大小是影響樁身偏位和內力(彎矩和剪力)分布的重要因素，位移和內力隨堆載大小增大而增大。樁基在系梁處存在受力不利區(qū)域，樁身內力均在系梁處發(fā)生較大突變。

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The Impact Analysis of Surcharge Load Sliding Influence on the Bridge Pier and Pile Foundation

ZHANGXiyan,LEIShengyou

(School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710000, China)

Based on a highway bridge project at the steep slope section of which the deflection of the pier and pile are caused by the load sliding, through the comparative analysis of the results of numerical calculation and field measurement, the lateral displacement around bridge pile foundation and the internal force (the bending moment and the shear force) distribution with the reasonable measures are carried out using displacement method. The load sliding is the main factor influencing the safety of bridges according to the results, significantly displacement and internal force of piers increased after sliding; the lateral displacement and internal force are increased nonlinearly with increasing loading when the magnitude of stack influencing deviation and internal force distribution of pile body; department of pile foundation near the beam where the bending moment and shear force are larger saltation appears adverse stress area. Consequently, it’s necessary to avoid the large stack of bridge pile foundation to reduce bridge damages.

bridge pier；pile；load sliding；loading；lateral displacement；internal force

2016-12-19

國家自然科學基金(59479017)

張璽彥(1990-)，女，山東濰坊人，碩士生，主要從事巖土工程方面的研究，(E-mail)332446071@qq.com; 雷勝友(1965-)，男，陜西渭南人，教授，博士，主要從事土力學、巖石力學、加筋土高擋墻等方面的研究，(E-mail)rongrong11085310@sina.com

1673-1549(2017)02-0084-06

10.11863/j.suse.2017.02.17

U441

A