斜坡穩(wěn)定性對鄰近高架橋樁基變形影響分析

楊 靜

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067； 2.國家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心，重慶 400067)

隨著城鎮(zhèn)化建設的迅速發(fā)展，既有橋梁鄰近的斜坡區(qū)域出現(xiàn)了大量的基坑開挖作業(yè)，這類建設會影響斜坡穩(wěn)定性，進而威脅斜坡區(qū)域橋梁結(jié)構(gòu)的受力與安全，輕者引起橋梁支座發(fā)生位移或破壞，重者造成墩柱發(fā)生傾斜或橋梁坍塌，總之處理不當，會致使既有橋梁無法正常安全使用。

近年來，國內(nèi)外橋梁因所在的斜坡區(qū)域失穩(wěn)導致橋梁災害越來越多，如日本高知縣立川橋因大雨引起的斜坡失穩(wěn)，造成3跨橋梁坍塌；印度那加蘭邦首府科希馬的薩諾魯大橋因暴雨引起斜坡失穩(wěn)而坍塌；我國安徽省宣城市宣州區(qū)養(yǎng)賢鄉(xiāng)境內(nèi)的天成橋北側(cè)土體失穩(wěn)，致使天成橋的橋柱基礎平行推移而發(fā)生垮塌。

國內(nèi)外學者開展了大量基坑開挖對鄰近橋梁安全影響的研究工作[1-8]。杜金龍等[1]提出了適用于均勻土質(zhì)基坑開挖與鄰近橋梁樁基相互作用的彈塑性解方法。李龍劍等[2]采用彈塑性有限元方法研究了水平層狀土質(zhì)基坑開挖對鄰近橋梁樁基的影響，認為開挖對多排樁基礎的水平位移趨勢相同，后排樁位移略小于前排樁。王從鋒等[3]采用有限元強度折減方法計算了均質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性問題，確定開挖過程中坡體的應力、應變以及位移等指標對實際邊坡的開挖和加固處理有一定參考價值。李明等[4]采用Midas軟件研究了土層深基坑對近距高架橋變形的影響。楊濤等[6]采用兩階段分析法研究了基坑開挖深度與樁基水平位移的影響。

上述研究主要圍繞土質(zhì)基坑開挖對鄰近橋梁樁基的影響，對于巖土二元結(jié)構(gòu)斜坡穩(wěn)定性及對鄰近橋梁樁基的影響研究較少，兩者存在以下較大差異：1) 建于二元結(jié)構(gòu)斜坡上的橋梁樁基多為嵌巖樁，而土質(zhì)基坑鄰近橋梁樁基多為摩擦樁，兩者受力、傳力特性存在較大差異，二者與地基的協(xié)調(diào)變形也有較大區(qū)別；2) 近年來，有限元強度折減法得到大范圍應用，但其關鍵難點在于巖土體計算參數(shù)的選取以及計算模型對實際情況的仿真程度，這直接決定了數(shù)值計算結(jié)果是否可指導工程應用。

本文以某高架橋下巖土二元結(jié)構(gòu)的基坑開挖為例，按實際工程區(qū)域地質(zhì)條件情況進行建模，采用有限元強度折減法，分析橋梁所在斜坡穩(wěn)定性以及基坑開挖與支護對橋梁樁基變形的影響，以期為本工程的實施提供支持。

1 工程背景

某高架橋所處斜坡屬丘陵斜坡地貌，微地貌受巖性控制明顯，總體坡角約25°，由于人類活動，斜坡中上部多呈階梯狀，部分保留斜坡自然狀態(tài)。場地擬建居民小區(qū)，橋梁所在斜坡下方為小區(qū)消防通道，向下開挖約10 m，基坑(消防通道)開挖邊界與高架橋墩中心線最小水平距離約25.5 m，斜坡縱斷面如圖1所示。

單位：m

基坑開挖前，為開展場地清理和修建施工便道，進行了小范圍的的削坡，致使橋梁基礎附近斜坡地表的松散土層出現(xiàn)斷續(xù)延伸的拉裂縫，裂縫長40 m～55 m，縫寬0.5 cm～5 cm，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場裂縫照片

斜坡場地上覆殘坡積粉質(zhì)粘土，下臥侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂巖與砂質(zhì)泥巖互層，出露地層以侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組紫紅色砂質(zhì)泥巖夾薄層-厚層砂巖為主，巖層產(chǎn)狀130°∠13°～15°。場地內(nèi)主要發(fā)育2組裂隙J1和J2。其中J1傾向約320°，傾角60°～70°，裂隙面比較平直、光滑，部分被粘性土充填，裂隙間距約1 m，基本上出露于砂巖陡坎坡面，延伸較長，是場地內(nèi)主要構(gòu)造裂隙,局部粘土充填, 結(jié)合較差；J2傾向220°～230°，傾角70°～80°，以大角度與J1斜交，裂隙面波狀起伏，比較光滑，裂隙間距1 m～1.5 m，延伸8 m～10 m，是控制邊坡形態(tài)的另一組結(jié)構(gòu)面，局部粘土充填，結(jié)合較差。

橋梁所在斜坡坡度較大，地表水排泄通暢。上覆土層薄，基巖內(nèi)裂隙不發(fā)育，地下水賦存條件差，地下水貧乏。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 建模與參數(shù)設置

采用Plaxis巖土有限元軟件進行二維建模分析，模型計算區(qū)域大小選取100 m×70 m，模型底部采用固定約束，側(cè)面采用法向約束，按照實際地質(zhì)情況模擬斜坡巖層及其裂隙特征，并進行概化和網(wǎng)格剖分，對重點關注的基坑開挖面及橋梁樁基所在位置進行了網(wǎng)格加密，共劃分9 873個節(jié)點，有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

忽略縱向邊界條件的影響，樁基按彈性材料模擬，將樁基等效為板樁，板樁樁體采用梁單元離散，巖土體采用高精度15節(jié)點三角形單元離散。利用Plaxis軟件中彈塑性本構(gòu)模型模擬接觸面性狀，采用Coulomb準則判斷接觸面內(nèi)發(fā)生微小結(jié)構(gòu)與巖土體相對位移時的彈性變形。按下式計算板樁彈性模量：

式中：Ep和Es分別表示樁和巖體的彈性模量，MPa；u為相鄰樁的中心距離，m；d為樁徑，m。將樁體等效為板樁，使得開挖時巖土層水平位移產(chǎn)生的水平作用力均施加在樁身上，結(jié)果可能使巖土層的水平位移較實際略小，而樁身的水平位移較實際略大，這對研究高架橋樁基變形影響分析是偏安全的[5]。

建模時進行了如下簡化：

1) 力學參數(shù)：巖土體材料物理力學參數(shù)從勘察報告選取，見表1。其中，結(jié)構(gòu)面J1、J2參數(shù)取值參考了強風化泥巖的參數(shù)；剪脹角全部取值0，王從鋒、楊曉杰等[3，9]認為隨著剪脹角取值增長，巖土邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)也逐漸增大，模型計算時將剪脹角取值為0，與鄭穎人[10]提出的廣義塑性力學理論相符，理論上得出的邊坡安全系數(shù)偏小，偏于安全。

2) 計算條件：考慮橋梁最不利荷載組合，將橋梁結(jié)構(gòu)受力簡化至樁頂位置，橋梁等效荷載標準值見表2；由于坡體內(nèi)地下水賦存條件差，不考慮地下水的影響；地震作用按Ⅵ度考慮。

表1 材料物理力學參數(shù)

表2 橋梁等效荷載標準值

2.2 計算步驟

1) 步驟1：計算巖土體初始應力狀態(tài)，并將計算結(jié)果分析與現(xiàn)場實際情況進行比對，驗證計算參數(shù)的合理性。

2) 步驟2：在樁基頂部單元施加橋梁等效荷載，疊加步驟1的生成結(jié)果，計算高架橋建成后的應力場。

3) 步驟3：基坑開挖及支護影響計算分析?；娱_挖發(fā)生在成橋以后，可認為開挖前，斜坡與橋梁樁基之間無變形的相互影響，故進行開挖計算時，將步驟2產(chǎn)生的應力場作為基坑開挖模擬的初始應力場，而將此前產(chǎn)生的所有位移與應變初始化為零，僅考慮基坑開挖形成的位移增量，并分別對常用的3種基坑開挖和支護方案進行比較計算：(1) 放坡開挖：基坑放坡開挖到設計標高且不防護，考慮巖土體開挖卸荷作用，開挖面計算時采用強風化巖體力學參數(shù)；(2) 錨噴防護：基坑放坡開挖到設計標高，坡面錨噴防護，考慮防護及時，計算時開挖面采用中風化巖體力學參數(shù)；(3) 錨拉樁支護：先進行錨拉樁支護后，再開挖基坑至設計標高狀態(tài)。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 計算結(jié)果

在各種計算步驟下，提取表征斜坡和橋梁樁基發(fā)生變形情況的位移進行分析。

1) 步驟1：橋梁所在斜坡區(qū)域表層松散土失穩(wěn)，最大位移約46 mm，如圖4所示。計算結(jié)果與現(xiàn)場斜坡整體穩(wěn)定、局部表土出現(xiàn)寬度0.5 cm～5 cm斷續(xù)變形裂縫的情況相符，且裂縫的寬度以及出現(xiàn)位置相似，說明巖土體力學計算參數(shù)選取合理。

圖4 坡體變形云圖(步驟1)

2) 步驟2：在橋梁等效荷載作用下，斜坡位移趨勢朝向坡面及坡腳方向，邊坡位移增量最大值達18 mm，出現(xiàn)在樁頂附近區(qū)域巖土體中，如圖5所示，這與嵌巖樁樁頂位移隨荷載線性增加的特性相符，說明橋梁荷載作用下，樁基與坡體發(fā)生了協(xié)調(diào)位移。

3) 步驟3：按以下3種方案分別計算。

(1) 方案1：放坡開挖

基坑經(jīng)放坡開挖至設計標高且不支護，強度折減法計算基坑開挖后的斜坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.937，基坑邊坡穩(wěn)定。基坑邊坡位移增量最大值29 mm，出現(xiàn)在基坑放坡平臺、坡頂以及橋梁樁基頂部區(qū)域的強風化巖層中，開挖面位移增量最大值21 mm；橋梁樁基變形增量最大值為14 mm，朝開挖面?zhèn)茸冃危渲兴较蜃冃卧隽孔畲笾禐?3 mm，豎直向變形增量最大值為4 mm，坡面和樁基均以發(fā)生水平向開挖面變形為主，如圖6所示。

圖5 坡體變形云增量圖(步驟2)

圖6 坡體變形云增量圖(步驟3-方案1)

(2) 方案2：錨噴防護

基坑放坡開挖后錨噴支護，強度折減法計算基坑開挖后的斜坡穩(wěn)定安全系數(shù)為2.412，基坑邊坡穩(wěn)定?；舆吰挛灰圃隽孔畲笾?4 mm，出現(xiàn)在基坑放坡坡頂以及橋梁樁基頂部區(qū)域的強風化巖層中；橋梁樁基變形增量最大值為4 mm，朝開挖面?zhèn)茸冃?，其中水平向變形增量最大值? mm，豎直向變形增量最大值為1 mm，如圖7所示。

圖7 坡體變形云增量圖(步驟3-方案2)

(3) 方案3：錨拉樁支護

坡腳先采取錨拉樁進行支護，后開挖至基坑設計標高，強度折減法計算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為5.171，基坑邊坡穩(wěn)定。同時，坡體變形能夠得到控制，基坑邊坡位移增量最大值2 mm，出現(xiàn)在錨拉樁頂位置；橋梁樁基變形增量最大值為0.5 mm，朝開挖面?zhèn)茸冃?，其中水平向變形增量最大值?.5 mm，豎直向變形增量最大值為0.1 mm，如圖8所示。

3.2 結(jié)果分析

1) 基坑開挖及不同支護方式對斜坡穩(wěn)定性的影響

綜上模擬分析可知，基坑開挖及支護方式對斜坡穩(wěn)定性影響很大?；娱_挖后，支護措施越強，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)越大，位移增量越小，意味著變形控制越好。對基坑邊坡側(cè)壁而言，方案2比方案1基坑側(cè)壁位移增量減少67%，見表3，說明對基坑邊坡進行及時支護對抑制變形非常有效。

圖8 坡體變形云增量圖(步驟3-方案3)

表3 基坑開挖及不同支護方式下變形計算結(jié)果

2) 基坑開挖及不同支護方式對橋梁樁基變形的影響

基坑開挖及不同支護方式對樁基變形影響顯著。從表3可知，方案1在坡面、坡面平臺、樁頂附近區(qū)域均產(chǎn)生約14 mm～29 mm位移增量，方案2僅在樁頂附近區(qū)域產(chǎn)生約14 mm位移增量，方案3僅在錨拉樁頂位置產(chǎn)生2 mm位移增量;基坑邊坡位移增量最大值隨支護措施的增強而減少，發(fā)生最大變形的位置也逐漸遠離橋梁樁基，故橋梁樁基的變形量也隨支護措施的增加而明顯減少，其中，方案2比方案1樁基位移增量減少71%，方案3比方案1的樁基位移增量減少92%，說明對基坑邊坡及時支護措施越強，對抑制鄰近橋梁樁基變形效果越顯著。

從工程實施上來說，方案2和方案3中橋梁樁基位移增量最大值同為mm級，若橋梁基礎變形在容許范圍內(nèi)，方案2施工更為便捷，經(jīng)濟性更為顯著。

3) 橋梁樁基與斜坡協(xié)調(diào)變形影響

從圖5～圖7可見，基坑開挖及支護后，橋梁樁基附近的云圖均出現(xiàn)了較為明顯的拐點，樁基后的坡體變形增量急劇變小，說明橋梁樁基對附近區(qū)域的坡體變形產(chǎn)生一定的抑制作用，并與坡體發(fā)生了協(xié)調(diào)變形。

4 結(jié)束語

結(jié)合某高架橋下基坑開挖案例，本文嘗試采用強度折減有限元方法分析基坑開挖引發(fā)的斜坡穩(wěn)定性對鄰近高架橋樁基變形的影響，得出如下結(jié)論：

1) 強度折減有限元法能夠考慮開挖施工過程對斜坡穩(wěn)定性的影響，能夠計算出開挖支護后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，能夠較為準確地計算出坡體與樁基協(xié)調(diào)變形量，并較為真實地模擬其變形發(fā)展趨勢，計算過程中有2點值得特別關注：一是擬合實際情況試算選取合理的巖土體力學參數(shù)，使計算結(jié)果更接近實際情況；二是開挖及支護的變形影響分析中，采用計算的位移增量，應避免誤讀累積位移量導致研判依據(jù)失真。

2) 基坑開挖首先要保障基坑邊坡的穩(wěn)定性，防止因其失穩(wěn)導致鄰近橋梁結(jié)構(gòu)受損。但即便是基坑邊坡穩(wěn)定，坡體及其鄰近橋梁基礎仍可能發(fā)生較大的變形，變形能否致使橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全隱患，有必要從基礎變形及其導致的橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化等方面，對橋梁結(jié)構(gòu)進行專項安全評估。

3) 當鄰近橋梁等重要結(jié)構(gòu)物時，除保障基坑邊坡穩(wěn)定以外，基坑開挖及支護方案比選，還可從控制變形的角度，結(jié)合施工便捷性、經(jīng)濟性等方面進一步研究。