邊坡蠕滑影響下橋梁樁基力學特性分析*

王海恩

(洛陽騰飛市政工程有限公司，河南 洛陽 471935)

0 引言

隨著現(xiàn)代交通對道路工程線型和平順性要求的提高，邊坡上修建高架橋梁的情況越來越常見，該類橋梁在承受車輛動荷載的同時，又受到邊坡側向力和雨水等因素的影響，當坡體發(fā)生變形時，橋梁樁基不可避免會被推擠，造成樁基甚至橋梁的破壞。鄭明新等[1]通過映射分析認為降雨是鐵路運營期間影響滑坡發(fā)育的最活躍因素，降雨導致的滑坡同時也會帶動邊坡橋梁變形，主要為土體推動樁基所致。目前國內外學者對于邊坡樁的探索主要集中于抗滑樁的力學性能研究[2-3]。鄧會元[4]依托臺州灣大橋對不平衡堆載條件下在建樁基的力學特性進行了試驗研究；趙明華等[5-6]依據(jù)現(xiàn)場試驗方法提出了傾斜荷載作用下單樁的有限差分計算方法，并根據(jù)陡坡段橋梁樁基承載力特性對該方法進行了進一步改進；藺鵬臻等[7-8]對考慮邊坡效應的橋梁樁基力學性能進行了分析，并對比了恒荷載和考慮組合荷載工況下橋臺和橋墩承臺中心樁基的力學響應。目前針對橋梁樁基的研究主要集中在其豎向受力方面，對邊坡蠕滑作用下不同位置的橋梁墩臺及同一墩臺不同位置樁基的力學特性尚缺乏深入研究。本文以某發(fā)生病害的橋梁為依托，基于有限元軟件平臺，建立了考慮土體非飽和特性的邊坡降雨分析模型，并考慮樁土之間的滑移，研究了樁基在車輛荷載和降雨作用下的力學規(guī)律，獲得了較為精確的樁基力學響應規(guī)律。

1 工程背景

某橋梁為8×32m+2×24m簡支梁橋，其中0～4號橋墩處于近500m長邊坡上，坡度近45°；坡底距鋼軌頂面41.77m，坡度近40°。橋墩、承臺和樁基采用C35混凝土，其中0～3號橋墩采用圓端形實體橋墩，樁基按摩擦樁設計；4號墩采用圓端形空心橋墩，樁基按柱樁設計，樁底嵌入云母石英片巖內。樁基礎設計如表1所示。

表1 橋梁樁基礎設計情況

橋址區(qū)巖土層由上至下為：①粉質黏土 硬塑，σ=180kPa；②云母石英片巖 全風化，σ=250kPa；③云母石英片巖 強風化，σ=400kPa；④云母石英片巖 弱風化，σ=800kPa。地下水為孔隙潛水及基巖裂隙水，坡底處地下水位距地面4m，坡頂處水位距坡頂35m。橋梁基礎立面如圖1所示。

圖1 橋梁基礎立面

橋梁0號墩外接20m過渡段路基及其后的雙線隧道。通車1年后檢查發(fā)現(xiàn)，1號墩支承墊石砂漿墊層局部脫落。從橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)、橋上裂縫、支座滑移、土體裂縫分析，均表明0～4號橋梁墩臺向低山側發(fā)生了偏移。與通車時相比，位于山坡上的1～4號墩頂坐標均有變化，其中4號墩頂沿縱向向坡外偏移13.4mm，3號墩頂偏移21mm，2號墩頂偏移34.4mm，1號墩偏移44.3mm，0號臺偏移21.8mm；4號墩沉降0.4mm，3號墩沉降7.5mm，2號墩沉降14.8mm。

2 數(shù)值分析

為探究邊坡橋梁在邊坡變形階段的力學規(guī)律和安全性，以該邊坡橋梁工程為依托，建立三維邊坡模型。

2.1 有限元模型

為保證模型能夠包括邊坡的危險面，并避免邊界對模型計算精度產(chǎn)生影響，本工程模型尺寸選取為：坡前模型高53.6m，坡后高193m，坡長478m，橫向50m。邊坡土體、橋墩、橋梁和承臺采用實體單元，樁基采用梁單元。土體采用修正莫爾-庫倫本構模型，可同時考慮土體的剪切硬化和壓縮硬化，混凝土采用彈性本構模型。水力邊界為：坡體后側158m高采用固定水頭邊界，35m采用溢出邊界；前側50m設置固定水頭邊界，河道處采用溢出邊界，邊坡表面設置面流量模擬降雨。位移邊界為：前、后、左、右側約束法向位移，底部約束3個方向位移；樁基設置旋轉約束。

0～3號墩臺樁基建立樁界面單元，4號墩樁端設置樁端單元，以模擬梁單元和地基之間的摩擦行為和相對位移；其中0～3號墩臺樁基為摩擦樁，依據(jù)勘察報告和規(guī)范取樁周摩擦力設計值如下：云母石英片巖、全風化層取f=80kPa，云母石英片巖、強風化層取f=120kPa。4號墩端承樁樁底位于全風化云母石英片巖層，樁底壓縮模量為30MPa。

綜合地勘報告、現(xiàn)場試驗結果和GB50218—2014《工程巖體分級標準》[9]確定土層參數(shù)如表2所示，橋臺、橋墩、承臺和樁基參數(shù)依據(jù)規(guī)范取值。

表2 材料參數(shù)

2.2 降雨計算

文獻[10]的研究結果表明，由于土體滲透能力的限制，當降雨強度超過土體的滲透能力時，降雨并不能被土體吸收，連續(xù)小強度降雨對邊坡的穩(wěn)定性影響更大。采用面流量模擬降雨，計算時若地表吸水能力小于降雨量，可以認為地表面土體處于飽和狀態(tài)，等同于水位存在于地表面上，此時將降雨飽和區(qū)變更為水位線。

計算按照最不利工況，依據(jù)當?shù)亟y(tǒng)計最大降雨強度300mm/d，將7天的降雨量作為總量，分28d施加在模型上。計算中非飽和特性函數(shù)滲透性函數(shù)依據(jù)參數(shù)取加德納系數(shù)a=0.1，n=2，含水率函數(shù)依據(jù)參數(shù)取θr=0.3，θs=0.6，a=0.1，n=2，m=0.5。

3 計算結果分析

3.1 滑裂面位置分析

計算結束時邊坡出現(xiàn)滑移的滑裂面如圖2所示，1～3號墩樁基穿過滑裂面，滑裂面距離1號墩處地表面為18.5m，距離2號墩處地表面為23m，距離3號墩處地表面為16.2m。0號墩處土體并未出現(xiàn)滑動，墩頂位移系上部橋梁牽拉傾斜(導致1號墩頂墊石崩裂)，4號墩亦位于滑裂區(qū)域外，其墩頂變形由3號墩橋梁頂推所致。

圖2 滑動面和樁基相對位置

3.2 樁基位移分析

1～3號墩臺樁基均位于滑坡周界內，將每個承臺遠離坡頂方向一側的樁基命名為 “前排樁基”，向坡頂命名為“中間樁基”“后排樁基”；遠離坡頂方向位移為負，相對一側為正。

各樁基的位移情況如圖3所示，樁基的最大位移為-42.3mm，出現(xiàn)在1號墩臺的后排邊樁上，受樁頂承臺和上部橋梁的約束，最大值出現(xiàn)在距離樁頂4.5m處。取各墩下位移最大的樁基進行分析，如圖3a所示，位于坡后的樁基位移大于坡前樁基，其中1號墩樁基底部出現(xiàn)了正向位移，樁基在滑動土體的帶動下出現(xiàn)了向坡前方的傾倒，傾倒的旋轉軸位于滑裂面處；樁頂處受到承臺和上部橋梁的約束，樁基位移有所減小。2號墩樁基的最大位移出現(xiàn)在樁頂處，樁基位移在滑動面附近的變化速度較快，沿滑動面向上基本為一豎直線，其位移大小沿深度變化不大。3號樁基位移相對較小，樁基的變形趨勢為整體向坡前傾斜。

圖3 樁基水平位移隨深度變化

圖3b～3d為各墩臺下不同部位的樁基位移隨深度變化情況，由圖可知，由于承臺的約束作用，每個墩下樁基樁頂位移相同，各墩后排樁基的位移值整體較前排大。橋梁的存在對樁基變形產(chǎn)生了約束作用，側移值越大，約束作用越明顯，1號墩臺頂端甚至出現(xiàn)了位移越靠近地表越小的情況。

3.3 樁基內力分析

1～3號墩臺樁基樁間距均為2.7m，分別取各墩的前、中、后3排樁基橫向的外側、中間樁進行分析。1～3號墩樁基的彎矩分布如圖4～7所示。由圖4可知，樁基最大彎矩值為1 120.3kN·m，出現(xiàn)在1號墩距離樁頂9.9m處的后排邊樁上，反彎點位于滑裂面處。邊樁的最大彎矩大于同排內樁的最大彎矩，1號墩臺后排邊樁和內樁的最大彎矩差值為164kN·m，占后排內樁最大彎矩值的17%；前排邊樁和內樁的最大彎矩差值為247.15kN·m，占前排內樁最大彎矩值的28%。

圖4 1號墩不同位置樁基彎矩隨深度的分布

如圖5所示，2號墩臺樁基最大彎矩值出現(xiàn)在距離樁頂部17.5m處的后排邊樁上，為579 kN·m。后排和中排樁基坡整體受拉，前排樁基樁頂部分則表現(xiàn)為受拉。其邊樁的最大彎矩大于同排內樁的最大彎矩，后排邊樁和內樁的最大彎矩差值為378.9kN·m，占后排內樁最大彎矩值的18.8%；前排邊樁和內樁的最大彎矩差值為54.6kN·m，占前排內樁最大彎矩值的26.8%；中間1排樁基邊樁和內樁的最大彎矩差值為80.6kN·m，占內樁最大彎矩值的27.3%。

圖5 2號墩不同位置樁基彎矩隨深度分布

如圖6所示，3號墩臺樁基整體彎矩較小，前、中、后3排樁的彎矩分布規(guī)律和2號樁較為相似，其最大彎矩值靠近樁頂，后排樁基整體受拉，前排樁基樁頂附近受拉。

圖6 3號墩不同位置樁基彎矩隨深度的分布

將每排樁基中邊樁、內樁的彎矩極值差值除以樁間距，發(fā)現(xiàn)后排樁基中邊樁和內樁彎矩極值差值約為內樁彎矩極值的6.7%S(S為樁間距)，前排樁基中邊樁和內樁彎矩極值差值約為內樁彎矩極值的10%S。

將1～3號墩最大彎矩的樁基彎矩分布進行對比分析如圖7所示，位于坡頂處的1號墩樁基上部坡前側受拉作用明顯，下部坡后側受拉作用明顯；2號墩樁基則表現(xiàn)為下部坡前側受拉。各樁基的彎矩極值位置和滑裂面位置關聯(lián)性較大，均出現(xiàn)在滑裂面附近處。

圖7 1～3號墩后排樁基彎矩隨深度的分布

4 結語

本文以某蠕滑邊坡上發(fā)生病害的橋梁為例，通過對某邊坡上的橋梁不同位置的墩臺樁基的計算分析，可以得出如下結論。

1)在邊坡發(fā)生滑移后，樁基發(fā)生整體向坡前方向的傾斜，各墩下后排樁基的位移值整體較前排大。

2)同一橋墩下的各樁基：后排樁基彎矩極值大于前排樁基彎矩極值，同一排樁基中邊樁的彎矩極值大于內部樁基彎矩極值；后排樁基中邊樁和內樁彎矩極值差值約為內樁彎矩極值的6.7%S，中、前排樁基中邊樁和內樁彎矩極值差值約為內樁彎矩極值的10%S。

3)同一墩臺下不同位置樁基在受到滑坡推力作用后會產(chǎn)生較大的內力差，在進行邊坡橋梁設計時，不僅要考慮坡體的推力，還應考慮同一墩臺不同樁基的差異配筋。