棄渣對(duì)斜坡橋樁結(jié)構(gòu)安全影響機(jī)制研究*

陳 偉，田 明，鄒云麗，徐偉然，尹小濤

(1.大理大漾洱云高速公路有限公司，云南 大理 671000； 2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071)

0 引言

相對(duì)于平原地區(qū)，山區(qū)公路建設(shè)橋隧比高，橋樁常坐落于自然斜坡上，自然坡的穩(wěn)定性及施工對(duì)自然穩(wěn)定狀態(tài)的改變均會(huì)間接影響橋樁的結(jié)構(gòu)安全，嚴(yán)重情況下可能會(huì)引起橋樁豎向承載性能發(fā)生極大改變，剪切承載過大則會(huì)造成橋樁結(jié)構(gòu)失效。因此，需關(guān)注山區(qū)橋樁與斜坡地基系統(tǒng)的穩(wěn)定性及對(duì)周邊環(huán)境的影響。

由于空間所限，山區(qū)公路建設(shè)多沿溝谷河道兩側(cè)布設(shè)橋梁通過，斜坡狹窄空間的橋梁建設(shè)需施工作業(yè)面，同時(shí)需設(shè)置邊幫棄渣場(chǎng)，這些挖填改變地形會(huì)極大地影響自然斜坡、橋樁和堆填棄渣邊坡的穩(wěn)定性。當(dāng)前該領(lǐng)域的研究主要集中在以下幾方面：①工程建設(shè)造成的地形改變對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響機(jī)理[1-3]；②工程荷載作用下斜坡穩(wěn)定性演化機(jī)理[4-8]；③工程和環(huán)境因素聯(lián)合作用下橋樁結(jié)構(gòu)安全性演化機(jī)理[9-12]；④斜坡地形對(duì)橋樁設(shè)計(jì)的影響機(jī)理和新型設(shè)計(jì)方法探討[13-16]；⑤工程和環(huán)境因素聯(lián)合作用下斜坡和橋樁系統(tǒng)協(xié)同影響機(jī)理及安全控制技術(shù)研究[17-19]。當(dāng)前樁基設(shè)計(jì)主要為彈性設(shè)計(jì)，地基對(duì)其作用也按半無限彈性考慮，不考慮實(shí)際斜坡地形造成的背側(cè)與面?zhèn)燃s束差異，較不利。設(shè)計(jì)中沒有辦法量化考慮自然環(huán)境和工程環(huán)境改變?cè)斐傻耐獠亢奢d體系變化，儲(chǔ)備若能承受則安全，儲(chǔ)備不足則可能失效，這是很多病害和災(zāi)變的根源。

本文依托某山區(qū)高速公路橋樁路段，探討邊幫棄渣對(duì)既有覆蓋層斜坡、橋樁變形和應(yīng)力場(chǎng)的影響機(jī)理，分析邊幫棄渣對(duì)既有邊坡穩(wěn)定性和橋樁結(jié)構(gòu)受力的影響，量化評(píng)估棄渣對(duì)橋樁結(jié)構(gòu)安全的影響機(jī)理，為類似工程提供借鑒。

1 橋樁路段工程概況

橋梁沿斜坡建設(shè)，施工場(chǎng)地狹小，上部為進(jìn)場(chǎng)道路，外側(cè)緊鄰橋樁承臺(tái)，再外側(cè)為工程棄渣，坡腳建設(shè)有攔渣墻，再往外為河谷，周邊情況如圖1所示。

圖1 斜坡、橋樁、棄渣場(chǎng)空間位置

該橋樁路段主要為斜坡表層(殘坡積土)，中部為厚度不一的碎石土層，再往下為強(qiáng)風(fēng)化白云巖和砂巖。勘察和設(shè)計(jì)單位提供的主斜坡路段主要地層巖土力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 斜坡路段主要地層巖土力學(xué)參數(shù)

本次計(jì)算評(píng)估主要依托3個(gè)剖面，如圖2所示。

2 邊幫棄渣對(duì)斜坡和橋樁的影響分析

2.1 數(shù)值模型和計(jì)算方案設(shè)計(jì)

利用Phase2D軟件，建立考慮邊幫棄渣分層填筑的有限元數(shù)值模型(見圖3)，采用彈塑性本構(gòu)模型，計(jì)算參數(shù)如表1所示。模型兩側(cè)為法向約束，底部全約束。計(jì)算時(shí)先進(jìn)行初始應(yīng)力平衡，再激活橋樁，然后開始棄渣填筑，直至達(dá)到圖2所示填筑高度。分析邊幫有覆蓋層斜坡棄渣對(duì)覆蓋層變形和橋樁結(jié)構(gòu)受力的影響，為橋樁結(jié)構(gòu)安全控制提供依據(jù)。

圖3 斜坡樁數(shù)值模型

2.2 棄渣對(duì)斜坡變形的影響分析

限于篇幅，以里程樁號(hào)K32+733為例，說明棄渣對(duì)斜坡+橋樁體系水平位移的影響，典型階段水平位移如圖4所示。K32+733，K32+973，K33+053路段不同棄渣階段最大水平位移如表2所示。

由圖4可知，K32+733路段，棄渣堆填高度為15～35m(3～7級(jí)坡)時(shí)，水平位移為厘米級(jí)，產(chǎn)生在棄渣坡腳，符合一般邊坡水平變形規(guī)律，橋樁施工對(duì)其影響不大；堆填高度超過40～47m(8～9級(jí)坡)時(shí)，水平位移發(fā)展到分米級(jí)，最大位移部位為棄渣坡腳。棄渣堆填造成的超載是引起既有斜坡變形的主要因素，但最大變形產(chǎn)生在棄渣邊坡坡腳，說明棄渣變形要大于自然斜坡。

圖4 K32+733典型水平位移(單位：m)

由表2可知，K32+973路段，棄渣堆填高度為40m(4級(jí)坡)時(shí)，最大水平位移為8mm；隨著斜坡外側(cè)棄渣堆填到50m(5級(jí)坡)時(shí)，最大水平位移為86mm，達(dá)到厘米級(jí)；堆填高度達(dá)到61m時(shí)，最大水平位移為146mm，達(dá)到分米級(jí)。K33+053路段，棄渣堆填到30m(3級(jí)坡)時(shí)，幾乎無變形，<1mm；堆填到40m(4級(jí)坡)時(shí)，最大水平位移為15mm，發(fā)展到厘米級(jí)；堆填高度達(dá)到55m時(shí)，最大水平位移為110mm，達(dá)到分米級(jí)。

表2 K32+733，K32+973，K33+053路段不同棄渣階段最大水平位移 mm

綜上所述，棄渣由自然斜坡坡腳逐步堆高，形成一定程度壓腳，只要堆填高度造成的附加荷載不超過地基承載力，總體上對(duì)斜坡穩(wěn)定性有利，但棄渣的填筑壓實(shí)質(zhì)量會(huì)影響斜坡局部拖坡變形，棄渣距離斜坡橋樁越遠(yuǎn)對(duì)其結(jié)構(gòu)安全的影響越小。

2.3 棄渣對(duì)斜坡橋樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響分析

K32+733，K32+973，K33+053路段不同棄渣階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力最值如表3所示。

表3 K32+733，K32+973，K33+053路段不同棄渣階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力最值

由表3可知，K33+053路段，棄渣堆填到30m(3級(jí)坡)前，軸力、彎矩及剪力均變化不大，認(rèn)為棄渣堆積對(duì)橋樁結(jié)構(gòu)安全無影響；棄渣堆填到40m(4級(jí)坡)時(shí)，軸力變化不大，但彎矩增大近3倍，剪力增大0.5倍，棄渣使橋樁受剪切作用，豎向承載性能發(fā)生改變；棄渣堆填到50m(5級(jí)坡)時(shí)，軸力較初始值增大5倍，彎矩較初始值增大10倍，剪力較初始值增大2.4倍，橋樁受力性狀急劇改變，由設(shè)計(jì)的豎向承載變?yōu)樨Q向+剪切承載；棄渣繼續(xù)堆填到55m高度時(shí)，軸力較初始值增大5.4倍，彎矩較初始值增大11.8倍，剪力較初始值增大2.7倍。K33+053路段，棄渣堆填到50m高度時(shí)距橋樁僅約13.6m，且橋樁由豎向承載劇變?yōu)樨Q向+剪切承載，嚴(yán)重威脅橋樁結(jié)構(gòu)安全。

K32+973路段，棄渣堆填到30m高度時(shí)，軸力、彎矩及剪力均變化不大，認(rèn)為棄渣堆積對(duì)橋樁結(jié)構(gòu)安全無影響；棄渣堆填到40m高度時(shí)，軸力減小，但彎矩增大近3.5倍，剪力增大1.7倍，棄渣使橋樁受剪切作用，承載性能發(fā)生改變；棄渣堆填到50m高度時(shí)，軸力較初始值增大1.3倍，彎矩較初始值增大13.8倍，剪力較初始值增大6.2倍，橋樁受力性狀急劇改變，由設(shè)計(jì)的豎向承載變?yōu)樨Q向+剪切承載；繼續(xù)堆填到61m高度時(shí)，軸力較初始值增大2.0倍，彎矩較初始值增大19.5倍，剪力較初始值增大8.7倍。K32+973路段，棄渣堆填到50m高度時(shí)距橋樁僅約25.0m，且橋樁由豎向承載劇變?yōu)樨Q向+剪切承載，嚴(yán)重威脅橋樁結(jié)構(gòu)安全。

K32+733路段，棄渣整個(gè)堆填過程中，軸力、彎矩、剪力與初始值相比均在同一量級(jí)變化，可認(rèn)為棄渣堆積對(duì)橋樁結(jié)構(gòu)安全無影響。

2.4 綜合評(píng)價(jià)

棄渣堆積會(huì)對(duì)斜坡、斜坡橋樁的產(chǎn)生影響，作用機(jī)理為棄渣堆填會(huì)造成既有斜坡表層土體承受附加荷載，在附加荷載作用下產(chǎn)生變形，但變形影響深度有限，通常只作用在棄渣斜坡接觸面部位一定深度，產(chǎn)生部分拖坡變形，若樁基在此影響范圍內(nèi)，則會(huì)改變橋樁受力性狀，使其由豎向承載變?yōu)樨Q向承載+剪切承載，若剪力和彎矩作用超過截面抗剪和抗彎性能，則可能造成橋樁失效；雖不會(huì)失效，但會(huì)產(chǎn)生變形，造成上部結(jié)構(gòu)和路面變形，影響橋梁中長(zhǎng)期服役性能。

綜上所述，可認(rèn)為堆填高度≥50m，距橋樁最短距離為13.5～25.0m時(shí)，會(huì)對(duì)橋樁結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響，使橋樁由豎向承載變?yōu)樨Q向+剪切承載，改變橋樁的安全狀態(tài)，需引起重視。不同距離和堆填高度產(chǎn)生的安全影響如表4所示。

由表4可知，基于安全考慮，K32+733路段僅需采取棄渣整形滿足坡面穩(wěn)定要求即可；K32+973，K33+053路段棄渣需整形且堆填高度宜為30～40m。

表4 不同距離和堆填高度產(chǎn)生的安全影響

后續(xù)該區(qū)棄渣安全堆填高度宜≤30m，與橋樁最短距離應(yīng)≥40m。上述參數(shù)可作為該區(qū)橋樁、斜坡、棄渣聯(lián)合整治的綜合安全控制參數(shù)。

3 結(jié)語

山區(qū)斜坡地形、橋梁建設(shè)、外側(cè)棄渣會(huì)極大地改變自然斜坡的穩(wěn)定狀態(tài)，潛在威脅橋樁結(jié)構(gòu)安全，需重點(diǎn)關(guān)注坡體變形穩(wěn)定性和橋樁結(jié)構(gòu)安全?？紤]棄渣過程進(jìn)行數(shù)值動(dòng)態(tài)仿真，得到以下結(jié)論。

1)在斜坡坡腳堆填棄渣，只要堆高造成的附加荷載不超過地基承載力，整體有利于斜坡穩(wěn)定，但需重視棄渣邊坡，盡快完成整形控制坡面穩(wěn)定性，棄渣填筑質(zhì)量、棄渣與橋樁距離會(huì)影響棄渣與斜坡結(jié)合部的拖坡變形影響范圍，距離越遠(yuǎn)，棄渣對(duì)橋樁結(jié)構(gòu)安全影響越小。

2)K32+733路段，棄渣對(duì)斜坡整體變形穩(wěn)定性無不利影響，主要是棄渣自身的坡面穩(wěn)定性需引起重視。

3)K33+053路段，在整個(gè)棄渣堆填過程中，結(jié)構(gòu)內(nèi)力均在同一量級(jí)變化，對(duì)橋樁結(jié)構(gòu)安全無影響。

4)根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，K32+973，K33+053路段，棄渣均需整形且堆填高度宜為30～40m。該區(qū)橋樁、斜坡、棄渣聯(lián)合整治的綜合安全控制參數(shù)為堆填高度≤30m，與橋樁最短距離≥40m。