陡坡段橋梁樁基研究現(xiàn)狀及展望

趙明華 彭文哲 趙衡

摘要：隨著我國山區(qū)高速公路、鐵路建設(shè)的高速發(fā)展，橋梁樁基建造在陡坡地段的現(xiàn)象日漸增多，且陡坡段橋梁樁基承載機(jī)理復(fù)雜，故其設(shè)計(jì)計(jì)算逐漸引起廣泛關(guān)注和重視，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一.在其工程設(shè)計(jì)中，不僅要考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)傳遞的傾斜偏心荷載，還應(yīng)考慮樁-坡非對稱體系引起的附加土壓力以及地基水平抗力折減效應(yīng).本文通過對國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域文獻(xiàn)的綜合分析，分別從承載機(jī)理、現(xiàn)場及模型試驗(yàn)方法、受力變形分析及其設(shè)計(jì)計(jì)算方法、施工技術(shù)和安全評價(jià)方法及加固處治措施四個(gè)方面詳細(xì)闡述了當(dāng)前研究現(xiàn)狀，并指出了該領(lǐng)域今后的研究方向.

關(guān)鍵詞：巖土工程；橋梁樁基；邊坡；承載機(jī)理；設(shè)計(jì)方法

中圖分類號：TU473文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research Status and Forecast of Bridge Pile Foundation in Sloping Ground

ZHAO Minghua，PENG Wenzhe，ZHAO Heng

（College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Abstract：With the rapid development of highway and railway construction in mountainous areas in China，the phenomenon of bridge pile foundations built in sloping ground is growing daily，but the bearing mechanism of bridge pile foundations in sloping ground is complex. Therefore，the design and calculation of bridge pile foundations in sloping ground has gradually attracted wide attention and become one of the current research hotspots. In the engineering design of bridge pile foundation，the inclined and eccentric load transmitted from the bridge superstructure，the extra earth pressure caused by the pile-slope asymmetry system，and the reduction effect of lateral soil resistance should be considered simultaneously. Based on the comprehensive analysis of related literature at home and abroad，in this paper，the current research status of the bridge pile foundation is elaborated detailedly in four aspects：the bearing mechanism，the field and the model test method，the stress deformation analysis and design method，the construction technology，safety assessment method and strengthening processing measures. Furthermore，future research directions in this field are pointed out.

Key words：geotechnical engineering；bridge pile foundation；slope；bearing mechanism；design method

川藏鐵路、西部陸海新通道等“十四五”規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目納入國家戰(zhàn)略，對我國中西部地區(qū)交通運(yùn)輸體系提出了新要求.自“一帶一路”倡議提出以來，中西部山區(qū)高速公路、鐵路建設(shè)迎來了新的發(fā)展階段. 作為一個(gè)多山的國家，我國山地面積約占國土總面積的2/3，新建橋梁占高速公路、鐵路總里程的比重逐年攀升[1].為滿足山區(qū)交通線路的線形設(shè)計(jì)和生態(tài)保護(hù)要求，陡坡段橋梁樁基[2]與半路半橋設(shè)計(jì)形式被廣泛應(yīng)用于山區(qū)高速公路、鐵路橋梁工程設(shè)計(jì)[3-4]，如成昆鐵路、寶成鐵路、張花高速公路和邵懷高速公路等.

陡坡段橋梁樁基承載機(jī)理及其設(shè)計(jì)計(jì)算方法與常規(guī)平地樁基及抗滑樁[5]存在顯著差異[6-7].在對陡坡段橋梁樁基進(jìn)行受力變形分析時(shí)，不僅要考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向荷載[8-9]和車輛制動(dòng)及強(qiáng)風(fēng)甚至地震慣性力[10]等引起的水平荷載，還應(yīng)考慮樁- 坡非對稱體系引起的樁后附加土壓力[11]以及樁前地基水平抗力弱化效應(yīng)[12].

陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)是我國高速公路、鐵路建設(shè)向中西部山區(qū)延伸過程中所遇到的新課題.陡坡段橋梁樁基的樁-坡非對稱體系導(dǎo)致樁前地基水平抗力及樁后附加土壓力分布規(guī)律目前尚未探明，相關(guān)的樁-土相互作用機(jī)理也亟待探討.因此，為保證山區(qū)高速公路、鐵路橋梁樁基及其橋梁上部結(jié)構(gòu)的安全，探究陡坡段橋梁樁基的承載機(jī)理，提出對應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，具有重要的理論意義與工程應(yīng)用價(jià)值.

鑒于此，本文分別闡述了陡坡段橋梁樁基的豎向及水平承載特性和破壞機(jī)理；其次，分別介紹了相關(guān)的現(xiàn)場試驗(yàn)和模型試驗(yàn)方法；然后，進(jìn)一步較為全面地總結(jié)了陡坡段樁基受力變形分析方法及其設(shè)計(jì)計(jì)算方法；最后，著重從施工技術(shù)、安全評價(jià)方法及加固處治措施等方面歸納了山區(qū)橋梁樁基施工要點(diǎn)及注意事項(xiàng)，以期為山區(qū)高速公路、鐵路橋梁樁基設(shè)計(jì)及現(xiàn)行規(guī)范修訂提供一些參考，相關(guān)成果也將產(chǎn)生一定的學(xué)術(shù)價(jià)值和社會經(jīng)濟(jì)效益.

1承載機(jī)理研究

陡坡段橋梁樁基既要承受上部結(jié)構(gòu)荷載，又要抵抗樁-坡非對稱體系引起的樁側(cè)附加土壓力甚至滑坡推力；此外，臨坡面土體缺失亦會引起樁前地基水平抗力弱化效應(yīng)，故其承載機(jī)理和荷載傳遞機(jī)理極為復(fù)雜，與平地樁基存在明顯差異.

1.1豎向承載特性

陡坡段橋梁樁基的兩側(cè)土體呈現(xiàn)出非對稱性，臨坡側(cè)土體缺失導(dǎo)致摩阻力難以充分發(fā)揮，從而引起樁基豎向承載力退化.許建聰課題組[13]依托某黃土地區(qū)橋梁樁基工程開展現(xiàn)場試驗(yàn)，總結(jié)出陡坡段基樁的豎向荷載傳遞規(guī)律具有較為顯著的區(qū)域性：3倍樁徑深度范圍內(nèi)的臨坡側(cè)摩阻力發(fā)揮程度小于背坡側(cè)，在3倍樁徑至10倍樁徑深度范圍內(nèi)，摩阻力發(fā)揮程度則反之，當(dāng)深度大于10倍樁徑時(shí)，兩側(cè)的摩阻力發(fā)揮程度相近.馮忠居等[9]開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，獲得了不同坡度和樁長條件下的基樁豎向承載力、樁身軸力及摩阻力等的變化規(guī)律：基樁豎向承載力及有效樁長均隨坡度的增大而降低.Qu等[14]采用三維有限元模擬分析了陡坡效應(yīng)對均質(zhì)土中豎向受荷群樁的影響，揭示了豎向荷載下群樁-土動(dòng)力相互作用機(jī)制.由于雙樁基礎(chǔ)中連系梁對軸力的重分配效果并不明顯，故在此并未區(qū)別討論單、雙樁基礎(chǔ)的豎向承載特性.

1.2水平承載特性

1.2.1單樁基礎(chǔ)

目前，國內(nèi)外已有較多學(xué)者通過模型或現(xiàn)場試驗(yàn)，探究了陡坡段橋梁單樁的承載特性.湖南大學(xué)課題組針對我國中西部山區(qū)多條高速公路的陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)及施工進(jìn)行了長期的試驗(yàn)研究[7-8]，通過模型試驗(yàn)實(shí)測了不同組合荷載下的樁身彎矩及樁頂水平位移，并獲得了樁側(cè)土壓力、地基水平抗力分布規(guī)律及陡坡效應(yīng)影響范圍[7]；近期，進(jìn)一步分析了循環(huán)次數(shù)、荷載幅值及坡度等因素對陡坡段基樁水平循環(huán)響應(yīng)的影響：樁頂水平位移隨循環(huán)次數(shù)非線性增加，且其水平承載力與循環(huán)次數(shù)、荷載幅值及坡度均呈負(fù)相關(guān)[15].此外，許錫昌課題組[16]基于模型試驗(yàn)，指出了基樁水平承載力隨臨坡距的增大而提高. 趙其華課題組[17]基于現(xiàn)場試驗(yàn)，揭示了水平荷載下碎石土陡坡地基上的基樁變形、樁身彎矩及樁側(cè)土壓力的變化規(guī)律，并給出了不同坡度下基樁水平承載力折減系數(shù)的取值范圍.尹平保等[18]進(jìn)一步探究了空間效應(yīng)對陡坡段基樁水平承載特性的影響，并依據(jù)模型試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果，指出了陡坡段基樁水平承載力隨水平荷載作用角度增加而提高.

此外，國外學(xué)者通過開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，總結(jié)出一些陡坡段樁基水平承載力受坡度和臨坡距影響的一般規(guī)律.Muthukkumaran[19]分析了臨坡距和砂土性質(zhì)對陡坡段基樁水平承載特性的影響，并指出基樁水平承載力受邊坡影響的臨界臨坡距應(yīng)不大于15倍樁徑，其結(jié)論仍過于保守.隨后，Nimityongskul等[20]對比平地及邊坡條件下的黏土p-y曲線，指出臨界臨坡距約為8倍樁徑.Rathod等[21]基于軟土邊坡中鋁管模型樁的水平靜載試驗(yàn)，建立了不同坡度和長徑比條件下陡坡段基樁水平承載力的多元回歸方程，并指出基樁水平承載力受邊坡影響的臨界坡度約為11.30°.Raja和Muthukkumaran[22]分析出33.7°松散砂土邊坡條件下的臨界臨坡距應(yīng)大于5倍樁徑，并揭示了樁端嵌固條件對基樁水平承載力的強(qiáng)化效應(yīng).

1.2.2雙樁基礎(chǔ)

山區(qū)高速公路、鐵路橋梁行進(jìn)方向多與邊坡走向平行，前、后樁通過連系梁構(gòu)成整體，與邊坡形成獨(dú)特的空間位置關(guān)系.其中，連系梁將在一定程度上約束前、后樁響應(yīng)，并對樁頂傾斜荷載進(jìn)行重分配；樁間土可將后樁的附加土壓力按一定比例傳遞給前樁，故陡坡段橋梁雙樁基礎(chǔ)與常規(guī)單樁基礎(chǔ)的水平承載特性存在顯著差別.

鑒于此，湖南大學(xué)課題組通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，歸納出陡坡段雙樁的樁-坡體系主要破壞模式及其影響范圍[23]；并揭示了不同坡度下的雙樁荷載傳遞規(guī)律及樁側(cè)土壓力分布規(guī)律[24-25]：受樁頂傾斜荷載及樁頂約束條件（彈性嵌固）的共同影響，雙樁樁頂均存在負(fù)彎矩，其內(nèi)力分布規(guī)律完全不同于雙排門式抗滑樁[24]；臨坡側(cè)的摩阻力傳遞深度和反彎點(diǎn)位置均隨坡度增加而下降，后樁附加土壓力隨深度先增大后減小[25]；進(jìn)一步開展陡坡段橋梁雙樁現(xiàn)場試驗(yàn)，揭示了不同工況下樁身軸力、摩阻力及樁身彎矩分布規(guī)律：豎向荷載全部由摩阻力承擔(dān)，上部土層與下部巖層提供的摩阻力之比隨豎向荷載增大而減小，且前、后樁樁頂均存在負(fù)彎矩[8].

1.3破壞機(jī)理

如前所述，陡坡段橋梁樁基不僅要承受樁頂傾斜荷載作用，還要承受由坡面和坡頂堆載以及樁-坡非對稱體系形成的側(cè)向附加土壓力，其破壞機(jī)理也將完全不同于平地樁基.一方面，樁側(cè)阻力和樁端阻力可能不足以承擔(dān)豎向荷載，導(dǎo)致土體剪切破壞，進(jìn)而引起樁基失穩(wěn)破壞；另一方面，樁側(cè)土體或許難以提供足夠的地基水平抗力，導(dǎo)致土體屈服破壞，從而引起樁基結(jié)構(gòu)功能失效.

然而，考慮到陡坡段橋梁樁基的埋深通常比較大，且現(xiàn)行規(guī)范[3-4]規(guī)定樁端必須嵌入穩(wěn)定巖層，故其破壞模式多為樁基水平變形過大而難以滿足上部結(jié)構(gòu)要求（包括樁身材料彎曲或受拉破壞）、樁前土體屈服甚至樁-坡體系發(fā)生失穩(wěn)破壞等.陡坡段樁基施工過程中，受施工機(jī)械擾動(dòng)等影響，邊坡的原有平衡狀態(tài)極易受到破壞，進(jìn)而發(fā)生變形甚至滑移，且上部結(jié)構(gòu)荷載引起的樁身變形也會影響樁前坡體的穩(wěn)定性，最終引發(fā)整個(gè)樁-坡體系的完全失穩(wěn).

針對其破壞機(jī)理，國內(nèi)外一些學(xué)者已開展了較多的研究.湖南大學(xué)課題組基于現(xiàn)場及模型試驗(yàn)，總結(jié)出陡坡段橋梁雙樁破壞模式主要為樁基水平變形過大且坡體發(fā)生水平側(cè)移等.在復(fù)雜荷載作用下，樁前2～5倍樁徑深度范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的“八”字形或“剪刀”形裂縫，且開裂區(qū)域?qū)挾群烷L度隨荷載增加而增大，最終導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)破壞[23].隨后開展的單樁模型試驗(yàn)也揭示了陡坡段樁基主要破壞模式為樁周土體拉裂破壞：樁前土體出現(xiàn)明顯隆起及裂縫，并與樁身成一定角度向前延伸，隨著荷載繼續(xù)增大，裂縫數(shù)增加且延伸至坡面，樁身位移隨之增大[26].樁前土體破壞區(qū)域主要集中在樁前一定寬度范圍內(nèi)，根據(jù)裂縫形態(tài)，可將其視為破壞楔體，即樁前土體受壓進(jìn)入塑性狀態(tài)，最終呈楔體破壞[27].國外學(xué)者Gabr和Borden[28]對平地水平受荷樁破壞模式進(jìn)行改進(jìn)，考慮邊坡的存在對近地表處破壞楔體的影響，將其破壞模式推廣至陡坡地基.相似地，Nakasima等[29]和Uto等[30]在分析大直徑樁的樁前坡體局部穩(wěn)定性時(shí)，分別對破壞楔體的幾何形狀作出了一些假定.上述研究對陡坡段剛性樁破壞機(jī)理進(jìn)行了初步探討，但其研究成果難以適用于柔性樁.為此，Ng和Zhang[31-32]借助有限差分軟件揭示其樁周土體的塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律：樁側(cè)剪切塑性區(qū)隨著荷載增大而逐漸拓寬、拓深，水平荷載通過基樁向更深處土體傳遞，形成廣泛的樁側(cè)楔形塑性區(qū)，進(jìn)而引起樁前楔體的局部破壞甚至整體破壞.隨后，模型試驗(yàn)和有限元數(shù)值結(jié)果[33]顯示除樁前土體外，剛性樁樁后和樁端也會形成破壞區(qū)域，同時(shí)受臨坡距和水平荷載控制；臨坡距較大時(shí)，破壞面仍在坡頂范圍內(nèi)，隨著臨坡距逐漸減小，破壞面將越過坡頂邊界向坡面延伸[33]，上述現(xiàn)象與模型試驗(yàn)[19]及全尺寸試驗(yàn)[20]現(xiàn)象吻合較好.陡坡段基樁全尺寸試驗(yàn)[20]中，樁前和樁后均形成裂隙（垂直于加載方向以及與加載方向成45°），近地表土體出現(xiàn)楔形破壞[27]，而對于平地樁基，主要為向上移動(dòng)和膨脹而產(chǎn)生明顯的隆起現(xiàn)象.綜上可知，楔形破壞模式已被較多學(xué)者接受，但其幾何形狀（如剪切破壞角）以及楔體側(cè)面是否提供阻力尚無統(tǒng)一的觀點(diǎn)[28].Gabr和Borden[28]認(rèn)為黏性土剪切破壞角為φ/2，松砂剪切破壞角為φ/3～φ/2，密砂剪切破壞角約為φ.亦有學(xué)者通過模型試驗(yàn)，提出了剪切破壞角約為0.75φ或φ/2，且與荷載及基樁位移有關(guān)；或者破壞楔體的剪切破壞角隨臨坡距的減小而增大，并建議剪切破壞角取0.7φ.

2現(xiàn)場及模型試驗(yàn)方法研究

2.1現(xiàn)場試驗(yàn)方法

目前尚無專門針對陡坡段橋梁樁基現(xiàn)場試驗(yàn)方法的相關(guān)規(guī)范，故現(xiàn)場試驗(yàn)仍需借鑒平地橋梁樁基相關(guān)規(guī)范，相關(guān)試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)流程詳見《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3363—2019）[3]和《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10093—2017）[4]，不在此贅述.

目前，相關(guān)學(xué)者一般根據(jù)現(xiàn)場勘探試驗(yàn)（包括鉆孔試驗(yàn)、SPT和CPT、DMT等）[20]及原狀土的室內(nèi)土工試驗(yàn)，揭示試樁處地層分布及其主要的物理力學(xué)性質(zhì).此外，沿樁軸線自地面以下每隔一定距離在鋼筋籠上安裝一對鋼弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)（沿邊坡傾向?qū)ΨQ）和電阻式鋼筋應(yīng)變計(jì)（沿邊坡走向?qū)ΨQ），并在樁端埋設(shè)土壓力盒，以測量試樁內(nèi)力發(fā)展規(guī)律.為直接監(jiān)測試樁的變形和偏轉(zhuǎn)情況，可沿樁安裝一系列位移計(jì)和測斜儀，由于試樁在近地表處的位移變化較大，故此處應(yīng)變計(jì)較多.若有條件開展水平靜載荷試驗(yàn)，則可通過伺服油壓/液壓千斤頂?shù)仁┘訑M靜力水平荷載，并通過測力元件等控制靜載水平.若試樁處難以實(shí)施靜載試驗(yàn)，可結(jié)合橋梁施工進(jìn)度，采集橋梁在上、下部結(jié)構(gòu)自重及成橋后車輛加載等工況下的樁身內(nèi)力發(fā)展規(guī)律[8].

2.2模型試驗(yàn)方法

2.1.1相似準(zhǔn)則

相似第二定理給出了相似準(zhǔn)則的推導(dǎo)方法：定律分析法、量綱分析法和方程分析法.從理論上來說，三種方法均可推導(dǎo)出相同的相似準(zhǔn)則，僅僅是用不同方法對相似現(xiàn)象做數(shù)學(xué)上的表述.

在傾斜荷載下基樁撓曲微分方程式（1）的基礎(chǔ)上，采用方程分析法可推導(dǎo)出陡坡段橋梁樁基的相似準(zhǔn)則，見式（2）和式（3）.

式中：E_pI_p為基樁抗彎剛度；y為基樁水平位移；z為深度；P為豎向荷載；b₀為基樁計(jì)算寬度；m為地基反力系數(shù)的比例系數(shù)；λ_m、λ_b、λ_z和λ_EI分別為地基反力系數(shù)的比例系數(shù)m、基樁計(jì)算寬度b₀、埋深z和基樁抗彎剛度E_pI_p的相似比.

2.1.2模型邊坡填筑

模型試驗(yàn)通常在試驗(yàn)箱或試驗(yàn)槽中進(jìn)行，其尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)考慮模型樁尺寸及樁基作用影響范圍：10倍樁徑或者荷載方向上8～12倍樁徑和垂直于荷載方向上3～4倍樁徑[22].試驗(yàn)箱通常為鋼板與有機(jī)玻璃的組合結(jié)構(gòu)，四周由型鋼固定，可通過橫向加筋肋增強(qiáng)其整體抗彎能力，透明玻璃面可便于直接觀測樁-坡體系變形及破壞現(xiàn)象.在同時(shí)開展多組模型試驗(yàn)時(shí)，可采用固定木質(zhì)分隔板隔離，防止各組模型試驗(yàn)之間相互影響[24].

當(dāng)模型邊坡填土為砂土?xí)r，應(yīng)在模型試驗(yàn)前，對其進(jìn)行一系列物理力學(xué)試驗(yàn)，獲得其物理力學(xué)指標(biāo)（如重度、含水率、彈性模量、孔隙比、內(nèi)摩擦角、曲率系數(shù)和不均勻系數(shù)等）.若為河砂，則應(yīng)晾曬后過篩，去除顆粒雜物，才可通過顆粒篩分試驗(yàn)得到其級配曲線.為忽略模型土的尺寸效應(yīng)，模型樁樁徑與粒徑d₅₀（小于該粒徑的土粒質(zhì)量占土的總質(zhì)量的50%的粒徑）的比值應(yīng)大于40[34].為確保模型邊坡的填砂密度接近（密實(shí)度可通過砂土的自由落體高度控制），常采用砂雨法進(jìn)行填筑[34]，通過漏斗產(chǎn)生均質(zhì)砂土水平地面，進(jìn)而進(jìn)行開挖削坡處理，形成不同坡角和高度的砂土邊坡.在采用砂雨法進(jìn)行填筑期間，可通過圓錐靜力觸探法，記錄土體不同填筑深度時(shí)的CPT曲線，以證實(shí)砂雨法重建土體后的均勻性.

當(dāng)模型邊坡填土為黏性土?xí)r，也應(yīng)在模型試驗(yàn)前，對其進(jìn)行一系列物理力學(xué)試驗(yàn)，獲得其物理力學(xué)指標(biāo)（如黏聚力、內(nèi)摩擦角、液限、塑限、最優(yōu)含水率、最大干密度、壓實(shí)度和彈性模量等）.在填筑邊坡之前，可在試驗(yàn)箱內(nèi)壁貼上塑料薄膜并涂上潤滑油，以減小試驗(yàn)箱（槽）側(cè)壁摩擦的影響.為保證模型邊坡填土密實(shí)均勻，可預(yù)先在試驗(yàn)箱每隔一定深度進(jìn)行標(biāo)記，進(jìn)而分層夯實(shí)（或振動(dòng)密實(shí)）填筑.在逐層填筑過程中，每次填土量應(yīng)相同，控制好干密度范圍，并將每層土夯實(shí)至相應(yīng)標(biāo)記處，每層夯實(shí)次數(shù)相同，以保證土樣均勻密實(shí)，均勻夯實(shí)后再填筑下一層，填筑到設(shè)計(jì)標(biāo)高后統(tǒng)一刷坡到預(yù)定坡度，再靜置7 d以保證邊坡穩(wěn)定性.若邊坡存在滑動(dòng)面，可采用塑料薄膜模擬[7].為檢驗(yàn)黏土層的均勻性，可從不同深度采集黏土樣品，測定其重度和含水率，保證二者僅在較小范圍內(nèi)變化.

2.1.3模型樁制作

常見的模型樁主要有鋁管、鋼管、ABS塑料管、聚氯乙烯（PVC）管、三型聚丙烯（PPR）管，其外徑（三截面交叉法）和壁厚、樁長和埋深可以根據(jù)相似準(zhǔn)則和抗彎剛度（簡支梁法或懸臂梁法）等確定.在此基礎(chǔ)上，通過相對剛度因子K_r、剛度系數(shù)T或樁的水平變形系數(shù)α[3]，可將基樁劃分為剛性樁（K_r>10^-1、L_em<2T、αL_em≤2.5）或柔性樁（K_r<10^-2、L_em>4T、αL_em>2.5）.

式中：E_s為埋置深度范圍內(nèi)土體加權(quán)平均割線模量；L_em為埋置深度；n_h為地基水平反力系數(shù).

成樁可采用鉆孔灌注、打入或預(yù)埋等方式.對于預(yù)埋樁，為模擬樁土接觸，保證樁身具有一定粗糙度，可在樁身涂抹少量膠水，使其均勻附著一定厚度的細(xì)砂.將模型樁從預(yù)留孔洞中插入固定后，可用經(jīng)緯儀監(jiān)測樁身是否鉛直.如有必要，可在樁身上布置金屬圓環(huán)[16]，以便后續(xù)施加水平荷載.可根據(jù)對應(yīng)的工程實(shí)際選擇樁頂和樁端邊界條件（嵌固或自由）. 為模擬樁端嵌固條件，可采用水泥、石膏和砂的混合料或者混凝土、鋼筒等進(jìn)行固定.

2.1.4測量元件及其系統(tǒng)

加載過程中地表處樁身所產(chǎn)生的水平位移及轉(zhuǎn)角，可通過在樁頂處布設(shè)LWH拉桿式直線位移傳感器或LVDT線性可變差動(dòng)變壓器、光電位移傳感器、百分表或千分表等測定.在模型樁預(yù)埋之前，可在樁端及沿樁身一定間隔放置土壓力盒，以測定每級荷載穩(wěn)定后的樁側(cè)土壓力分布規(guī)律以及樁端阻力.為測定樁身應(yīng)變及彎矩，可沿樁長每隔一定距離對稱布置一對電阻式應(yīng)變片（1/4橋、半橋、全橋法），并以AB膠或硅膠封存保護(hù)，以避免應(yīng)變片與土體直接接觸.為盡量減小應(yīng)變片接線對實(shí)測結(jié)果的影響，接線從樁側(cè)面打孔穿過，自樁頂引出.試驗(yàn)前應(yīng)對應(yīng)變片進(jìn)行平衡操作以及應(yīng)變歸零，并檢查應(yīng)變片是否處于正常工作狀態(tài).應(yīng)變片數(shù)據(jù)均由靜態(tài)電阻應(yīng)變采集儀和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采集，各測點(diǎn)彎矩可據(jù)式（7）或式（8）計(jì)算.

M=εC（8）

式中：ε_c和ε_t分別為壓應(yīng)變和拉應(yīng)變；D為樁徑；ε為微應(yīng)變；C為校準(zhǔn)常數(shù).

樁身彎矩曲線可采用局部五次樣條函數(shù)、三次或六次多項(xiàng)式等函數(shù)擬合，通過對其進(jìn)行二次微分即可交叉驗(yàn)證應(yīng)變片和土壓力盒的測量結(jié)果.在擬合和微分過程中，無須引入額外的條件或假設(shè)（如地表處或樁端處土壓力為零）.為提高土壓力分布曲線的精度，應(yīng)在樁頂和樁端處適當(dāng)增加測量點(diǎn)的數(shù)量.

2.1.5荷載施加

水平荷載可通過多種方式進(jìn)行施加，如伺服油壓/液壓千斤頂、作動(dòng)器、電機(jī)、自制無摩擦定滑輪裝置、多通道協(xié)調(diào)加載試驗(yàn)系統(tǒng)等，加載速度或幅值可由壓力傳感器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制操作.采用慢速維持荷載法進(jìn)行逐級加載，每級荷載增量通過預(yù)試驗(yàn)確定，約為預(yù)估水平極限承載力的1/15～1/10，模型樁容許水平承載力取樁頂位移為0.2倍樁徑對應(yīng)的荷載.然后，按0、5 min、15 min、30 min、1 h的時(shí)間間隔分別獲取傳感器數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)乇硖幩轿灰频淖兓俾市∮?.01 mm/（1～5）min且累計(jì)小于0.1 mm/h 時(shí)，方可施加下一級荷載.若在某級荷載下，當(dāng)樁身出現(xiàn)斷裂、地表處位移急劇增加、地基土出現(xiàn)明顯貫穿裂縫或隆起時(shí)，視為極限承載狀態(tài)，應(yīng)終止加載并逐級卸載至零.

豎向加載可采用機(jī)械式自平衡重物加載裝置，通過球鉸架設(shè)于模型樁樁頂，能隨樁頂移動(dòng)并自行調(diào)整平衡，以保證施加荷載為豎向力，不產(chǎn)生水平分力.豎向荷載亦采用慢速維持荷載法進(jìn)行逐級加載，當(dāng)某級荷載下樁頂沉降量小于0.1 mm/h時(shí)，則認(rèn)為已達(dá)穩(wěn)定，然后再施加下一級荷載，當(dāng)某級荷載下的樁頂沉降量大于前一級荷載沉降量的5倍時(shí)，則終止加載.

此外，在坡體平臺上堆載使坡體對模型樁產(chǎn)生水平推力，可模擬施工階段中樁基上方邊坡的施工便道和重型施工設(shè)備.

試驗(yàn)加載過程中需要測定樁頂水平位移、樁身應(yīng)變和樁側(cè)土壓力.在施加第一級荷載之前，首先檢測各測量元件，確認(rèn)各測量元件性能良好，并做好加載前初讀數(shù)的采集工作.每級荷載施加后，恒載5 min測讀樁頂水平位移，并同時(shí)采集應(yīng)變和土壓力數(shù)據(jù).

3受力變形分析及其設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究

3.1考慮豎向摩阻力弱化的豎向承載力計(jì)算方法

常規(guī)平地橋梁樁基豎向承載力可通過靜載荷試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式法、動(dòng)測法和沉降計(jì)算方法（彈性理論法、荷載傳遞法和剪切位移法）等方法確定.然而，由于陡坡段橋梁樁基的樁側(cè)土體存在非對稱性，導(dǎo)致臨坡側(cè)約束及摩阻力難以充分發(fā)揮，故其豎向承載力明顯低于常規(guī)平地樁基，若直接采用現(xiàn)行規(guī)范或文獻(xiàn)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，則偏于不安全[35].

為此，牛富生等[13]基于現(xiàn)場試驗(yàn)，考慮樁-坡非對稱性對基樁豎向承載力的折減效應(yīng)，提出了相應(yīng)的修正計(jì)算公式.尹平保等[36]假定淺層區(qū)域地基抗力呈非線性分布，建立了基樁穩(wěn)定性分析簡化模型及樁-坡體系總勢能方程，進(jìn)而提出了基于能量法的陡坡段基樁屈曲荷載及樁長設(shè)計(jì)方法.隨后，進(jìn)一步開展模型試驗(yàn)，推導(dǎo)出考慮坡度及樁長影響的陡坡段基樁屈曲荷載理論計(jì)算公式[37].

3.2考慮極限地基水平抗力弱化的水平承載力計(jì)算方法

橋梁樁基以承受豎向荷載為主，但在車輛制動(dòng)荷載、風(fēng)荷載甚至地震荷載等作用下，也將承受一定的水平荷載，故其工程設(shè)計(jì)不僅要滿足豎向承載力要求，還須驗(yàn)算水平承載力，且研究及實(shí)踐表明，單樁水平承載力遠(yuǎn)低于其豎向承載力.然而，由于陡坡段橋梁樁基的樁側(cè)土體存在非對稱性，導(dǎo)致臨坡側(cè)極限地基水平抗力難以充分發(fā)揮，故其水平承載力明顯低于常規(guī)平地樁基.

許錫昌課題組[16]結(jié)合模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬，提出了可考慮坡度和臨坡距的陡坡段基樁水平承載力簡化計(jì)算方法.Chae等[33]以原型和模型試驗(yàn)為依據(jù)，運(yùn)用三維彈塑性有限元法，分析了砂土邊坡對樁前地基水平抗力的弱化效應(yīng).藺鵬臻等[37]采用ANSYS有限元軟件模擬某黃土邊坡上鐵路橋梁樁基工程，分析出受水平地震和邊坡推力綜合影響，臨坡側(cè)的基樁豎向位移和正應(yīng)力遠(yuǎn)高于背坡側(cè)應(yīng)力.Zhang等[39]開展三維數(shù)值分析，探究了坡度和套管厚度對基樁水平承載特性的影響，建立了陡坡段基樁與平地基樁響應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系.

此外，一些學(xué)者開始采用極限地基反力法，推導(dǎo)陡坡段剛性樁水平承載力理論解.Gabr和Borden[28]通過建立靜力平衡模型，分別推導(dǎo)出以坡度和土體強(qiáng)度為參數(shù)的砂土和c-φ土陡坡地基中剛性樁水平承載力理論解.湖南大學(xué)課題組提出陡坡地基樁前土體的極限破壞模式，并基于極限分析上限定理，推導(dǎo)出剛性樁水平承載力計(jì)算方法及其簡化擬合公式[40]；在此基礎(chǔ)上，假定樁前土體非對稱破壞模式，引入強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)考慮旋轉(zhuǎn)中心以下土體抗剪強(qiáng)度的影響，結(jié)合極限分析上限定理和靜力平衡條件，推導(dǎo)出陡坡段剛性樁水平承載力解析解，進(jìn)而引入有效埋深概念，將其成果推廣至柔性長樁[41].Georgiadis等[42]基于靜力平衡條件，推導(dǎo)出考慮樁-土界面黏聚力的不排水條件下黏土中剛性樁水平承載力表達(dá)式，并給出了水平承載力與坡度、臨坡距、長徑比、荷載偏心率以及樁-土界面黏聚力相關(guān)的設(shè)計(jì)圖表. Jiang等[43]和Liu等[44]假定樁側(cè)極限地基抗力及其模量的表達(dá)式，并基于靜力平衡條件，分別提出了在砂土邊坡和黏土邊坡上的水平受荷剛性樁非線性分析方法.

3.3m值和p-y曲線弱化效應(yīng)

3.3.1m值弱化

如前所述，陡坡段樁基兩側(cè)巖土體的非對稱性將導(dǎo)致地基水平抗力弱化，可表現(xiàn)為地基反力系數(shù)的比例系數(shù)m值弱化，但陡坡條件下m值取值至今尚無明確規(guī)定[3-4].因而，在缺乏充分資料且難以對m取值作出統(tǒng)一規(guī)定時(shí)，陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)人員被迫結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，忽略或弱化一定深度范圍內(nèi)的地基水平抗力.

湖南大學(xué)課題組基于一系列模型及現(xiàn)場試驗(yàn)成果[7-8，15，23-25]，建議將陡坡效應(yīng)影響深度范圍內(nèi)m值取為平地m值的一半.隨后，尹平保等[18]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，指出陡坡條件下m值隨地表處樁身位移、坡度及水平荷載作用角度增加呈非線性減小，并建立了相應(yīng)的擬合關(guān)系式.此外，針對我國西南地區(qū)典型碎石土陡坡地基的m值取值問題，趙其華課題組[45-46]也作出了較多的研究工作：基于水平靜載試驗(yàn)，提出了以平地m值為基礎(chǔ)的碎石土陡坡地基m值修正公式及其取值范圍[45]；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬，進(jìn)一步提出了考慮坡度、土體密實(shí)度、樁長及樁徑的碎石土和碎石土-基巖陡坡地基m值的估算公式及其修正系數(shù)[46].

3.3.2p-y曲線弱化

現(xiàn)行規(guī)范中p-y曲線主要源于平地條件下的原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，在分析陡坡地基問題時(shí)存在局限性.

為此，一些學(xué)者試圖通過陡坡段水平受荷樁室內(nèi)模型試驗(yàn)，探明陡坡效應(yīng)引起的地基水平抗力弱化規(guī)律.年廷凱等[47]深入分析樁側(cè)地基抗力與樁身位移的分布規(guī)律，提出了適用于粉土邊坡的簡化p-y曲線表達(dá)式.隨后，通過對樁側(cè)土體極限抗力和初始剛度的合理修正，張陳蓉課題組[48]推導(dǎo)出砂土邊坡淺層區(qū)域的雙曲線型p-y曲線表達(dá)式；楊明輝等[49]提出了黏土邊坡淺層區(qū)域的p-y曲線表達(dá)式以及陡坡效應(yīng)影響深度與坡度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，并量化了陡坡段基樁水平承載力折減程度與坡度和臨坡距的關(guān)系.此外，尹平保等[6]對Matlock黏土p-y曲線及雙曲線型砂土p-y曲線進(jìn)行修正，分別構(gòu)造了黏土和砂土邊坡的p-y曲線.

國外學(xué)者亦基于現(xiàn)場或模型試驗(yàn)結(jié)果，引入折減系數(shù)考慮陡坡效應(yīng)，對平地p-y曲線進(jìn)行修正. Mezazigh和Levacher[34]采用局部五次樣條函數(shù)擬合離心模型試驗(yàn)實(shí)測彎矩曲線，提出了陡坡條件下的干砂p-y曲線修正系數(shù).Muthukkumaran等[50]采用三次多項(xiàng)式擬合模型試驗(yàn)實(shí)測彎矩曲線，引入折減系數(shù)對API RP 2A方法進(jìn)行修正，建立了超載作用下的砂土陡坡地基無量綱p-y曲線.K. Georgiadis和M.Georgiadis[51-52]采用三維有限元方法，提出了考慮不排水抗剪強(qiáng)度、坡度和樁-土界面黏聚力的新p-y準(zhǔn)則[51]；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮地基水平抗力分布隨臨坡距的演化規(guī)律，提出了考慮臨坡距的p-y曲線表達(dá)式[52].Nimityongskul等[20]對平地及邊坡條件下的黏土p-y曲線進(jìn)行歸一化處理，提出了考慮陡坡效應(yīng)的p-y曲線p乘子.Chen等[53]假定水平受荷樁將樁前土體壓縮成土楔體，并考慮陡坡效應(yīng)對雙曲線型p-y曲線的影響，提出了基于楔體平衡分析的砂土邊坡極限地基水平抗力計(jì)算方法.與此同時(shí)，Liu等[54]進(jìn)一步考慮臨坡距對p-y曲線的影響，提出了基于楔體平衡分析的黏土邊坡極限地基水平抗力計(jì)算方法.

3.4傾斜荷載下陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)計(jì)算方法

陡坡段橋梁樁基不僅要承受橋梁上部結(jié)構(gòu)及載具自重導(dǎo)致的豎向荷載，還要承擔(dān)車輛制動(dòng)和強(qiáng)風(fēng)甚至地震慣性力等造成的水平荷載，同時(shí)受到樁-坡非對稱體系引起的樁后附加土壓力，故其撓曲微分方程應(yīng)為：

考慮到地基水平抗力p（z，y）的確定方法不同，可將當(dāng)前陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)計(jì)算方法主要分為彈性地基反力法和復(fù)合地基反力法（p-y曲線法）.

3.4.1彈性地基反力法

該方法假定地基土為服從胡克定律的彈性體，地基水平抗力p（z，y）的表達(dá)式為

p（z，y）=（a+mzⁱ）yⁿ=k（z）yⁿ（10）

式中：a、i、m、n均為待定系數(shù)，n取決于樁身水平位移，且根據(jù)n的取值可將彈性地基反力法分為非線性彈性地基反力法和線彈性地基反力法.

1）非線性彈性地基反力法（n≠1）.

當(dāng)樁基水平位移較大時(shí)，樁側(cè)土體變形將不再是線彈性的.最具有代表性的是日本港研法，包括林-宮島法和久保法.但由于此法很難給出非線性微分方程的解析解或近似解，過于復(fù)雜的計(jì)算過程限制了其在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.

2）線彈性地基反力法（n=1）.

根據(jù)Winkler假定，此法將樁周土視為離散彈簧，并忽略其連續(xù)性；一般通過指定k（z）中的兩個(gè)參數(shù)，簡化地基水平抗力的計(jì)算，獲得常數(shù)法（張氏法）、k法、c法和m法等常用方法.其中，張氏法假定m=0，即k（z）為常數(shù)，與深度無關(guān)，故其數(shù)學(xué)處理最為簡單；m法假定i=1，即k（z）=mz，運(yùn)用該方法精確求解基本微分方程難度頗大，故往往需要借助一些數(shù)學(xué)近似手段，并作出簡化計(jì)算圖表以便查用.

綜上可知，線彈性地基反力法未能考慮地基土的連續(xù)性，且將樁身任一點(diǎn)的地基抗力和水平位移視為線性相關(guān)，難以精確反映土體復(fù)雜性質(zhì)，故其僅適用于小荷載和小位移條件.然而，恰好公路、鐵路橋梁樁基一般不允許地面處水平位移過大（6～10 mm），故我國公路、鐵路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[3-4]依然沿用線彈性地基反力法，并給出了不同類別土的m值取值范圍，指出當(dāng)樁基在地面處位移超過容許值時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低.

基于彈性地基反力法，湖南大學(xué)課題組多年來針對陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)計(jì)算理論作出了大量研究工作[15，55-60].初期，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，假定樁后附加土壓力呈兩端小中間大的拋物線型分布，且樁前地基反力系數(shù)服從m法假定，推導(dǎo)出考慮P-Δ效應(yīng)的傾斜荷載下陡坡段基樁內(nèi)力變形有限差分解答[55-57]及冪級數(shù)解答[58]；隨后，基于極限平衡理論推導(dǎo)了樁后附加土壓力的計(jì)算公式，并采用冪級數(shù)法求解撓曲微分方程，提出了陡坡段樁柱式橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算方法[59]；綜合考慮P-Δ效應(yīng)及樁土共同作用的影響，對傳統(tǒng)有限桿單元法中單元?jiǎng)偠染仃囘M(jìn)行修正，提出了適用于陡坡段基樁內(nèi)力變形分析的改進(jìn)有限桿單元法[60].近期，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，以水平靜載下樁頂水平位移為基礎(chǔ)，分析出可考慮坡度、水平荷載幅值及循環(huán)次數(shù)影響的陡坡段水平循環(huán)受荷樁的樁頂水平位移擬合公式[15].此外，藺鵬臻等[38]基于有限差分法提出了考慮滑坡推力和地基抗力折減的基樁內(nèi)力變形計(jì)算方法.董捷等[61]考慮樁前三維楔形體的受力平衡條件及臨界穩(wěn)定狀態(tài)，提出了陡坡段基樁自由段長度的設(shè)計(jì)計(jì)算方法.楊果林課題組[62]基于三參數(shù)地基模型，建立了考慮豎向摩阻力的撓曲微分方程，并采用傳遞矩陣法結(jié)合Laplace變換公式，推導(dǎo)出陡坡段基樁撓曲半解析解.

上述設(shè)計(jì)計(jì)算方法均針對陡坡段橋梁單樁，難以考慮橋梁雙樁基礎(chǔ)的復(fù)雜受力變形特性.為此，湖南大學(xué)課題組借鑒深基坑護(hù)坡樁的土壓力理論，合理簡化樁后附加土壓力，提出了基于冪級數(shù)法的橋梁雙樁基礎(chǔ)內(nèi)力變形計(jì)算方法[63]；并對傳統(tǒng)有限桿單元法進(jìn)行修正，提出了考慮P-Δ效應(yīng)與樁土共同作用的陡坡段雙樁設(shè)計(jì)方法[64].近期，通過樁頂變形協(xié)調(diào)條件考慮連系梁的影響，并引入土壓力理論考慮樁間土的作用，推導(dǎo)了陡坡段雙樁內(nèi)力變形有限差分解答[65]；進(jìn)而分別引入應(yīng)變楔理論和彈性地基反力法分析陡坡段雙樁基礎(chǔ)樁側(cè)土壓力，并考慮P- Δ效應(yīng)、樁土共同作用和土體剪切作用，對有限桿單元法中單元?jiǎng)偠染仃囘M(jìn)行修正，提出了復(fù)雜荷載下陡坡段橋梁雙樁基礎(chǔ)受力變形分析方法[66].此外，張永杰等[67-68]提出了基于結(jié)構(gòu)位移法的陡坡群樁基礎(chǔ)分析方法及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[67]；進(jìn)而針對橋梁雙樁基礎(chǔ)承載特性，建立了相應(yīng)的簡化分析模型，并基于樁側(cè)受均布力假定，提出了陡坡段雙樁基礎(chǔ)簡化設(shè)計(jì)計(jì)算方法[68].

3.4.2復(fù)合地基反力法

該方法認(rèn)為水平受荷樁的樁側(cè)土一定深度以上為塑性區(qū)（極限地基反力法），此深度以下為彈性區(qū)（彈性地基反力法），也稱彈塑性分析法.作為應(yīng)用較廣的一種方法，p-y曲線法沿深度方向?qū)秱?cè)土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系用一組曲線來表示，即在某一深度處，建立樁基水平位移與單位長度地基反力合力之間的對應(yīng)關(guān)系.此法可考慮樁側(cè)土與柔性長樁水平變形的非線性關(guān)系，在分析較大變形問題時(shí)，比彈性地基反力法更為優(yōu)越，已被港工規(guī)范及固定式海上平臺規(guī)范廣泛接受.

湖南大學(xué)課題組深入分析陡坡段橋梁樁基的承載特性和荷載傳遞機(jī)制，采用p-y曲線考慮樁土相互作用，獲得了考慮樁體自重和豎向摩阻力等影響的陡坡段基樁內(nèi)力變形有限差分解，；結(jié)合樁側(cè)摩阻力和樁后附加土壓力的分布規(guī)律，獲得了對應(yīng)的等效結(jié)點(diǎn)荷載向量表達(dá)式，并引入p-y曲線對地基水平抗力進(jìn)行非線性分析，進(jìn)而基于考慮P-Δ效應(yīng)的修正有限桿單元法，提出了陡坡段基樁內(nèi)力變形計(jì)算方法[70].近期，對平地應(yīng)變楔模型進(jìn)行修正[71]，考慮陡坡效應(yīng)對應(yīng)變楔應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響，提出了坡頂處水平受荷樁內(nèi)力變形計(jì)算方法[12]；并進(jìn)一步引入土楔理論考慮樁后附加土壓力，將其計(jì)算方法推廣至陡坡任意位置處基樁[11].近期，基于小比例模型試驗(yàn)，提出了考慮坡度及臨坡距影響的修正應(yīng)變楔模型及對應(yīng)的p-y曲線[26]；通過基樁撓曲微分方程迭代求解應(yīng)變楔深度及應(yīng)變，獲得了陡坡段基樁內(nèi)力變形非線性分析的有限桿單元解答[27].

4施工技術(shù)和安全評價(jià)方法及加固處治措施研究

4.1施工技術(shù)

陡坡段橋梁樁基的施工受到山區(qū)復(fù)雜地形地貌特征和水文地質(zhì)條件限制（地形高差較大、溝谷縱橫、穩(wěn)定性差、交通不便等）.若盲目照搬平地橋梁樁基的施工工藝和管理措施，或?qū)?dǎo)致工作面的過度開挖，造成周邊巖土體環(huán)境及天然排水系統(tǒng)破壞，進(jìn)而引發(fā)巖土體失穩(wěn)和滑塌等工程病害，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度，造成經(jīng)濟(jì)損失.在實(shí)際施工過程中，由于陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)處于初期階段，缺乏必要的施工標(biāo)準(zhǔn)和管理措施，甚至沒有相對可靠、健全的安全防護(hù)技術(shù)，難以滿足施工要求.鑒于此，國內(nèi)外一些學(xué)者結(jié)合山區(qū)樁基施工難點(diǎn)及工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一些陡坡段橋梁樁基標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝，以期保證施工質(zhì)量及施工的有序進(jìn)行.

4.1.1成孔工藝

因機(jī)械設(shè)備在山區(qū)運(yùn)輸和安裝困難，成孔泥漿和廢渣難以排出，不利于生態(tài)保護(hù)，施工難度較大，故常采用人工挖孔方式.在樁基成孔時(shí)，應(yīng)在施工現(xiàn)場圍建適當(dāng)?shù)淖o(hù)壁并加固井口圍欄，可避免坡面上的巖石及雜物落入，并有效阻斷坡面水流入孔內(nèi).在上覆土層挖孔施工時(shí)，應(yīng)在孔位處采用1 m左右的支護(hù)架，采用細(xì)石混凝土作為護(hù)壁基礎(chǔ)性材料，整體厚度為15 cm左右，每節(jié)樁孔挖完后，應(yīng)用竹竿在上下左右水平轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證樁孔質(zhì)量.若無法打進(jìn)或打進(jìn)速度較慢，難以滿足工期要求，則可根據(jù)工程實(shí)際，按照既定管理體系，在保證孔壁基本穩(wěn)定性和周邊環(huán)境安全的同時(shí)，采用毫秒微差的爆破技術(shù)均勻擊碎巖石.

此外，在山區(qū)橋梁樁基施工時(shí)，若采用混凝土護(hù)壁，應(yīng)將護(hù)壁從孔口處地面以上10～30 cm一直延伸至風(fēng)化層底部.護(hù)壁混凝土結(jié)構(gòu)采用雙層鋼筋布置形式，網(wǎng)格間距約為20 cm，鋼筋網(wǎng)及錨頭采用電焊連接.同時(shí)，應(yīng)將水平鋼筋伸出模板10～15cm，以便其與其他鋼筋有序連接.樁孔進(jìn)入巖層后，應(yīng)在臨空側(cè)護(hù)壁上采用鋼筋混凝土進(jìn)行加固，錨桿安裝過程中要保證操作程序的穩(wěn)定性，首先注漿，其次安裝鋼筋網(wǎng)，最終澆筑.

4.1.2成樁工藝

鋼筋籠在山區(qū)橋梁樁基標(biāo)準(zhǔn)化施工中起著重要作用.為保證鋼筋籠順利制作下放，在交通不便、機(jī)械設(shè)備難以到達(dá)孔位處時(shí)，可在孔位的施工平臺完成制作后直接下放.此外，可采用吊車沉放，在距樁孔10 m處設(shè)置吊線，必要時(shí)對鋼筋籠進(jìn)行垂直控制，將其懸于鋼筋籠軸線上，并避免出現(xiàn)鋼筋籠搖晃現(xiàn)象.

在山區(qū)橋梁樁基澆筑過程中，由于缺少地下水，大多采用干灌法，且應(yīng)將混凝土攪拌均勻，盡量縮短運(yùn)輸距離，減少顛簸.澆筑過程必須連續(xù)，避免出現(xiàn)導(dǎo)管進(jìn)水導(dǎo)致斷樁的情況.由于灌注樁樁頂高于常規(guī)設(shè)計(jì)高度，應(yīng)將設(shè)計(jì)高度以上的浮漿和混凝土及時(shí)消除，以保證施工質(zhì)量.

4.1.3質(zhì)量管理措施

加強(qiáng)施工現(xiàn)場管理是加快工程進(jìn)度、保證工程質(zhì)量及安全的關(guān)鍵因素，應(yīng)合理設(shè)置安全警示牌，對工程地質(zhì)情況、施工方案及工程進(jìn)度進(jìn)行透明化管理，負(fù)責(zé)人則要明確自身責(zé)任意識，明確分工，進(jìn)而提升標(biāo)準(zhǔn)化施工質(zhì)量.山區(qū)橋梁樁基施工過程中，應(yīng)建立完善的組織結(jié)構(gòu)，對施工人員進(jìn)行安全教育，按照既定的管理制度，確定安全管理原則，并在執(zhí)行階段，對各施工程序及樁基施工要點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格審核.若存在審核不到位或制度不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那闆r，則應(yīng)將責(zé)任落實(shí)到個(gè)人，進(jìn)而保證管理體系的有效性.

4.2安全評價(jià)方法

橋梁樁基邊坡穩(wěn)定性評價(jià)是山區(qū)公路、鐵路工程常見的復(fù)雜技術(shù)難題.橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載及樁體自重等附加荷載通過樁基礎(chǔ)向巖土體邊坡傳遞側(cè)向應(yīng)力，提升了滑坡風(fēng)險(xiǎn).由于附加荷載下橋梁樁基邊坡穩(wěn)定性分析較復(fù)雜，相應(yīng)的分析方法尚不成熟，陡坡段橋梁樁基工程的質(zhì)量和安全難以得到有效保障.為此，有必要提出和完善橋梁樁基邊坡的安全評價(jià)方法[3-4]，以保證山區(qū)橋梁樁基安全施工以及樁-坡系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性.

目前，橋梁樁基巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析方法主要有：1）穩(wěn)定坡角法.根據(jù)巖質(zhì)邊坡幾何形態(tài)及其水文地質(zhì)條件等，分析出天然狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定坡度線，橋梁樁基須嵌入此坡度線以下.從既有設(shè)計(jì)合理的穩(wěn)定邊坡中，通過統(tǒng)計(jì)分析獲得穩(wěn)定坡角與邊坡各參數(shù)之間的關(guān)系，擬合出基于巖體質(zhì)量或基于SMR的經(jīng)驗(yàn)公式.2）應(yīng)力分析法.樁-坡非對稱性使得臨坡側(cè)一定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力松弛帶，通過對比不同應(yīng)力松弛帶，并考慮施工難度，即可確定橋梁樁基的最佳位置.

顯然，各行業(yè)規(guī)范及手冊并未給出橋梁樁基邊坡穩(wěn)定性分析方法，相關(guān)研究也鮮有報(bào)道.Uto等[30]報(bào)道了兩例水平受荷樁引起砂土和軟巖邊坡失穩(wěn)的工程實(shí)例.Nakasima等[29]假定樁前破壞楔幾何形狀，提出了陡坡段水平受荷樁所在邊坡的局部穩(wěn)定性分析方法.Ng和Zhang等[31-32]通過三維有限元分析，分析了邊坡失穩(wěn)的演化過程，并揭示了荷載由基樁向邊坡傳遞的機(jī)理，進(jìn)而采用強(qiáng)度折減法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，給出了局部失穩(wěn)和整體失穩(wěn)的判據(jù).隨后，謝強(qiáng)課題組[72-75]結(jié)合穩(wěn)定坡角法、有限元法及強(qiáng)度折減法等，分別對宜萬線清江大橋[72]和野三河大橋[73-74]巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)；進(jìn)而結(jié)合三維有限元法和模型試驗(yàn)，提出了橋基安全臨坡距公式和橋基位置設(shè)計(jì)方法及其簡明計(jì)算表格[75].此外，由于以往研究大多將橋梁樁基邊坡簡化為平面問題來分析，未能考慮空間效應(yīng)，冷伍明課題組[76]結(jié)合三維數(shù)值方法、傳統(tǒng)理論和經(jīng)驗(yàn)公式，提出了一種橋梁樁基邊坡穩(wěn)定性的綜合評價(jià)方法.張彬等M開展離心模型試驗(yàn)，揭示了深度不均勻沉降范圍對樁基礎(chǔ)變形破壞特性的影響機(jī)制及相應(yīng)的破壞機(jī)理.近期，湖南大學(xué)課題組[78]采用有限元極限分析法，分析了水平地震系數(shù)、土體強(qiáng)度、邊坡幾何性狀、樁頂荷載等對樁-坡系統(tǒng)破壞模式及穩(wěn)定性的影響，并給出了可評估橋基邊坡地震穩(wěn)定性的詳細(xì)設(shè)計(jì)表格.

4.3加固處治措施

橋梁樁基邊坡的穩(wěn)定性要求、加固措施以及重點(diǎn)加固部位與自然邊坡存在顯著差異.在橋梁上部結(jié)構(gòu)施工過程中，一方面，須在橋位的滑動(dòng)帶周邊布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，以便隨時(shí)監(jiān)控滑動(dòng)帶的發(fā)展情況；另一方面，應(yīng)隨時(shí)關(guān)注地質(zhì)狀態(tài)的變化，復(fù)核勘察設(shè)計(jì)期間的資料，以便及時(shí)調(diào)整原設(shè)計(jì)方案.針對穩(wěn)定性難以滿足要求的工程，可采用抗滑樁、錨桿、帷幕注漿、急流槽、注漿鋼花管、仰斜式排水管、預(yù)應(yīng)力錨索、滑動(dòng)帶注漿、噴射混凝土、水平向排水系統(tǒng)及加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)等單一或綜合處治措施進(jìn)行加固.例如，馮忠居等[79]運(yùn)用BOZOZUK分析標(biāo)準(zhǔn)，對橋梁墩臺周邊堆載導(dǎo)致的橋基偏斜現(xiàn)象進(jìn)行評價(jià)，并采用預(yù)應(yīng)力錨索和預(yù)應(yīng)力抗滑樁的綜合處治措施對橋墩進(jìn)行了糾偏.畢繼紅和吳麗艷[80]采用ANSYS軟件，分析了列車荷載對樁基邊坡的三維動(dòng)力作用，提出了以預(yù)應(yīng)力錨索加固李子溝特大橋的樁-坡系統(tǒng).蔣關(guān)魯課題組[81-82]結(jié)合模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析出后排抗滑樁對成蘭鐵路某橋基邊坡的加固效果優(yōu)于前排抗滑樁，前排抗滑樁僅在靠近橋基時(shí)，才能充分發(fā)揮加固作用[81]；在此基礎(chǔ)上，分析不同頻率和加速度峰值條件下橋梁樁基和抗滑樁的受力變形規(guī)律，揭示了滑坡破壞發(fā)展過程和動(dòng)力響應(yīng)特性，并給出了前、后排抗滑樁與橋基的合理距離[82].

5展望

由于陡坡段橋梁樁基承載特性相當(dāng)復(fù)雜，本文通過對近年來陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)方法和施工技術(shù)的簡要回顧，重點(diǎn)介紹其承載機(jī)理、試驗(yàn)方法、受力變形分析及其設(shè)計(jì)計(jì)算方法、施工技術(shù)和安全評價(jià)方法及加固處治措施.在此基礎(chǔ)上，相關(guān)研究主要可從如下幾方面發(fā)展：

1）由于陡坡效應(yīng)的存在，臨坡側(cè)一定深度范圍內(nèi)m值和p-y曲線將發(fā)生弱化，該觀點(diǎn)目前已受到廣泛認(rèn)可.然而，m值和p-y曲線的弱化規(guī)律復(fù)雜，不僅隨深度變化，還與坡度和臨坡距密切相關(guān)，目前尚未有較為統(tǒng)一的分析方法.顯然，m值和p-y曲線的弱化規(guī)律、臨界深度和臨界臨坡距等陡坡效應(yīng)影響范圍仍是陡坡段樁基研究的重點(diǎn)之一.

2）陡坡地段的邊坡自重、鄰近堆載等將對樁基礎(chǔ)產(chǎn)生側(cè)向土壓力.在滑裂面尚未形成時(shí)，可將其視為附加土壓力；而在滑裂面已形成時(shí)，側(cè)向土壓力將發(fā)展成滑坡推力，此時(shí)橋梁樁基起到了阻擋支護(hù)作用，樁-坡相互作用機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜.換言之，側(cè)向土壓力的性質(zhì)和大小將隨樁-坡體系的穩(wěn)定性發(fā)生變化，但現(xiàn)行規(guī)范及相關(guān)研究尚未給出較為明確的計(jì)算方法.

3）陡坡段橋梁樁基承受豎向及水平荷載，且其自由段往往較長，P-Δ效應(yīng)顯著，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)不容忽視.此外，受陡坡效應(yīng)的影響，樁基屈曲穩(wěn)定性及樁基陡坡穩(wěn)定性分析方法、有效樁長及嵌巖深度計(jì)算方法均不同于平地樁基和抗滑樁.

4）群樁承載特性相當(dāng)復(fù)雜，與基樁數(shù)量、排列方式以及承臺剛度等因素有關(guān).但目前的陡坡段橋梁樁基研究大多針對單樁或雙樁，對群樁受力變形特性及樁-土共同作用機(jī)理、荷載傳遞規(guī)律等的研究甚少，尚無公認(rèn)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，有待進(jìn)一步探討.

5）陡坡段橋梁樁基的試驗(yàn)研究多局限于室內(nèi)模型試驗(yàn)，現(xiàn)場試驗(yàn)寥寥可數(shù)，有待進(jìn)一步開展現(xiàn)場試驗(yàn)探究樁-坡系統(tǒng)的荷載傳遞機(jī)制及樁-土相互作用機(jī)理.

6）軟弱土、填土、黃土、單溶洞或串珠狀溶洞及膨脹土地層等特殊環(huán)境具有不同于一般砂土或黏性土地層的工程性質(zhì)，如軟弱土的高壓縮性和觸變性、填土的不均勻性、黃土的濕陷性等.即使樁基處于一般軟土或黏土地層中，也可能出現(xiàn)砂黏土互層等復(fù)雜工況，而目前的模型試驗(yàn)大多在均質(zhì)砂土或黏性土中開展.

7）在動(dòng)力荷載作用下，陡坡段橋梁樁基的樁- 坡體系破壞模式可能發(fā)生改變，引起陡坡效應(yīng)影響深度與樁前地基抗力及樁后附加土壓力分布產(chǎn)生明顯變化，故動(dòng)力荷載下陡坡段樁基的樁周土體弱化機(jī)制研究已成為中西部山區(qū)橋梁樁基設(shè)計(jì)中亟待解決的問題.

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