山區(qū)陡坡橋梁樁基受力分析及安全評(píng)價(jià)

張潔ZHANG Jie；曾金明ZENG Jin-ming；游姍YOU Shan；付小紅FU Xiao-hong

（①武昌工學(xué)院，武漢 430065；②中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430056）

0 引言

陡坡橋梁樁基合理性設(shè)計(jì)的前提是陡坡樁基承載力的確定[1-4]、樁基荷載效應(yīng)分析。有很多學(xué)者對(duì)平地樁基進(jìn)行研究，張友良[5]等研究抗滑樁與滑坡體間的相互作用機(jī)理，提出了極限平衡法和有限單元法相結(jié)合的方法來模擬抗滑樁與滑坡體之間相互作用。楊濤[6]等提出了基于定點(diǎn)剪出穩(wěn)定性核算為基礎(chǔ)的滑坡推力分布形式分析計(jì)算方法。陳迪[7]等采用p-y 曲線法對(duì)砂土與粘土中側(cè)向受荷樁進(jìn)行非線性分析，分別通過有限差分法與迭代方式對(duì)粘土與砂土中側(cè)向受荷樁的受力形式進(jìn)行分析計(jì)算。劉晶波、杜義欣、閆秋實(shí)[8]以ANSYS 為例，給出了粘彈性人工邊界及其地震動(dòng)輸入在大型通用有限元軟件中的簡便實(shí)現(xiàn)途徑，對(duì)其他有限元軟件在程序中的實(shí)現(xiàn)也有一定的參考價(jià)值。蘇連虎[9]以工程實(shí)例為背景，對(duì)陡坡樁基進(jìn)行方案對(duì)比，從安全、經(jīng)濟(jì)、適用、環(huán)保四個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)陡坡橋梁的建設(shè)提供了參考價(jià)值。張偉[10]對(duì)復(fù)雜山區(qū)地帶高山陡坡穩(wěn)定進(jìn)行分析，并以工程實(shí)例為研究對(duì)象，分析在實(shí)際施工過程中需要注意的事項(xiàng)及應(yīng)用效果，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供參考。對(duì)于陡坡段橋梁的樁基由于所受的荷載和地質(zhì)條件不同，其受力情況與平地樁基不同，故本文對(duì)陡坡橋梁的樁基受力方式進(jìn)行分析。

1 陡坡橋梁樁基受力形式分析

1.1 豎向荷載作用下陡坡橋梁樁基受力形式分析

樁基的承載力由樁端摩阻力和樁側(cè)摩阻力兩部分共同承擔(dān)，位于陡坡上的橋梁樁基在承受豎向荷載作用時(shí)，其承載力也由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力共同承擔(dān)，只不過在承受豎向荷載時(shí)樁側(cè)摩阻先發(fā)揮作用，當(dāng)樁側(cè)摩阻力完全發(fā)揮作用后仍不足以承擔(dān)豎向荷載時(shí)，樁端阻力開始發(fā)揮作用。

1.2 橫向荷載作用下陡坡橋梁樁基受力形式分析

陡坡橋梁樁基在水平荷載作用下，承載力由樁身和樁周土體共同承擔(dān)，只不過在樁基剛受到水平荷載時(shí)，樁身自身發(fā)生變形來抵抗水平荷載，隨著水平荷載的增大，樁身變形也隨之增大，樁身變形會(huì)擠壓周邊的土體引起土體變形，當(dāng)樁身變形過大或者土體的變形過大時(shí)，樁周土體強(qiáng)度不足導(dǎo)致失穩(wěn)破壞。

1.3 組合荷載作用下陡坡橋梁樁基受力形式分析

組合荷載是指陡坡橋梁樁基既受到豎向荷載的作用也受到水平荷載的作用，如樁基既有橋梁自重的豎向荷載也有地震水平荷載作用。陡坡橋梁樁基在組合荷載作用下，受力形式不是簡單豎向荷載和水平荷載疊加，其受力分布復(fù)雜。

2 陡坡橋梁樁基地震響應(yīng)分析

2.1 有限元模型

采用ANSYS 軟件對(duì)一工程實(shí)際橋梁的樁基進(jìn)行分析，考慮樁周土對(duì)樁基的影響，分別建立無樁基的陡坡模型和考慮樁土相互作用有樁基模型，坡度為1:1，陡坡高度為30m，樁的入土深度為20m，樁基礎(chǔ)位于陡坡段的中間位置，以集中質(zhì)量的形式考慮上部結(jié)構(gòu)對(duì)樁基的作用。陡坡示意圖如圖1 所示。

圖1 陡坡示意圖

2.2 地震振幅對(duì)陡坡樁基地震響應(yīng)影響

本文選取1940,EI Centro Site，270 Deg（EI Centro 波）地震波進(jìn)行輸入進(jìn)行地震響應(yīng)分析。地震振幅是描述地震波的三要素之一，其大小決定了地震的強(qiáng)度，為了研究不同地震波振幅下陡坡樁基地震響應(yīng)，對(duì)有樁基模型和無樁基模型分別輸入不同的地震加速度峰值，其值分別為0.1g、0.15g、0.2g、0.25g、0.3g，以此來分析了不同振幅時(shí)地震動(dòng)作用下陡坡上坡頂和坡腳的位移變化。表1 為不同地震振幅下的坡頂和坡腳的位移值，圖2 為不同地震振幅下的坡頂和坡腳位移曲線圖。

圖2 坡頂和坡腳位移曲線圖

由表1 和圖2 可知，①隨著地震波振幅的增加，兩種計(jì)算模型的坡頂位移和坡腳位移都隨著增大。

表1 坡頂和坡腳的位移值

②兩種計(jì)算模型下的坡頂位移均大于坡腳位移，地震波振幅為0.1g，有樁基時(shí)坡頂位移是坡腳位移的1.37 倍，無樁基時(shí)坡頂位移是坡腳位移的1.33 倍；地震波振幅為0.2g，有樁基時(shí)坡頂位移是坡腳位移的1.31 倍，無樁基時(shí)坡頂位移是坡腳位移的1.36 倍，地震波振幅為0.3g，有樁基時(shí)坡頂位移是坡腳位移的1.19 倍，無樁基時(shí)坡頂位移是坡腳位移的1.38 倍。

③無樁基時(shí)的坡頂位移和坡腳位移大于有樁基時(shí)的坡頂位移和坡腳位移，這是因?yàn)槠麦w中有樁基作用時(shí)，可以增加坡體的整體穩(wěn)定性和剛度，從而減小變形。

圖3 為地震波振幅對(duì)陡坡位移的影響率曲線，由圖3 可知，①地震波振幅對(duì)有樁基陡坡位移的影響比無樁基時(shí)的大。地震波振幅為0.15g 時(shí)，有樁基和無樁基時(shí)陡坡位移的影響率為13.55%和8.77%；地震波振幅為0.2 時(shí)，有樁基和無樁基時(shí)陡坡位移的影響率為28.63%和15.76%；地震波振幅為0.25g 時(shí)，有樁基和無樁基時(shí)陡坡位移的影響率為37.71%和27.74%；地震波振幅為0.3g 時(shí)，有樁基和無樁基時(shí)陡坡位移的影響率為43.58%和35.07%。

圖3 地震幅度對(duì)陡坡位移影響率

②對(duì)于有樁基模型，地震波振幅對(duì)坡腳位移的影響比對(duì)坡頂位移的影響大，地震波振幅為0.15g 時(shí)，坡頂位移和坡腳位移的影響率為13.55%和26.39%；地震波振幅為0.2g 時(shí)，坡頂位移和坡腳位移的影響率為28.63%和34.61%；地震波振幅為0.25g 時(shí)，坡頂位移和坡腳位移的影響率為37.71%和44.74%；地震波振幅為0.3g 時(shí)，坡頂位移和坡腳位移的影響率為43.58%和65.20%。對(duì)于無樁基模型，地震波振幅對(duì)坡頂位移的影響比對(duì)坡腳位移的影響大。

2.3 坡率對(duì)陡坡樁基地震響應(yīng)影響

為了分析坡率對(duì)陡坡樁基地震響應(yīng)的影響，分別建立坡率為1∶1.25、1∶1 和1∶0.75 的陡坡模型，表2 為不同坡率下坡頂和坡腳的位移值，圖4 為不同坡率下坡頂和坡腳位移曲線圖。

圖4 坡頂和坡腳位移曲線圖

表2 坡頂和坡腳的位移值

由表2 和圖4 可知，①隨著坡率的增大（從1∶1.25 到1:0.75），坡頂位移和坡腳位移也隨之增大。比如，有樁基模型坡率為1∶1.25 時(shí)為坡頂位移為0.0675m，坡率為1∶1 時(shí)坡頂位移為0.0835m，坡率為1∶0.75 時(shí)坡頂位移為0.0870m。

②坡率對(duì)坡腳位移的影響大于對(duì)坡頂位移的影響，坡率從1∶1.25 到1∶1，有樁基和無樁基模型坡腳位移的增長率分別為30.85%和26.33%，坡頂位移的增長率為23.72%和21.61%；坡率從1∶1 到1∶0.75，有樁基和無樁基模型坡腳位移的增長率分別為7.99%和12.86%，坡頂位移的增長率為4.13%和8.07%。

3 陡坡樁基的安全評(píng)價(jià)

3.1 陡坡樁基風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

鉆孔基礎(chǔ)的施工從鉆孔施工、泥漿護(hù)壁、鋼筋籠的下放和混凝土的灌注等階段進(jìn)行質(zhì)量控制。鉆孔灌注樁施工順序：場地平整→鉆孔樁定位→護(hù)筒的制作和埋設(shè)→泥漿制作→鉆機(jī)就位→鉆孔作業(yè)→清空→鋼筋籠的制作與吊裝→水下混凝土灌注→樁身質(zhì)量檢測。

山區(qū)陡坡上的樁基在施工的過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)大切大挖的現(xiàn)象，會(huì)引起坍塌和滑坡事故，造成很嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，所以在樁基的施工中應(yīng)該防治滑坡。樁孔護(hù)壁能夠保證鉆孔灌注樁安全施工，如果護(hù)壁工作不到位，容易造成塌孔情況的發(fā)生，如果施工不當(dāng)或者施工沒有嚴(yán)格按照規(guī)程要求，會(huì)造成樁孔垂直度不夠，導(dǎo)致后續(xù)鋼筋籠的下放以及混凝土的澆筑不能順利進(jìn)行。樁孔周圍沒有進(jìn)行有效防護(hù)，沒有對(duì)危險(xiǎn)源設(shè)置安全標(biāo)識(shí)，這樣就很容易造成雜物和人畜的墜入。

根據(jù)現(xiàn)場情況和施工方案，在樁基的施工中，崩塌、滑坡、塌孔、淹孔、樁孔垂直度不夠、樁周無安全防護(hù)措施、孔內(nèi)墜物、混凝土的灌注質(zhì)量以及鋼筋籠的連接等風(fēng)險(xiǎn)因素都有可能造成事故。結(jié)合本工程的地形地質(zhì)條件和樁基的施工工藝，選擇滑坡、塌孔、混凝土的灌注質(zhì)量、樁周無防護(hù)標(biāo)識(shí)、鋼筋籠連接質(zhì)量和施工機(jī)具及設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)作為風(fēng)險(xiǎn)因素。

3.2 陡坡樁基風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

判斷矩陣一致性符合要求，樁基權(quán)重向量可以接受。通過風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別，得到樁基施工風(fēng)險(xiǎn)因素的排序?yàn)椋?施工機(jī)具及設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)，2 混凝土的灌注質(zhì)量，3 滑坡，4 塌孔，5 樁周無防護(hù)標(biāo)識(shí)，6 鋼筋籠連接質(zhì)量，施工機(jī)具及設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)和混凝土的灌注質(zhì)量是樁基施工的主要風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 陡坡樁基風(fēng)險(xiǎn)防治

3.3.1 總體措施 在組織方面，建立組織管理系統(tǒng)，并對(duì)工作人員進(jìn)行培訓(xùn)教育，實(shí)行責(zé)任到個(gè)人，保證施工的順利進(jìn)行。在技術(shù)方面，對(duì)施工重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行專家方案，并進(jìn)行技術(shù)交底。在管理方面，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場人員、材料機(jī)具進(jìn)行管理，保證安全施工，減少風(fēng)險(xiǎn)事故。在經(jīng)濟(jì)方面，保證資金用到實(shí)處，對(duì)施工工序進(jìn)行成本計(jì)算，采用經(jīng)濟(jì)手段保證項(xiàng)目的順利進(jìn)行。

3.3.2 專項(xiàng)措施 針對(duì)施工機(jī)械和設(shè)備存在風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)施工機(jī)械設(shè)備人員進(jìn)行定期培訓(xùn)教育，保證操作人員持證上崗，對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行進(jìn)場檢查，并在使用過程中對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行定期檢查。針對(duì)混凝土的灌注質(zhì)量存在的風(fēng)險(xiǎn)，采取嚴(yán)控原材料的質(zhì)量，嚴(yán)格執(zhí)行混凝土的制作和運(yùn)輸規(guī)定，保證混凝土的質(zhì)量，在澆筑前，應(yīng)對(duì)澆筑面進(jìn)行清理，在澆筑中，按照混凝土的澆筑方案進(jìn)行澆筑，并且采用機(jī)械振搗保證混凝土的澆筑質(zhì)量。

4 結(jié)論

①陡坡樁基在不同的荷載形式下，其受力特點(diǎn)、樁周土的承載性能和樁基破壞形式不同。②無樁基時(shí)的坡頂位移和坡腳位移大于有樁基時(shí)的坡頂位移和坡腳位移，這是因?yàn)槠麦w中有樁基作用時(shí)，可以增加坡體的整體穩(wěn)定性和剛度，從而減小變形。③隨著地震波振幅的增加，坡頂位移和坡腳位移隨著增大，并且地震波振幅對(duì)有樁基陡坡位移的影響更大；隨著坡率的增大，坡頂位移和坡腳位移也隨之增大。④相比與平地樁基，山區(qū)陡坡樁基在施工的過程中會(huì)面臨更多的風(fēng)險(xiǎn)，為了保證陡坡樁基的安全施工，需對(duì)施工中存在的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別、評(píng)價(jià)，并對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。