樁孔開挖對滑坡體上橋梁樁基的影響分析

馬定樂,李清,盧浩

(1.廣東交通實(shí)業(yè)投資有限公司,廣東 廣州 510000;2.廣東交科檢測有限公司,廣東 廣州 510550;3.廣東華路交通科技有限公司,廣東 廣州 510420)

在山區(qū)高速公路建設(shè)過程中,為了避免對山嶺進(jìn)行大填大挖,大量的橋梁修建在不同地層天然斜坡上,而受斜坡體本身地層環(huán)境、大氣降雨及橋梁荷載等多種因素影響,有些斜坡體逐漸變得不穩(wěn)定,甚至引發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害,使得邊坡上的橋梁樁基等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的病害。目前對于這類橋梁出現(xiàn)的問題,較多采用抗滑樁進(jìn)行邊坡加固[1-2],然而抗滑樁在施工過程中對斜坡橋梁樁基等結(jié)構(gòu)物的影響又很難把握,開挖必然會對其鄰近構(gòu)筑物產(chǎn)生影響,可能對鄰近結(jié)構(gòu)物帶來一定的安全隱患。對此,國內(nèi)外研究學(xué)者對開挖施工影響鄰近樁基等結(jié)構(gòu)物進(jìn)行了大量研究。

目前國內(nèi)外通常采用理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬計算等手段對開挖施工影響鄰近樁基的機(jī)制開展研究,并取得了不少有實(shí)效的應(yīng)用成果。崔新軍等[3]對基坑開挖時對基樁的影響進(jìn)行了研究,指出可以采取降水固結(jié)法、分層開挖和留坡穩(wěn)定的方法。魯宏等[4]利用有限元軟件來模擬不同情況下深基坑開挖對工程樁的影響。楊敏等[5]根據(jù)有限元法,分析了不設(shè)支護(hù)措施情況下基坑開挖對樁基的影響,對于基坑開挖施工時對鄰近樁基的影響提出了一些有價值的建議。徐情根等[6]對深基坑開挖對坑底基樁的影響做了研究。王翠[7]等通過使用彈塑性有限差分法,對依托工程基坑開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了深基坑開挖對于鄰近樁基的影響,分析了基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和土體強(qiáng)度等對控制土體變形的作用。張治國等[8]基于Pasternak地基模型,推導(dǎo)了隧道開挖與鄰近樁基相互作用的簡化解,并對監(jiān)測數(shù)據(jù)和離心試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析,發(fā)現(xiàn)考慮樁側(cè)土體三維作用效應(yīng)解析解模型更加準(zhǔn)確。鐘悅鵬等[9]利用Midas研究了不同加固方法情況下河道開挖對橋梁樁群的影響,表明高壓旋噴樁加固后右側(cè)橋梁群樁水平位移幾乎為零。張?zhí)熨n等[10]采用ABAQUS數(shù)值模擬和試驗(yàn)手段,對比分析了隧道基坑不同開挖形式對既有樁位移和應(yīng)力的影響。

上述研究成果主要集中體現(xiàn)了隧道、基坑等開挖對鄰近樁基的影響分析,但對于邊坡加固施工對邊坡上部橋梁樁基的影響研究相對較少,且該類橋梁樁基礎(chǔ)的承載機(jī)理和受力分析計算方法與平地常規(guī)樁基相比差異較大[11-12]。為此,本文以斜坡橋梁為例,通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值計算等手段,研究邊坡加固過程中樁孔開挖對滑坡體上橋梁樁基的影響,為類似工程提供參考。

1 工程概況

本研究依托工程大橋?qū)儆诘湫偷男逼聵蛄?。由于修建該大橋時,橋下滑坡出現(xiàn)了局部滑移的現(xiàn)象,修建橋梁前對該滑坡進(jìn)行過專項(xiàng)治理,主要治理方案是沿滑坡體前緣設(shè)計了24根抗滑樁和滑坡面上設(shè)置排水溝,并進(jìn)行后續(xù)監(jiān)測,隨后邊坡逐漸趨于穩(wěn)定,因此監(jiān)測隨即停止。后又發(fā)現(xiàn)該大橋0#橋臺位置的橋梁下墊塊多處被推移破壞,橋梁與路基搭接處出現(xiàn)多處裂縫,且橋梁伸縮縫處出現(xiàn)擠壓現(xiàn)象,判斷該滑坡有復(fù)活的跡象,監(jiān)測重新啟動。為了使橋梁所在處的邊坡更加穩(wěn)定,在橋梁下部靠近橋梁樁基的位置設(shè)計20根抗滑樁進(jìn)行加固。在抗滑樁的施工過程中橋梁變形加劇,橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)不同程度的破壞。

1.1 地形、地貌和水文

依托工程周邊為低山地和河谷地貌,地形起伏大、地質(zhì)條件差?！癡”形溝谷發(fā)育,溝谷斜坡基巖裸露,溝底基巖埋深較淺。橋梁位于臺階式斜坡地帶,植被發(fā)育?；聟^(qū)兩側(cè)為穩(wěn)定山體,基巖出露,巖性以千枚巖為主,風(fēng)化嚴(yán)重?；聟^(qū)前緣為河道,漂卵石覆蓋較薄,局部基巖出露。該區(qū)域地下水主要有基巖裂隙水和第四系松散層孔隙水,深度在1.3～1.7 m之間。

1.2 地層

勘察揭露地層主要有人工填筑土、第四系殘坡積層、滑坡堆積層、基巖。

(1)人工填筑土。包括路基土和人工填筑的粉質(zhì)黏土。路基土即高速公路路基填筑土,多為粉質(zhì)黏土夯填,結(jié)構(gòu)密實(shí)。受雨水入滲和自然因素的影響,在0#橋臺處局部沉陷,導(dǎo)致橋臺圬工破損。人工填筑粉質(zhì)黏土主要是棄渣,以黏性土為主,含少量碎石,結(jié)構(gòu)松散,厚度在3.5 m以內(nèi)。

(2)第四系坡積層。主要以粉質(zhì)黏土、碎石土為主,一般為重力搬運(yùn)而成,土質(zhì)呈黃色或灰白色。黃色為千枚巖風(fēng)化物,風(fēng)化嚴(yán)重,土質(zhì)不均勻,結(jié)構(gòu)疏松。

(3)滑坡堆積層。地層巖性以粉質(zhì)黏土、碎石土為主。粉質(zhì)黏土發(fā)育在滑坡前緣表層,為千枚巖風(fēng)化物搬運(yùn)而成,結(jié)構(gòu)由上至下越來越致密,下部夾雜碎石顆粒,土體結(jié)構(gòu)致密。碎石土為風(fēng)化的基巖經(jīng)搬運(yùn)后形成,粒徑一般為0.2～2 m,結(jié)構(gòu)致密,粉質(zhì)黏土充填。

(4)基巖。揭露的基巖為寒武—奧陶系千枚巖、石英片巖和少量薄層灰?guī)r。表層風(fēng)化嚴(yán)重,全—強(qiáng)風(fēng)化厚度9～18 m,局部厚度大。風(fēng)化后,該層巖體強(qiáng)度差,遇水易溜滑。

1.3 滑坡情況

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪,滑坡在平面上呈喇叭形,前寬后窄,后緣圈椅狀明顯,前緣呈扇形,局部形成陡坎?；履媳睂挒?60～210 m,東西長約276 m,總量約4.39×105m3,滑動方向與高速路線走向基本正交。該滑坡在歷史上主要發(fā)生過三級滑動。第一級滑坡長約276 m,寬約260 m,厚28 m,該級滑動后緣明顯,后部滑體剝蝕嚴(yán)重;第二級滑坡長約164 m,寬約160 m,厚14.5 m,千枚巖基巖頂部發(fā)生滑動;第三級滑坡長約100 m,寬約210 m,厚約13.4 m,前緣受河道不斷下切侵蝕形成臨空發(fā)生滑動?；驴傮w來說,周界清晰,其中第三級處于蠕動變形階段,第一、二級處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2 現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容及結(jié)果分析

2.1 監(jiān)測內(nèi)容

橋梁監(jiān)測點(diǎn)的布置主要依據(jù)現(xiàn)在變形開裂部位為主,結(jié)合下部橋墩墊塊變形進(jìn)行監(jiān)測。鉆孔測斜監(jiān)測共布設(shè)13個點(diǎn),橋墩墊塊變形監(jiān)測點(diǎn)布置在橋梁東西兩側(cè)共8個點(diǎn),如圖1所示。

圖1 橋梁墊塊監(jiān)測點(diǎn)布置圖

2.2 監(jiān)測結(jié)果分析

橋臺處的墊塊位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果見圖2、圖3。以第一期監(jiān)測數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù),0#橋臺和1#橋臺的四個監(jiān)測點(diǎn)從第一期監(jiān)測到十八期的累積位移基本在±10 mm以內(nèi),每次監(jiān)測位移變化量都在5 mm以內(nèi),數(shù)據(jù)有一定的波動性,波幅都較小,說明這段時間內(nèi)邊坡蠕變對橋梁的影響較小。從十九期監(jiān)測開始,0#橋臺的四個監(jiān)測點(diǎn)的位移量出現(xiàn)明顯的增長趨勢。第十九期的監(jiān)測數(shù)據(jù)與第十八期的監(jiān)測數(shù)據(jù)相比,四個監(jiān)測點(diǎn)分別增加了20 mm、13 mm、5 mm、12 mm,變形增長顯著。后面二十期到二十二期位移變化量與之前相比也有明顯的增加。1#橋臺的四個監(jiān)測點(diǎn)在第十八期到二十二期的位移量也出現(xiàn)明顯的變化,累積位移量分別增加了8.5 mm、8 mm、6.5 mm、10 mm。位移變化沒有0#橋臺的明顯,但較之前有明顯的增加,說明從十八期到二十二期這段時間橋梁出現(xiàn)了明顯的變形跡象。

圖2 0#橋臺監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖3 1#橋臺監(jiān)測數(shù)據(jù)

測斜孔最初共布設(shè)12個點(diǎn)(見圖4),但后期抗滑樁工程施工、農(nóng)田的耕植導(dǎo)致坡體下部的測斜孔大部分都被破壞,只有坡體上部的8、9號測斜孔保存完好,數(shù)據(jù)完整,其臨空向水平位移變化如圖5、圖6所示。從圖中可以看出,在第七期之前8、9號測斜孔各個深度的位移都在30 mm以內(nèi),各次監(jiān)測數(shù)據(jù)差距不大,說明坡體在這之前處于穩(wěn)定狀態(tài)。第七期之后兩個測斜孔各個深度的位移量有一定程度的增加,與橋臺上墊塊的變形趨勢一致,特別是0～17 m段,最大位移將近60 mm,而且兩個孔反映的情況基本一致,說明坡體出現(xiàn)一定程度的滑移,邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 測斜孔布置平面圖

圖5 8號測斜孔臨空向水平位移

圖6 9號測斜孔臨空向水平位移

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,橋梁橋臺及邊坡位移激增的這段時間,剛好與橋下邊坡抗滑樁樁孔開挖施工的時間重疊,初步推測橋梁下部邊坡抗滑樁的開挖在一定程度上影響了坡體的穩(wěn)定性,導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)明顯的下滑變形,進(jìn)而引起橋梁的變形。

3 數(shù)值模擬分析

為了更好地驗(yàn)證現(xiàn)場監(jiān)測分析結(jié)果,準(zhǔn)確分析抗滑樁樁孔開挖對橋梁變形的影響,通過利用數(shù)值模擬軟件FLAC建立數(shù)值計算模型,模擬抗滑樁開挖施工工況,分析橋梁樁基的內(nèi)力和位移變化規(guī)律。

3.1 模型的建立

(1)FLAC-3D模型。結(jié)合樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力的特點(diǎn)和FLAC-3D軟件對計算資源的要求以及現(xiàn)有的研究資料,模型長度取430.8 m,模型高165 m,模型計算中兩側(cè)影響范圍皆取15 m,為11.5倍樁徑,模型總寬度為30 m。

(2)邊界條件。樁周巖土體的模型近似為半空間無限體,將模型底面及側(cè)面X、Y、Z方向位移固定,對樁身頂部施加集中荷載。

根據(jù)地勘資料、設(shè)計文件和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參數(shù),模型的計算參數(shù)如表1、表2所示。

表1 巖土體模型材料參數(shù)

表2 橋梁樁基模型材料參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

(1)樁孔開挖前結(jié)果分析。開挖前樁基的樁身內(nèi)力及位移云圖如圖7、圖8所示。斜坡上雙樁橋梁樁基的受力及變形特點(diǎn)計算結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出,在樁孔開挖前前樁樁身最大位移為9.86 mm,后樁樁身最大位移為9.65 mm,都出現(xiàn)在樁頂位置,前后樁樁頂位移差別不大,而且前后樁樁身位移在10 m以下部分基本為0。在樁孔開挖前前樁和后樁樁身的彎矩分布情況基本一致,前樁和后樁的樁身最大彎矩都約為1100 kN·m,前后樁樁身彎矩開挖前差距不大,最大彎矩都出現(xiàn)在距樁頂6 m左右的位置。

圖7 開挖前模型水平應(yīng)力云圖

圖9 開挖前樁身位移彎矩分布圖

(2)樁孔開挖后結(jié)果分析。樁孔開挖后橋梁樁基礎(chǔ)的樁身內(nèi)力及位移云圖如圖10、圖11所示。當(dāng)樁孔開挖后前樁和后樁樁身的橫向水平位移都有一定程度的增加,開挖樁孔后前樁樁身最大位移為17.19 mm,后樁樁身最大位移為17.12 mm,依然都出現(xiàn)在樁頂位置,距樁頂0～15 m段樁身位移較開挖前有較大幅度的增加;抗滑樁樁孔開挖后前樁和后樁樁身的彎矩較開挖前也都有一定程度的變化,分布情況基本一致,開挖后前樁樁身最大彎矩為1281.4 kN·m,后樁樁身最大彎矩為1076.4 kN·m,最大彎矩都出現(xiàn)在距樁頂6～7 m之間的位置,如圖12所示。

圖10 開挖后模型水平應(yīng)力云圖

圖11 開挖后樁身水平位移云圖

圖12 開挖后樁身位移彎矩分布規(guī)律

表3為不同工況下橋梁樁基前后樁的位移和最大彎矩變化情況,可以看出,前后樁樁身開挖前的位移分別為9.86 mm和9.65 mm,開挖后分別達(dá)到了17.19 mm和17.12 mm,樁頂處水平位移均超出規(guī)范要求的10 mm,說明對于滑坡體橋梁樁基在下部有樁孔開挖情況下,樁身受樁孔開挖影響明顯,變形過大不能滿足上部結(jié)構(gòu)要求,造成橋梁結(jié)構(gòu)破壞,必須對橋梁進(jìn)行加固。前樁和后樁樁身的彎矩在開挖前分別為1114.2 kN·m和1107.5 kN·m,開挖后,彎矩最大值分別達(dá)1281.4 kN·m和1076.4 kN·m,前樁樁身彎矩超出設(shè)計值1200 kN·m,最大值增加了15%,后樁樁身彎矩最大值減少了3%。說明對于斜坡雙樁橋梁樁基,當(dāng)坡下有樁孔開挖時,前后樁樁身的內(nèi)力變化較明顯,其中前樁內(nèi)力變化更顯著,更易出現(xiàn)病害,這與依托工程中橋梁樁基病害情況分布也是一致的。

表3 不同工況下前后樁彎矩和位移對比分析

4 結(jié)論

(1)下部抗滑樁施工是橋梁樁基破壞的主要原因。依托工程大橋?qū)俚湫蜕絽^(qū)斜坡上跨橋梁,從橋梁建成至今,該橋梁的監(jiān)測幾乎沒有間斷,前期監(jiān)測數(shù)據(jù)表明該橋梁在開始運(yùn)營的幾年里基本處于間歇性變形狀態(tài),然后趨于穩(wěn)定;橋梁下部抗滑樁施工后,橋梁和邊坡的順坡方向變形都明顯加劇,接著橋梁上部結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)不同程度的病害,說明抗滑樁施工期間坡體出現(xiàn)不穩(wěn)定是由于坡體下部大面積的開挖,導(dǎo)致坡體上部滑移,引起橋梁變形。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明,滑坡體上有樁孔開挖時,對滑坡體上的橋梁有較大影響,對于雙排橋梁樁基的情況,前后樁樁身的變形及受力都受到一定影響,前樁受影響更為明顯,更易出現(xiàn)病害,與依托工程病害分布情況一致。

(3)當(dāng)采用抗滑樁方案加固上跨橋梁的滑坡體時,樁位距離橋梁樁基應(yīng)適當(dāng)遠(yuǎn)一些,盡量使用直徑較小的圓樁(也可使用微型組合抗滑樁以達(dá)到快速施工),可以適當(dāng)增加樁數(shù)。