黃土高邊坡區(qū)域橋基臨坡距影響及施工技術(shù)研究

摘 要：本文基于某大橋?qū)嶋H工程，通過ABAQUS建立模型計(jì)算，研究了不同臨坡距對邊坡穩(wěn)定性和樁-土接觸狀態(tài)的影響，結(jié)果表明，橋基臨坡距小，在潛在滑動(dòng)面內(nèi)，會(huì)對滑體起阻擋作用。當(dāng)超過一定距離，橋基對邊坡穩(wěn)定性無影響，在邊坡極限狀態(tài)下，臨坡距過小，橋基與樁前土體脫離。臨坡距較大，邊坡穩(wěn)定。臨坡距對樁前、樁后土壓力的峰值深度影響較大，在施工前，應(yīng)該對天然邊坡潛在滑動(dòng)面位置進(jìn)行試算，確定滑動(dòng)面位置，選擇合理臨坡距，橋基選用鉆孔灌注樁，淺層土干孔施工，深層土泥漿護(hù)壁鉆孔的方式可保障施工安全。

關(guān)鍵詞：黃土高邊坡橋基；臨坡距；數(shù)值模擬；ABAQUS

中圖分類號(hào)：U 41 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

黃土是一種特殊土，具有濕陷、多孔隙、弱膠結(jié)、浸水強(qiáng)度低等特性，易導(dǎo)致滑坡等災(zāi)害[1]。黃土地區(qū)多溝壑，因此用橋梁形式穿越公路路線是常用的方法。橋基在橋梁上部結(jié)構(gòu)自重荷載和樁周土體不平衡力的作用下，比平地橋基、普通抗滑樁受力形式更為復(fù)雜，屬于傾斜受荷[2]。藺鵬臻等[3]根據(jù)邊坡上橋基的靜力平衡條件，對橋基的受力及變形進(jìn)行理論計(jì)算，證實(shí)邊坡效應(yīng)對橋基受力有不利影響，導(dǎo)致其頂部位移變大。段瑞芳等[4]運(yùn)用FLAC 3D研究了邊坡土體缺失對橋基的影響，建立了沖刷作用下的影響函數(shù)和邊坡極限承載力評價(jià)方法。此外，還有學(xué)者研究了橋基臨坡距對邊坡穩(wěn)定性的影響，并提出了黃土地區(qū)施工優(yōu)化措施[5-7]。本文基于某大橋?qū)嶋H工程，采用ABAQUS軟件進(jìn)行建模計(jì)算，對黃土高邊坡區(qū)域橋基在不同臨坡距下的整體穩(wěn)定性、樁-土接觸狀態(tài)進(jìn)行研究，結(jié)合工程實(shí)際情況，選用鉆孔灌注樁作為橋基，并對其施工技術(shù)進(jìn)行研究。

1 數(shù)值模擬

該橋是高速公路的重點(diǎn)控制工程，橋址區(qū)土體主要為第四系覆蓋層，由第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土（Q3eol）、古土壤（Q3eol）、中更新統(tǒng)離石黃土（Q2eol）、中更新統(tǒng)古土壤（Q2eol）構(gòu)成。地表水不發(fā)育，僅雨季存在短暫地表徑流，地下水類型為第四系松散巖類孔隙潛水，地下水較富集，以地下徑流方式向河谷排泄。

基于實(shí)際工程，用ABQUS軟件建立邊坡的三維數(shù)值模型，如圖1所示?？紤]實(shí)際工程的復(fù)雜性及ABQUS軟件的特性，假定各土層為各向同性的彈塑性材料，忽略施工、地下水等因素的影響，采用改變場變量的方法減少邊坡土體材料的黏聚力和內(nèi)摩擦角，從而達(dá)到強(qiáng)度折減的目的。為保證計(jì)算效率和計(jì)算結(jié)果的有效性，根據(jù)對稱性，取三維樁-土有限元模型進(jìn)深為1/2樁間距，即3.4m，樁-土接觸面以樁剛度為主面，土體為從面，模型底面為全約束邊界，四周為法向約束邊界，對模型施加自重應(yīng)力場。

邊坡上層土體為黃土，下層為粉質(zhì)黏土，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。橋基為C40混凝土，采用彈性模型。根據(jù)該工程的地質(zhì)勘察報(bào)告，結(jié)合《工程地質(zhì)手冊》，選取該邊坡橋基穩(wěn)定性數(shù)值模擬的參數(shù)，見表1。

2 橋基臨坡距影響分析

2.1 邊坡穩(wěn)定性分析

將位移拐點(diǎn)作為失穩(wěn)判據(jù)，對橋基在不同臨坡距的數(shù)值模型進(jìn)行強(qiáng)度折減計(jì)算，可得到其極限狀態(tài)下的邊坡的塑性應(yīng)變和總位移，設(shè)橋基直徑為D。根據(jù)邊坡塑性應(yīng)變云圖可知，該邊坡潛在滑動(dòng)面位置離坡面較近，且形狀陡峭。當(dāng)橋基臨坡距在4D內(nèi)時(shí)，其所處位置在滑動(dòng)面內(nèi)，邊坡塑性應(yīng)變最大處出現(xiàn)在橋基與樁前土體接觸位置，且隨著臨坡距增加呈減少趨勢。而當(dāng)橋基臨坡距大于4D時(shí)，橋基所處位置遠(yuǎn)離滑動(dòng)面，邊坡塑性應(yīng)變與天然邊坡較為接近。隨著橋基臨坡距增加，邊坡整體穩(wěn)定性增強(qiáng)，總位移變小，如圖2所示。分析邊坡位移可知，當(dāng)臨坡距由1D增至2D時(shí)，邊坡總體位移減少明顯，在臨坡距超過4D后，邊坡總位移幾乎不發(fā)生變化。

臨坡距-邊坡安全系數(shù)關(guān)系曲線如圖3所示，該黃土邊坡在天然情況下的安全系數(shù)為0.93。由于天然邊坡坡度較大，十分陡峭且黃土土質(zhì)條件相對較差，因此穩(wěn)定性較差。當(dāng)橋基臨坡距為1D～3D時(shí)，橋基位處滑坡面內(nèi)，可以起到類似抗滑樁的阻滑作用，邊坡安全系數(shù)大于天然邊坡，當(dāng)橋基臨坡距為4D～5D時(shí)，橋基與滑動(dòng)面相鄰，對其產(chǎn)生了一定擾動(dòng)，增加了滑坡推力，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低，安全系數(shù)低于天然邊坡，當(dāng)橋基臨坡距為6D時(shí)，對滑體幾乎無影響，因此安全系數(shù)與天然邊坡相近。

2.2 樁-土接觸狀態(tài)分析

該橋基主要承受由樁前、樁后的不對稱土體和潛在的、有移動(dòng)趨勢的滑塊造成的樁前土體抗力和樁后土體推力，其內(nèi)力分布復(fù)雜，類似超靜定梁。

根據(jù)強(qiáng)度折減后的樁土變形結(jié)果可知，邊坡土體和橋基頂部之間出現(xiàn)明顯的脫離現(xiàn)象。橋基整體上部呈彎曲變形狀態(tài)，下部呈錨固狀態(tài)，類似長抗滑樁變形。樁前土體產(chǎn)生了較為明顯的失穩(wěn)變形，局部呈現(xiàn)樁土完全脫離的狀態(tài)，而樁后土體相對穩(wěn)定。邊坡土體變形與橋基臨坡距有明顯關(guān)系，樁前土體變形比樁后明顯。隨著臨坡距從1D到4D，樁前土體變形逐漸減少，即樁離邊坡越遠(yuǎn)，土體越穩(wěn)定。當(dāng)臨坡距為1D和2D時(shí)，樁和土之間發(fā)生了明顯的局部脫開變形，臨坡距4D后，樁前土體與樁的接觸狀態(tài)趨于穩(wěn)定，幾乎沒有脫開變形。

圖4為橋基樁前、樁后的土壓力隨深度的變化，土壓力為0表示樁-土無接觸。樁前土體和橋基的脫開距離隨著臨坡距增加，呈現(xiàn)先減少后逐漸穩(wěn)定的趨勢。當(dāng)橋基臨坡距為1D時(shí)，其樁-樁前土無接觸狀態(tài)深度約為20m，隨著臨坡距增加，其無接觸狀態(tài)依次為18.41m、16.64m、14.78m、14.77m和14.76m。

而樁-土接觸壓力變化規(guī)律與臨坡距關(guān)聯(lián)度較少，樁前土壓力均隨著橋基埋深增加呈現(xiàn)先增后減，再逐漸增加的趨勢，且隨著臨坡距增加，樁與潛在滑動(dòng)面距離變遠(yuǎn)，樁前土壓力的第一峰值點(diǎn)深度上移。樁后土壓力隨著深度呈現(xiàn)“M”形變化，在臨坡距超過2D后，其總體變化趨于一致。由于臨坡距增加，橋基逐漸遠(yuǎn)離了邊坡潛在滑動(dòng)面，因此其抑制邊坡滑動(dòng)的能力逐漸降低。

此外，由于樁前和樁后土體存在不對稱性，因此樁后的土壓力總值要大于樁前土壓力，且隨著臨坡距增加而逐漸接近。不同臨坡距時(shí)的邊坡在極限狀態(tài)下，橋基前后總土壓力如圖5所示。由圖5可知，隨著臨坡距從1D到4D，橋基前后總土壓力均隨著臨坡距增加而出現(xiàn)明顯減少，且橋基后總土壓力明顯大于橋基前總土壓力。當(dāng)臨坡距1D到2D時(shí)，橋基前后的總土壓力值變化最大，這與土壓力分布曲線的變化一致，即當(dāng)臨坡距為1D時(shí)，橋基對邊坡的阻滑能力相對較強(qiáng)。但結(jié)合邊坡位移和樁土接觸狀態(tài)可知，當(dāng)橋基臨坡距為1D時(shí)，邊坡土體位移相對較大，樁前土體存在脫離風(fēng)險(xiǎn)，因此在實(shí)際工程中，當(dāng)小臨坡距范圍進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)時(shí)，須綜合考慮上述影響。

而隨著臨坡距從4D到6D，橋基前后總土壓力雖略有減少，但比之前變化平緩，且橋基前后總土壓力逐漸接近，由此可知，此時(shí)樁基逐漸遠(yuǎn)離天然邊坡的滑動(dòng)面，基本不能起到阻滑作用，但結(jié)合安全系數(shù)分析可知，當(dāng)樁基與滑動(dòng)面相鄰時(shí)，不利于邊坡整體穩(wěn)定，因此，當(dāng)大臨坡距范圍內(nèi)進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使樁基盡可能遠(yuǎn)離邊坡滑動(dòng)面，并根據(jù)平地樁基要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，不考慮樁基的阻滑作用。

3 施工技術(shù)研究

工程位于黃土殘塬溝壑地貌單元，地面標(biāo)高為1022.04～

1104.57m，相對高差為82.53m，多高陡坡，表層黃土深厚且裂隙發(fā)育，施工難度大。因此，應(yīng)在考慮地質(zhì)條件、地形地貌的基礎(chǔ)上，綜合施工工期、施工技術(shù)、工程預(yù)算等要求，制定合適的施工方案，盡量減少對黃土邊坡擾動(dòng)，避免災(zāi)害發(fā)生。

按照本文所述的數(shù)值模擬方法對天然狀態(tài)下的邊坡進(jìn)行試算，確定邊坡滑動(dòng)面位置，選擇合理的臨坡距，并根據(jù)該橋的工程特性和橋址區(qū)地質(zhì)狀況，選用鉆孔灌注樁作為橋基，采用旋挖或沖擊鉆成孔，淺層土干孔施工，深層土泥漿護(hù)壁鉆孔，用導(dǎo)管法灌注水下混凝土的施工方案較為合理。

由于橋址區(qū)施工環(huán)境復(fù)雜，因此須在以下4個(gè)方面對橋基施工技術(shù)進(jìn)行控制。1）護(hù)筒埋設(shè)：控制護(hù)筒尺寸、護(hù)筒位置和周圍填土。2）護(hù)壁泥漿制備：根據(jù)地層情況及時(shí)調(diào)整稠度、拌制時(shí)間、材料等參數(shù)。3）鉆進(jìn)成孔：根據(jù)深度、地層性質(zhì)采用合適的鉆進(jìn)成孔方法。4）橋基砼灌筑施工：選擇合適的混凝土原材料，并對灌注全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 結(jié)論

本文基于實(shí)際工程，采用ABAQUS軟件進(jìn)行建模計(jì)算，針對樁基不同臨坡距下的邊坡穩(wěn)定性、樁-土接觸狀態(tài)進(jìn)行研究，結(jié)合實(shí)際情況選用鉆孔灌注樁作為橋基，得到以下結(jié)論。1）臨坡距對邊坡影響較大，當(dāng)臨坡距小時(shí)，橋基位于滑動(dòng)面內(nèi)部，起到了阻滑的作用，因此邊坡的總位移較大，但安全系數(shù)高，臨坡距設(shè)置不合理會(huì)導(dǎo)致滑坡推力增加，邊坡安全系數(shù)降低。在臨坡距超過一定距離后，對邊坡滑動(dòng)幾乎不產(chǎn)生影響，邊坡總體位移和安全系數(shù)均與天然邊坡相近。2）當(dāng)臨坡距較小時(shí)，樁前土體與橋基脫離，產(chǎn)生明顯的滑動(dòng)變形，在臨坡距增加后，樁前土體與橋基接觸狀態(tài)穩(wěn)定，未發(fā)生脫開變形。臨坡距對高邊坡橋基樁前、樁后土壓力隨深度變化的規(guī)律無影響，但對其峰值深度有影響，主要與橋基和滑坡面相對位置有關(guān)。3）在施工前，對天然邊坡潛在滑動(dòng)面的位置進(jìn)行試算，確定滑動(dòng)面大致位置，綜合評估橋基自身的受力特性和對邊坡的阻滑特性，選擇合理的臨坡距。根據(jù)黃土高邊坡的施工安全要求，橋基選用鉆孔灌注樁，淺層土干孔施工，深層土泥漿護(hù)壁鉆孔，并通過實(shí)際工程驗(yàn)證該方案的合理性。

參考文獻(xiàn)

[1]孫永新. 考慮邊坡效應(yīng)的橋基礎(chǔ)力學(xué)行為的理論與試驗(yàn)研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2016.

[2]常前永. 地震作用下陡坡與橋基相互影響的研究[D]. 贛州：江西理工大學(xué)， 2019.

[3]藺鵬臻，武發(fā)輝，楊子江.考慮邊坡效應(yīng)的橋基受力分析[J].中國鐵道科學(xué)，2016，37（4）：54-60.

[4]段瑞芳，王鼎，王曉明.沖刷作用下斜坡橋基豎向極限承載力評價(jià)方法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2019，43（1）：20-25.

[5]程劉勇，許錫昌，陳善雄，等.斜坡基樁水平極限承載力及影響因素模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué)，2014，35（9）：2685-2691.

[6]焦全民. 橋基對黃土邊坡穩(wěn)定性影響研究[J]. 山西交通科技， 2018（5）： 49-51.

[7]盧成.濕陷性黃土地區(qū)橋梁深橋基施工技術(shù)優(yōu)化[J].鐵道建筑技術(shù)，2013（12）：1-4.