施工期斜坡段橋梁雙樁基礎受力特性現場監測

馮 波，乃麒元，徐 華，陳華川，李奕信

(1. 中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶 400000；2. 西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

現階段，高速公路往往采用高墩橋梁的形式穿越山區溝谷地帶，這將使得部分橋梁樁基直接設置于斜坡之上，從而形成由橋梁上部結構、樁基及邊坡所構成的相互影響且相對復雜的結構體系[1-2]。與常規平地樁基礎相比，處于斜坡段的橋梁樁基不僅要承受上部結構傳遞下來的組合荷載，還可能承受由坡體變形而產生的坡體推力[3]。因此，斜坡橋梁樁基兼具主動樁和被動樁的受力特征，已難以在普通樁基類別中找到其歸屬，研究復雜荷載作用下斜坡橋梁樁基的受力特性具有重要的工程實用價值。

國內外已有學者對斜坡段橋梁樁基的承載受力特性展開了相關研究。趙明華、楊明輝等在合理簡化受力的基礎上推導得出了高陡巖質邊坡橋梁單、雙樁內力與變形的理論解析解[4-6]。劉建華、尹平保等利用模型試驗分析了不同樁基剛度、樁基自由長度與加載方式下陡坡單、雙樁基礎的承載受力特性變化規律[7-9]。馮忠居、陳思曉等研究了坡度、樁長變化時對黃土沖溝地區橋梁樁基的橫軸向承載力產生的影響，得到考慮斜坡影響的豎向受荷樁有效樁長計算方法[10-12]。Georgiadis利用有限元軟件分析了水平荷載作用下不排水黏土邊坡附近單樁基礎的承載能力[13-14]。Mezazigh等對砂土邊坡附近的水平受荷樁進行了模型試驗研究，著重分析了坡度、臨坡距離對樁基水平受力性能產生的影響[15-17]。喻豪俊對碎石土斜坡上的單樁基礎展開了不同坡度下的現場水平靜載試驗，提出了坡度對單樁水平臨界荷載和極限荷載影響的折減參數[18]。趙明華對湖南省張花高速某一斜坡段橋梁雙樁基礎展開現場監測研究，采集并分析了不同施工工況條件下樁身彎矩、軸力和樁側摩阻力分布規律[19]。

目前對于斜坡橋梁樁基礎的研究大都基于理論分析或模型試驗，有關斜坡地形下樁基礎的現場試驗或監測數據較少，已有的研究大都基于西部地區較為普遍的處于巖質邊坡上的橋梁樁基礎，對東南地區較為常見的花崗巖殘積土邊坡中橋梁樁基的研究還鮮有報道。依托廣東省云茂高速公路獨石特大橋右幅26#墩斜坡段橋梁雙樁基礎開展現場監測，通過采集自澆注成樁至施作蓋梁為期14個月內的樁側土壓力和樁身鋼筋應力數據，重點研究施工期斜坡荷載作用下橋梁樁基的受力與變形發展變化規律，分析施工擾動、臨時車輛荷載及降雨等因素對斜坡樁基受力特性的影響，為類似條件下相關工程的設計與施工提供參考。

1 工程概況

廣東省云浮羅定至茂名信宜高速公路全長129.82 km，獨石特大橋為其中的重難點工程，全長2 566.5 m，橋梁標準斷面全寬25.5 m，按上下行分離的兩幅橋設計。橋位地處丘陵地帶，地勢起伏較大，橋墩所在山坡多較為陡峭，發育有多處崩塌。受斜坡地形限制，橋梁樁基多為人工挖孔型灌注樁且樁長較長，施工難度大、風險高，修筑施工平臺和便道需要對原始坡體進行大挖大填，而坡體淺層的變質砂巖與花崗巖區坡殘積土遇水易軟化，形成水土流失或崩塌，施工期橋梁樁基的受力及穩定性可能處于不利狀態。

圖1 獨石特大橋橋梁樁基所處斜坡地貌Fig.1 Slope landform of pile foundation of Dushi Grand Large Bridge

選取獨石特大橋右幅26#墩雙樁基礎作為監測試樁，墩位所處區域線路走向與坡體傾向垂直，斜坡坡度約為34°、高度約60 m、沿線路方向的縱向延伸距離約200 m。雙樁結構均位于斜坡中部，為典型的斜坡段高架橋雙樁基礎。雙樁樁長50 m，樁徑1.8 m，樁體縱向通長配置HRB400型鋼筋(D=28 mm)。樁周地層以粉質黏土和全強風化花崗巖為主，按摩擦型樁設計。根據相鄰區域鉆孔資料及工程地質勘察報告，26#墩雙樁結構及地層信息如圖2所示，場地內埋藏各地層的主要物理力學性質指標如表1所示。

圖2 試樁結構及地層信息(單位:cm)Fig.2 Test pile structure and stratigraphic information(unit:cm)

表1 右幅26號墩樁周土層物理力學參數Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil layer around pier No.26 on right side

2 試樁監測設計

通過對樁身鋼筋應力和樁周土壓力進行監測，可分析施工期間斜坡橋梁樁基礎的受力狀態，為后期設計參數的優化與運營安全提供數據支撐。考慮到右幅26#墩為斜坡段雙樁基礎，需沿每根樁基兩側對稱布置鋼筋應力計與土壓力盒用于量測樁身內力與樁側土壓力。監測儀器布設方向應與坡體傾向平行，以便于分析坡體變形對樁基受力產生的影響。

對于單根樁基，同一排處的鋼筋計與土壓力盒布設在同一水平位置；對于雙樁結構，前樁與后樁的監測元件布設完全一致。自樁頂以下0.5 m處開始布置第一排鋼筋應力計與土壓力盒，樁深0.5～15.5 m每隔1.5 m布置一排鋼筋應力計與土壓力盒，共11排；樁深15.5～27.5 m每隔4 m布置一排鋼筋應力計與土壓力盒，共3排；樁身27.5～50 m僅布置鋼筋計，間距6 m，設置3排。監測儀器布設，如圖3所示。

圖3 試樁監測元件布設(單位:m)Fig.3 Layout of monitoring units for test pile(unit:m)

具體布設時，鋼筋計采用焊接的形式與縱向主筋相連，以保證二者協同受力；安裝土壓力盒時應預先在側壁打孔，然后將土壓力盒與預制沙包一同放入側壁孔中，待土壓力盒位置固定后采用水泥砂漿對孔洞進行封裝，以保證土壓力盒受力均勻，監測儀器的具體布設如圖4所示。

圖4 監測儀器安裝Fig.4 Installation of sensors

3 監測結果分析

獨石特大橋右幅26#墩后樁與前樁分別于2018年10月中旬灌注完成，取灌注完成7 d后的監測數據作為初始值，按預定監測頻率進行數據采集，其中監測第1個月每隔1周采集1次數據，監測第2個月每隔半個月采集1次數據，從監測第3個月開始每隔1個月采集1次數據。

3.1 樁側土壓力分析

由圖5可知，后樁靠上坡側坡體對樁基產生側向推力，在粉質黏土層與全風化花崗巖層內，土壓力呈先增大后減小的近似拋物線形分布模式，進入強風化層后，土壓力值顯著減小，各次監測結果中土壓力最大值點多位于樁頂以下8 m處，量值變化范圍為22～41 kPa。前樁靠上坡側土壓力分布規律與后樁近似相同，其土壓力最大值作用點位于樁頂以下11 m處，雖略深于后樁，但其量值變化范圍為15～23 kPa，要明顯小于后樁，說明此階段坡體推力主要由后樁承擔。分析樁側土壓力的產生主要是由于施工便道及平臺的開挖修筑對原有坡體產生擾動，坡體淺層巖土體發生變形，對樁側產生推力。另外廣東地區年降雨量較大，降雨條件下坡體淺層的花崗巖區坡殘積土遇水易軟化流失，進一步加劇了坡體淺層巖土體的變形。

由圖6可知，后樁靠下坡側土壓力自樁頂向下呈逐漸增加的近似三角形分布，各次監測結果中土壓力最大值作用點均位于樁頂以下8 m處，量值變化范圍為29～57 kPa，進入強風化層后土壓力值顯著減小。前樁靠下坡側土壓力自樁頂向下呈逐漸增加的倒三角形分布模式，說明在坡體推力作用下，樁身上部及其周邊坡體產生一定的變形，樁體受到樁前坡體產生的被動抗力。施工期間對樁頂處橫橋向與豎向位移進行持續觀測，受施工擾動影響樁頂處位移略有變化且最大位移量不超過1.6 mm，后期對邊坡進行防護加固處理后樁頂處位移基本沒有變化。另外，前樁靠下坡側土壓力要明顯小于后樁靠上坡側，說明坡體推力作用于樁基時，樁體依靠自身剛度與嵌固作用承擔了一部分土壓力，即斜坡樁基具有一定的阻滑作用。

圖5 靠上坡側土壓力沿樁身分布曲線Fig.5 Distribution curves of earth pressure along pile body in upper slope

圖6 靠下坡側土壓力沿樁身分布曲線Fig.6 Distribution curves of earth pressure along pile body in lower slope

3.2 樁身鋼筋應力分析

樁側鋼筋應力沿樁深分布曲線，如圖7所示。

圖7 鋼筋應力沿樁深分布曲線Fig.7 Reinforcement stress distribution curves along pile depth

自26#墩雙樁基礎澆注完成以來，樁身各處鋼筋均呈受壓狀態，且越靠近樁頂處，鋼筋壓應力值越大。雙樁基礎澆注完成后，2018年11月期間為滿足臨近墩臺施工需求，施工人員將26#墩雙樁之間改為施工過車便道并進行回填。此階段內經常有重型機械停放或經過雙樁之間的過車便道，在回填土與施工車輛的往復碾壓作用下，樁頂受壓，樁身鋼筋整體受壓，但這種影響主要集中在淺表層土體，進入強風化層后樁身鋼筋壓應力值顯著減小。進入2019年3月之后，隨著此坡段內人工挖孔樁的施工完成，樁身鋼筋受力趨于穩定。

同時，未施作上部結構之前，前后樁樁身鋼筋應力分布規律基本一致，施作上部結構后，樁頂以下15 m范圍內的鋼筋應力值顯著增加，但前樁鋼筋應力值在樁頂以下10 m范圍內的變化斜率要明顯小于后樁，即后樁樁周淺層土體所能提供的樁側摩阻力要明顯大于前樁，并且隨著上部荷載的增加(上部結構持續施作)這種趨勢愈發明顯。分析其原因，前樁相比后樁更靠近坡體臨空面，由于坡面的存在使得前樁靠下坡側的土體體積顯著減小，其樁周不再是半無限空間體，所以前樁樁側淺表層范圍內的土體所能提供的側摩阻力相比后樁較小。可見，對處于斜坡段的橋梁樁基，受斜坡地形影響，樁頂以下淺表層范圍內的土體所能提供的側摩阻力有限，且側摩阻力的發揮程度也與樁基臨坡面的距離相關，樁基越臨近下坡側坡面，其側摩阻力折減越大。

3.3 樁身彎矩分析

獨石特大橋右幅26#墩為斜坡段橋梁雙樁基礎，考慮到監測期間樁側存在土壓力且前、后樁兩側的鋼筋應力也存在差異，推測樁身存在彎矩。為進一步分析斜坡段雙樁基礎的受力特性，可根據式(1)計算出各測點所在平面內的樁身彎矩：

(1)

式中，σ1i與σ2i分別為同一測點截面內靠下坡側與靠上坡側的鋼筋應力值，可由監測數據得到；b為鋼筋籠直徑；Ep為樁身實際彈性模量;Ip為樁基截面慣性矩。其中Ep可由式(2)計算得到，Ip可由式(3)計算得到。

(2)

式中，Ac,As分別為混凝土和鋼筋的截面積;Ap為試樁的截面積;Ec,Es分別為鋼筋和混凝土的彈性模量，其值可按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62—2012)查取，Ec=3×104MPa，Es=2×105MPa。

樁基的截面慣性矩根據《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)中建議的方法計算：

(3)

式中，d為樁基直徑；αE為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值；ρε樁身配筋率。

表2 樁身各截面彎矩計算參數取值Tab.2 Calculation parameters of bending moment of each section of pile

根據設計參數，樁身各截面計算參數如表2所示，樁身彎矩分布如圖8所示。

圖8 樁身彎矩分布曲線Fig.8 Distribution curves of bending moment of pile

由圖8可知，前后樁樁身彎矩分布規律基本一致，自樁頂向下呈先增大后減小的變化趨勢，樁身最大彎矩出現在全風化層與強風化層交界處附近。分析其原因：在施工擾動等因素的綜合作用下，樁基附近邊坡淺層巖土體抗剪強度降低并發生變形，樁體受到由坡體變形而產生的側向推力，樁基的受力狀態發生改變，不再是完全的豎向受荷樁，樁身產生彎矩。后樁樁身彎矩值明顯大于前樁、最大值作用點也略低于前樁，說明后樁承擔了較大部分的坡體推力，這也與前述土壓力分析結果相一致。

未施加系梁之前，樁身彎矩主要由樁側土壓力引起并隨土壓力的變化而發生改變，此階段樁頂處自由無約束，樁身受力狀態類同于抗滑樁，在持續坡體推力的作用下樁體產生一定程度的橫向變形。施作上部結構(系梁、墩柱、蓋梁等)后，由上部結構自重所產生的豎向荷載使樁體橫向變形加劇并產生附加彎矩，即P-Δ效應，所以隨著上部結構的持續施作，樁頂豎向荷載增加，樁身彎矩將持續增大。

3.4 施工期臨時坡體超載對斜坡樁基受力特性的影響

由圖5及圖8可知，樁基澆注至橫系梁施加之前，樁側土壓力與樁身彎矩均隨監測時間發生不同程度的變化，分析其主要與施工期間重載車輛與各種施工機械對坡體產生的臨時超載有關。2018年11月～12月期間，樁頂以下11 m巖土層范圍內的樁側土壓力逐漸減小，以后樁樁后側土壓力的減小最為明顯，其中樁頂以下8 m處的土壓力最大值由41 kPa 減小到32 kPa(見圖5)。分析其原因可能為此階段26#墩所在斜坡附近的人工挖孔樁已經基本完成施工，部分施工機械逐漸撤場，施工便道上的重載貨車數量顯著減小，坡體超載的減小直接導致了樁側土壓力與樁身彎矩的減小。2019年1月～6月期間，26#墩所在斜坡附近的人工挖孔樁已全部施工完成，而且并未繼續開展上部結構的施工，坡體變形趨于穩定，樁土變形相互協調，加之2018年12月底施工人員對26#墩右幅施工平臺附近的邊坡進行了表面噴漿加固處理，所以此階段內樁側土壓力與樁身彎矩變化較小且趨于穩定。2019年8月～2020年1月期間，因26#墩所在斜坡附近的樁基開始施作上部結構，部分施工車輛重新進場，坡體超載增大，樁側土壓力與樁身彎矩又有增大趨勢，但增幅較小。對處于斜坡上樁基礎應適當考慮施工期坡體超載對樁基受力產生的影響，加快施工進程，盡早對邊坡進行防護，改善樁基的受力狀態。

4 結論

通過對廣東省云茂高速公路斜坡段橋梁雙樁基礎為期14個月的樁身鋼筋應力與樁側土壓力監測數據進行分析，得出以下結論：

(1)雙樁結構樁后側土壓力均呈近似拋物線形分布，土壓力最大值作用點位于粉質黏土層與全風化層交界處附近，進入強風化層后顯著減小，后樁樁側土壓力明顯大于前樁，是整個斜坡段雙樁結構承載與阻滑的關鍵。

(2)前樁相比后樁更靠近下坡側臨空面，前樁樁頂以下10 m范圍內土層所提供的側摩阻力十分有限，在設計時應考慮適當折減，斜坡段豎向受荷樁的側摩阻力發揮程度受樁基臨坡距離的影響較大。

(3)前后樁樁身彎矩分布規律基本一致，樁身最大彎矩出現在全風化巖層與強風化巖層交界處附近，隨著上部結構的施作，樁頂豎向荷載增加，樁身彎矩將持續增大，斜坡橋梁樁基礎的P-Δ效應顯著。

(4)施工期臨時坡體超載對邊坡的影響主要集中在樁頂以下11 m范圍內的巖土層，重型施工機械經過或停放于樁基上方的施工便道時會在一定程度上增大樁基上方坡體的下滑力，進而增大樁側土壓力。

(5)對處于斜坡段的橋梁樁基，應盡量縮短施工期限,盡早對開挖坡面進行支護或噴漿封閉以提高坡體的穩定性，減小樁基在未施加上部結構時的初始橫向變形，削弱后期P-Δ效應對樁體承載產生的影響。