邊坡蠕滑影響下橋梁樁基力學(xué)特性分析*

王海恩

(洛陽騰飛市政工程有限公司，河南 洛陽 471935)

0 引言

隨著現(xiàn)代交通對(duì)道路工程線型和平順性要求的提高，邊坡上修建高架橋梁的情況越來越常見，該類橋梁在承受車輛動(dòng)荷載的同時(shí)，又受到邊坡側(cè)向力和雨水等因素的影響，當(dāng)坡體發(fā)生變形時(shí)，橋梁樁基不可避免會(huì)被推擠，造成樁基甚至橋梁的破壞。鄭明新等[1]通過映射分析認(rèn)為降雨是鐵路運(yùn)營期間影響滑坡發(fā)育的最活躍因素，降雨導(dǎo)致的滑坡同時(shí)也會(huì)帶動(dòng)邊坡橋梁變形，主要為土體推動(dòng)樁基所致。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于邊坡樁的探索主要集中于抗滑樁的力學(xué)性能研究[2-3]。鄧會(huì)元[4]依托臺(tái)州灣大橋?qū)Σ黄胶舛演d條件下在建樁基的力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究；趙明華等[5-6]依據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)方法提出了傾斜荷載作用下單樁的有限差分計(jì)算方法，并根據(jù)陡坡段橋梁樁基承載力特性對(duì)該方法進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)；藺鵬臻等[7-8]對(duì)考慮邊坡效應(yīng)的橋梁樁基力學(xué)性能進(jìn)行了分析，并對(duì)比了恒荷載和考慮組合荷載工況下橋臺(tái)和橋墩承臺(tái)中心樁基的力學(xué)響應(yīng)。目前針對(duì)橋梁樁基的研究主要集中在其豎向受力方面，對(duì)邊坡蠕滑作用下不同位置的橋梁墩臺(tái)及同一墩臺(tái)不同位置樁基的力學(xué)特性尚缺乏深入研究。本文以某發(fā)生病害的橋梁為依托，基于有限元軟件平臺(tái)，建立了考慮土體非飽和特性的邊坡降雨分析模型，并考慮樁土之間的滑移，研究了樁基在車輛荷載和降雨作用下的力學(xué)規(guī)律，獲得了較為精確的樁基力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。

1 工程背景

某橋梁為8×32m+2×24m簡支梁橋，其中0～4號(hào)橋墩處于近500m長邊坡上，坡度近45°；坡底距鋼軌頂面41.77m，坡度近40°。橋墩、承臺(tái)和樁基采用C35混凝土，其中0～3號(hào)橋墩采用圓端形實(shí)體橋墩，樁基按摩擦樁設(shè)計(jì)；4號(hào)墩采用圓端形空心橋墩，樁基按柱樁設(shè)計(jì)，樁底嵌入云母石英片巖內(nèi)。樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)情況

橋址區(qū)巖土層由上至下為：①粉質(zhì)黏土 硬塑，σ=180kPa；②云母石英片巖 全風(fēng)化，σ=250kPa；③云母石英片巖 強(qiáng)風(fēng)化，σ=400kPa；④云母石英片巖 弱風(fēng)化，σ=800kPa。地下水為孔隙潛水及基巖裂隙水，坡底處地下水位距地面4m，坡頂處水位距坡頂35m。橋梁基礎(chǔ)立面如圖1所示。

圖1 橋梁基礎(chǔ)立面

橋梁0號(hào)墩外接20m過渡段路基及其后的雙線隧道。通車1年后檢查發(fā)現(xiàn)，1號(hào)墩支承墊石砂漿墊層局部脫落。從橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)、橋上裂縫、支座滑移、土體裂縫分析，均表明0～4號(hào)橋梁墩臺(tái)向低山側(cè)發(fā)生了偏移。與通車時(shí)相比，位于山坡上的1～4號(hào)墩頂坐標(biāo)均有變化，其中4號(hào)墩頂沿縱向向坡外偏移13.4mm，3號(hào)墩頂偏移21mm，2號(hào)墩頂偏移34.4mm，1號(hào)墩偏移44.3mm，0號(hào)臺(tái)偏移21.8mm；4號(hào)墩沉降0.4mm，3號(hào)墩沉降7.5mm，2號(hào)墩沉降14.8mm。

2 數(shù)值分析

為探究邊坡橋梁在邊坡變形階段的力學(xué)規(guī)律和安全性，以該邊坡橋梁工程為依托，建立三維邊坡模型。

2.1 有限元模型

為保證模型能夠包括邊坡的危險(xiǎn)面，并避免邊界對(duì)模型計(jì)算精度產(chǎn)生影響，本工程模型尺寸選取為：坡前模型高53.6m，坡后高193m，坡長478m，橫向50m。邊坡土體、橋墩、橋梁和承臺(tái)采用實(shí)體單元，樁基采用梁單元。土體采用修正莫爾-庫倫本構(gòu)模型，可同時(shí)考慮土體的剪切硬化和壓縮硬化，混凝土采用彈性本構(gòu)模型。水力邊界為：坡體后側(cè)158m高采用固定水頭邊界，35m采用溢出邊界；前側(cè)50m設(shè)置固定水頭邊界，河道處采用溢出邊界，邊坡表面設(shè)置面流量模擬降雨。位移邊界為：前、后、左、右側(cè)約束法向位移，底部約束3個(gè)方向位移；樁基設(shè)置旋轉(zhuǎn)約束。

0～3號(hào)墩臺(tái)樁基建立樁界面單元，4號(hào)墩樁端設(shè)置樁端單元，以模擬梁單元和地基之間的摩擦行為和相對(duì)位移；其中0～3號(hào)墩臺(tái)樁基為摩擦樁，依據(jù)勘察報(bào)告和規(guī)范取樁周摩擦力設(shè)計(jì)值如下：云母石英片巖、全風(fēng)化層取f=80kPa，云母石英片巖、強(qiáng)風(fēng)化層取f=120kPa。4號(hào)墩端承樁樁底位于全風(fēng)化云母石英片巖層，樁底壓縮模量為30MPa。

綜合地勘報(bào)告、現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果和GB50218—2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[9]確定土層參數(shù)如表2所示，橋臺(tái)、橋墩、承臺(tái)和樁基參數(shù)依據(jù)規(guī)范取值。

表2 材料參數(shù)

2.2 降雨計(jì)算

文獻(xiàn)[10]的研究結(jié)果表明，由于土體滲透能力的限制，當(dāng)降雨強(qiáng)度超過土體的滲透能力時(shí)，降雨并不能被土體吸收，連續(xù)小強(qiáng)度降雨對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響更大。采用面流量模擬降雨，計(jì)算時(shí)若地表吸水能力小于降雨量，可以認(rèn)為地表面土體處于飽和狀態(tài)，等同于水位存在于地表面上，此時(shí)將降雨飽和區(qū)變更為水位線。

計(jì)算按照最不利工況，依據(jù)當(dāng)?shù)亟y(tǒng)計(jì)最大降雨強(qiáng)度300mm/d，將7天的降雨量作為總量，分28d施加在模型上。計(jì)算中非飽和特性函數(shù)滲透性函數(shù)依據(jù)參數(shù)取加德納系數(shù)a=0.1，n=2，含水率函數(shù)依據(jù)參數(shù)取θr=0.3，θs=0.6，a=0.1，n=2，m=0.5。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 滑裂面位置分析

計(jì)算結(jié)束時(shí)邊坡出現(xiàn)滑移的滑裂面如圖2所示，1～3號(hào)墩樁基穿過滑裂面，滑裂面距離1號(hào)墩處地表面為18.5m，距離2號(hào)墩處地表面為23m，距離3號(hào)墩處地表面為16.2m。0號(hào)墩處土體并未出現(xiàn)滑動(dòng)，墩頂位移系上部橋梁牽拉傾斜(導(dǎo)致1號(hào)墩頂墊石崩裂)，4號(hào)墩亦位于滑裂區(qū)域外，其墩頂變形由3號(hào)墩橋梁頂推所致。

圖2 滑動(dòng)面和樁基相對(duì)位置

3.2 樁基位移分析

1～3號(hào)墩臺(tái)樁基均位于滑坡周界內(nèi)，將每個(gè)承臺(tái)遠(yuǎn)離坡頂方向一側(cè)的樁基命名為 “前排樁基”，向坡頂命名為“中間樁基”“后排樁基”；遠(yuǎn)離坡頂方向位移為負(fù)，相對(duì)一側(cè)為正。

各樁基的位移情況如圖3所示，樁基的最大位移為-42.3mm，出現(xiàn)在1號(hào)墩臺(tái)的后排邊樁上，受樁頂承臺(tái)和上部橋梁的約束，最大值出現(xiàn)在距離樁頂4.5m處。取各墩下位移最大的樁基進(jìn)行分析，如圖3a所示，位于坡后的樁基位移大于坡前樁基，其中1號(hào)墩樁基底部出現(xiàn)了正向位移，樁基在滑動(dòng)土體的帶動(dòng)下出現(xiàn)了向坡前方的傾倒，傾倒的旋轉(zhuǎn)軸位于滑裂面處；樁頂處受到承臺(tái)和上部橋梁的約束，樁基位移有所減小。2號(hào)墩樁基的最大位移出現(xiàn)在樁頂處，樁基位移在滑動(dòng)面附近的變化速度較快，沿滑動(dòng)面向上基本為一豎直線，其位移大小沿深度變化不大。3號(hào)樁基位移相對(duì)較小，樁基的變形趨勢(shì)為整體向坡前傾斜。

圖3 樁基水平位移隨深度變化

圖3b～3d為各墩臺(tái)下不同部位的樁基位移隨深度變化情況，由圖可知，由于承臺(tái)的約束作用，每個(gè)墩下樁基樁頂位移相同，各墩后排樁基的位移值整體較前排大。橋梁的存在對(duì)樁基變形產(chǎn)生了約束作用，側(cè)移值越大，約束作用越明顯，1號(hào)墩臺(tái)頂端甚至出現(xiàn)了位移越靠近地表越小的情況。

3.3 樁基內(nèi)力分析

1～3號(hào)墩臺(tái)樁基樁間距均為2.7m，分別取各墩的前、中、后3排樁基橫向的外側(cè)、中間樁進(jìn)行分析。1～3號(hào)墩樁基的彎矩分布如圖4～7所示。由圖4可知，樁基最大彎矩值為1 120.3kN·m，出現(xiàn)在1號(hào)墩距離樁頂9.9m處的后排邊樁上，反彎點(diǎn)位于滑裂面處。邊樁的最大彎矩大于同排內(nèi)樁的最大彎矩，1號(hào)墩臺(tái)后排邊樁和內(nèi)樁的最大彎矩差值為164kN·m，占后排內(nèi)樁最大彎矩值的17%；前排邊樁和內(nèi)樁的最大彎矩差值為247.15kN·m，占前排內(nèi)樁最大彎矩值的28%。

圖4 1號(hào)墩不同位置樁基彎矩隨深度的分布

如圖5所示，2號(hào)墩臺(tái)樁基最大彎矩值出現(xiàn)在距離樁頂部17.5m處的后排邊樁上，為579 kN·m。后排和中排樁基坡整體受拉，前排樁基樁頂部分則表現(xiàn)為受拉。其邊樁的最大彎矩大于同排內(nèi)樁的最大彎矩，后排邊樁和內(nèi)樁的最大彎矩差值為378.9kN·m，占后排內(nèi)樁最大彎矩值的18.8%；前排邊樁和內(nèi)樁的最大彎矩差值為54.6kN·m，占前排內(nèi)樁最大彎矩值的26.8%；中間1排樁基邊樁和內(nèi)樁的最大彎矩差值為80.6kN·m，占內(nèi)樁最大彎矩值的27.3%。

圖5 2號(hào)墩不同位置樁基彎矩隨深度分布

如圖6所示，3號(hào)墩臺(tái)樁基整體彎矩較小，前、中、后3排樁的彎矩分布規(guī)律和2號(hào)樁較為相似，其最大彎矩值靠近樁頂，后排樁基整體受拉，前排樁基樁頂附近受拉。

圖6 3號(hào)墩不同位置樁基彎矩隨深度的分布

將每排樁基中邊樁、內(nèi)樁的彎矩極值差值除以樁間距，發(fā)現(xiàn)后排樁基中邊樁和內(nèi)樁彎矩極值差值約為內(nèi)樁彎矩極值的6.7%S(S為樁間距)，前排樁基中邊樁和內(nèi)樁彎矩極值差值約為內(nèi)樁彎矩極值的10%S。

將1～3號(hào)墩最大彎矩的樁基彎矩分布進(jìn)行對(duì)比分析如圖7所示，位于坡頂處的1號(hào)墩樁基上部坡前側(cè)受拉作用明顯，下部坡后側(cè)受拉作用明顯；2號(hào)墩樁基則表現(xiàn)為下部坡前側(cè)受拉。各樁基的彎矩極值位置和滑裂面位置關(guān)聯(lián)性較大，均出現(xiàn)在滑裂面附近處。

圖7 1～3號(hào)墩后排樁基彎矩隨深度的分布

4 結(jié)語

本文以某蠕滑邊坡上發(fā)生病害的橋梁為例，通過對(duì)某邊坡上的橋梁不同位置的墩臺(tái)樁基的計(jì)算分析，可以得出如下結(jié)論。

1)在邊坡發(fā)生滑移后，樁基發(fā)生整體向坡前方向的傾斜，各墩下后排樁基的位移值整體較前排大。

2)同一橋墩下的各樁基：后排樁基彎矩極值大于前排樁基彎矩極值，同一排樁基中邊樁的彎矩極值大于內(nèi)部樁基彎矩極值；后排樁基中邊樁和內(nèi)樁彎矩極值差值約為內(nèi)樁彎矩極值的6.7%S，中、前排樁基中邊樁和內(nèi)樁彎矩極值差值約為內(nèi)樁彎矩極值的10%S。

3)同一墩臺(tái)下不同位置樁基在受到滑坡推力作用后會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)力差，在進(jìn)行邊坡橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮坡體的推力，還應(yīng)考慮同一墩臺(tái)不同樁基的差異配筋。