棄渣對斜坡橋樁結構安全影響機制研究*

陳 偉，田 明，鄒云麗，徐偉然，尹小濤

(1.大理大漾洱云高速公路有限公司，云南 大理 671000； 2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071)

0 引言

相對于平原地區，山區公路建設橋隧比高，橋樁常坐落于自然斜坡上，自然坡的穩定性及施工對自然穩定狀態的改變均會間接影響橋樁的結構安全，嚴重情況下可能會引起橋樁豎向承載性能發生極大改變，剪切承載過大則會造成橋樁結構失效。因此，需關注山區橋樁與斜坡地基系統的穩定性及對周邊環境的影響。

由于空間所限，山區公路建設多沿溝谷河道兩側布設橋梁通過，斜坡狹窄空間的橋梁建設需施工作業面，同時需設置邊幫棄渣場，這些挖填改變地形會極大地影響自然斜坡、橋樁和堆填棄渣邊坡的穩定性。當前該領域的研究主要集中在以下幾方面：①工程建設造成的地形改變對斜坡穩定性的影響機理[1-3]；②工程荷載作用下斜坡穩定性演化機理[4-8]；③工程和環境因素聯合作用下橋樁結構安全性演化機理[9-12]；④斜坡地形對橋樁設計的影響機理和新型設計方法探討[13-16]；⑤工程和環境因素聯合作用下斜坡和橋樁系統協同影響機理及安全控制技術研究[17-19]。當前樁基設計主要為彈性設計，地基對其作用也按半無限彈性考慮，不考慮實際斜坡地形造成的背側與面側約束差異，較不利。設計中沒有辦法量化考慮自然環境和工程環境改變造成的外部荷載體系變化，儲備若能承受則安全，儲備不足則可能失效，這是很多病害和災變的根源。

本文依托某山區高速公路橋樁路段，探討邊幫棄渣對既有覆蓋層斜坡、橋樁變形和應力場的影響機理，分析邊幫棄渣對既有邊坡穩定性和橋樁結構受力的影響，量化評估棄渣對橋樁結構安全的影響機理，為類似工程提供借鑒。

1 橋樁路段工程概況

橋梁沿斜坡建設，施工場地狹小，上部為進場道路，外側緊鄰橋樁承臺，再外側為工程棄渣，坡腳建設有攔渣墻，再往外為河谷，周邊情況如圖1所示。

圖1 斜坡、橋樁、棄渣場空間位置

該橋樁路段主要為斜坡表層(殘坡積土)，中部為厚度不一的碎石土層，再往下為強風化白云巖和砂巖。勘察和設計單位提供的主斜坡路段主要地層巖土力學參數如表1所示。

表1 斜坡路段主要地層巖土力學參數

本次計算評估主要依托3個剖面，如圖2所示。

2 邊幫棄渣對斜坡和橋樁的影響分析

2.1 數值模型和計算方案設計

利用Phase2D軟件，建立考慮邊幫棄渣分層填筑的有限元數值模型(見圖3)，采用彈塑性本構模型，計算參數如表1所示。模型兩側為法向約束，底部全約束。計算時先進行初始應力平衡，再激活橋樁，然后開始棄渣填筑，直至達到圖2所示填筑高度。分析邊幫有覆蓋層斜坡棄渣對覆蓋層變形和橋樁結構受力的影響，為橋樁結構安全控制提供依據。

圖3 斜坡樁數值模型

2.2 棄渣對斜坡變形的影響分析

限于篇幅，以里程樁號K32+733為例，說明棄渣對斜坡+橋樁體系水平位移的影響，典型階段水平位移如圖4所示。K32+733，K32+973，K33+053路段不同棄渣階段最大水平位移如表2所示。

由圖4可知，K32+733路段，棄渣堆填高度為15～35m(3～7級坡)時，水平位移為厘米級，產生在棄渣坡腳，符合一般邊坡水平變形規律，橋樁施工對其影響不大；堆填高度超過40～47m(8～9級坡)時，水平位移發展到分米級，最大位移部位為棄渣坡腳。棄渣堆填造成的超載是引起既有斜坡變形的主要因素，但最大變形產生在棄渣邊坡坡腳，說明棄渣變形要大于自然斜坡。

圖4 K32+733典型水平位移(單位：m)

由表2可知，K32+973路段，棄渣堆填高度為40m(4級坡)時，最大水平位移為8mm；隨著斜坡外側棄渣堆填到50m(5級坡)時，最大水平位移為86mm，達到厘米級；堆填高度達到61m時，最大水平位移為146mm，達到分米級。K33+053路段，棄渣堆填到30m(3級坡)時，幾乎無變形，<1mm；堆填到40m(4級坡)時，最大水平位移為15mm，發展到厘米級；堆填高度達到55m時，最大水平位移為110mm，達到分米級。

表2 K32+733，K32+973，K33+053路段不同棄渣階段最大水平位移 mm

綜上所述，棄渣由自然斜坡坡腳逐步堆高，形成一定程度壓腳，只要堆填高度造成的附加荷載不超過地基承載力，總體上對斜坡穩定性有利，但棄渣的填筑壓實質量會影響斜坡局部拖坡變形，棄渣距離斜坡橋樁越遠對其結構安全的影響越小。

2.3 棄渣對斜坡橋樁結構內力的影響分析

K32+733，K32+973，K33+053路段不同棄渣階段結構內力最值如表3所示。

表3 K32+733，K32+973，K33+053路段不同棄渣階段結構內力最值

由表3可知，K33+053路段，棄渣堆填到30m(3級坡)前，軸力、彎矩及剪力均變化不大，認為棄渣堆積對橋樁結構安全無影響；棄渣堆填到40m(4級坡)時，軸力變化不大，但彎矩增大近3倍，剪力增大0.5倍，棄渣使橋樁受剪切作用，豎向承載性能發生改變；棄渣堆填到50m(5級坡)時，軸力較初始值增大5倍，彎矩較初始值增大10倍，剪力較初始值增大2.4倍，橋樁受力性狀急劇改變，由設計的豎向承載變為豎向+剪切承載；棄渣繼續堆填到55m高度時，軸力較初始值增大5.4倍，彎矩較初始值增大11.8倍，剪力較初始值增大2.7倍。K33+053路段，棄渣堆填到50m高度時距橋樁僅約13.6m，且橋樁由豎向承載劇變為豎向+剪切承載，嚴重威脅橋樁結構安全。

K32+973路段，棄渣堆填到30m高度時，軸力、彎矩及剪力均變化不大，認為棄渣堆積對橋樁結構安全無影響；棄渣堆填到40m高度時，軸力減小，但彎矩增大近3.5倍，剪力增大1.7倍，棄渣使橋樁受剪切作用，承載性能發生改變；棄渣堆填到50m高度時，軸力較初始值增大1.3倍，彎矩較初始值增大13.8倍，剪力較初始值增大6.2倍，橋樁受力性狀急劇改變，由設計的豎向承載變為豎向+剪切承載；繼續堆填到61m高度時，軸力較初始值增大2.0倍，彎矩較初始值增大19.5倍，剪力較初始值增大8.7倍。K32+973路段，棄渣堆填到50m高度時距橋樁僅約25.0m，且橋樁由豎向承載劇變為豎向+剪切承載，嚴重威脅橋樁結構安全。

K32+733路段，棄渣整個堆填過程中，軸力、彎矩、剪力與初始值相比均在同一量級變化，可認為棄渣堆積對橋樁結構安全無影響。

2.4 綜合評價

棄渣堆積會對斜坡、斜坡橋樁的產生影響，作用機理為棄渣堆填會造成既有斜坡表層土體承受附加荷載，在附加荷載作用下產生變形，但變形影響深度有限，通常只作用在棄渣斜坡接觸面部位一定深度，產生部分拖坡變形，若樁基在此影響范圍內，則會改變橋樁受力性狀，使其由豎向承載變為豎向承載+剪切承載，若剪力和彎矩作用超過截面抗剪和抗彎性能，則可能造成橋樁失效；雖不會失效，但會產生變形，造成上部結構和路面變形，影響橋梁中長期服役性能。

綜上所述，可認為堆填高度≥50m，距橋樁最短距離為13.5～25.0m時，會對橋樁結構安全產生影響，使橋樁由豎向承載變為豎向+剪切承載，改變橋樁的安全狀態，需引起重視。不同距離和堆填高度產生的安全影響如表4所示。

由表4可知，基于安全考慮，K32+733路段僅需采取棄渣整形滿足坡面穩定要求即可；K32+973，K33+053路段棄渣需整形且堆填高度宜為30～40m。

表4 不同距離和堆填高度產生的安全影響

后續該區棄渣安全堆填高度宜≤30m，與橋樁最短距離應≥40m。上述參數可作為該區橋樁、斜坡、棄渣聯合整治的綜合安全控制參數。

3 結語

山區斜坡地形、橋梁建設、外側棄渣會極大地改變自然斜坡的穩定狀態，潛在威脅橋樁結構安全，需重點關注坡體變形穩定性和橋樁結構安全。考慮棄渣過程進行數值動態仿真，得到以下結論。

1)在斜坡坡腳堆填棄渣，只要堆高造成的附加荷載不超過地基承載力，整體有利于斜坡穩定，但需重視棄渣邊坡，盡快完成整形控制坡面穩定性，棄渣填筑質量、棄渣與橋樁距離會影響棄渣與斜坡結合部的拖坡變形影響范圍，距離越遠，棄渣對橋樁結構安全影響越小。

2)K32+733路段，棄渣對斜坡整體變形穩定性無不利影響，主要是棄渣自身的坡面穩定性需引起重視。

3)K33+053路段，在整個棄渣堆填過程中，結構內力均在同一量級變化，對橋樁結構安全無影響。

4)根據結構內力分析，K32+973，K33+053路段，棄渣均需整形且堆填高度宜為30～40m。該區橋樁、斜坡、棄渣聯合整治的綜合安全控制參數為堆填高度≤30m，與橋樁最短距離≥40m。