山區陡坡橋梁樁基受力分析及安全評價

張潔ZHANG Jie；曾金明ZENG Jin-ming；游姍YOU Shan；付小紅FU Xiao-hong

（①武昌工學院，武漢 430065；②中交第二公路勘察設計研究院有限公司，武漢 430056）

0 引言

陡坡橋梁樁基合理性設計的前提是陡坡樁基承載力的確定[1-4]、樁基荷載效應分析。有很多學者對平地樁基進行研究，張友良[5]等研究抗滑樁與滑坡體間的相互作用機理，提出了極限平衡法和有限單元法相結合的方法來模擬抗滑樁與滑坡體之間相互作用。楊濤[6]等提出了基于定點剪出穩定性核算為基礎的滑坡推力分布形式分析計算方法。陳迪[7]等采用p-y 曲線法對砂土與粘土中側向受荷樁進行非線性分析，分別通過有限差分法與迭代方式對粘土與砂土中側向受荷樁的受力形式進行分析計算。劉晶波、杜義欣、閆秋實[8]以ANSYS 為例，給出了粘彈性人工邊界及其地震動輸入在大型通用有限元軟件中的簡便實現途徑，對其他有限元軟件在程序中的實現也有一定的參考價值。蘇連虎[9]以工程實例為背景，對陡坡樁基進行方案對比，從安全、經濟、適用、環保四個方面進行對比分析，對陡坡橋梁的建設提供了參考價值。張偉[10]對復雜山區地帶高山陡坡穩定進行分析，并以工程實例為研究對象，分析在實際施工過程中需要注意的事項及應用效果，為實際工程設計提供參考。對于陡坡段橋梁的樁基由于所受的荷載和地質條件不同，其受力情況與平地樁基不同，故本文對陡坡橋梁的樁基受力方式進行分析。

1 陡坡橋梁樁基受力形式分析

1.1 豎向荷載作用下陡坡橋梁樁基受力形式分析

樁基的承載力由樁端摩阻力和樁側摩阻力兩部分共同承擔，位于陡坡上的橋梁樁基在承受豎向荷載作用時，其承載力也由樁側摩阻力和樁端阻力共同承擔，只不過在承受豎向荷載時樁側摩阻先發揮作用，當樁側摩阻力完全發揮作用后仍不足以承擔豎向荷載時，樁端阻力開始發揮作用。

1.2 橫向荷載作用下陡坡橋梁樁基受力形式分析

陡坡橋梁樁基在水平荷載作用下，承載力由樁身和樁周土體共同承擔，只不過在樁基剛受到水平荷載時，樁身自身發生變形來抵抗水平荷載，隨著水平荷載的增大，樁身變形也隨之增大，樁身變形會擠壓周邊的土體引起土體變形，當樁身變形過大或者土體的變形過大時，樁周土體強度不足導致失穩破壞。

1.3 組合荷載作用下陡坡橋梁樁基受力形式分析

組合荷載是指陡坡橋梁樁基既受到豎向荷載的作用也受到水平荷載的作用，如樁基既有橋梁自重的豎向荷載也有地震水平荷載作用。陡坡橋梁樁基在組合荷載作用下，受力形式不是簡單豎向荷載和水平荷載疊加，其受力分布復雜。

2 陡坡橋梁樁基地震響應分析

2.1 有限元模型

采用ANSYS 軟件對一工程實際橋梁的樁基進行分析，考慮樁周土對樁基的影響，分別建立無樁基的陡坡模型和考慮樁土相互作用有樁基模型，坡度為1:1，陡坡高度為30m，樁的入土深度為20m，樁基礎位于陡坡段的中間位置，以集中質量的形式考慮上部結構對樁基的作用。陡坡示意圖如圖1 所示。

圖1 陡坡示意圖

2.2 地震振幅對陡坡樁基地震響應影響

本文選取1940,EI Centro Site，270 Deg（EI Centro 波）地震波進行輸入進行地震響應分析。地震振幅是描述地震波的三要素之一，其大小決定了地震的強度，為了研究不同地震波振幅下陡坡樁基地震響應，對有樁基模型和無樁基模型分別輸入不同的地震加速度峰值，其值分別為0.1g、0.15g、0.2g、0.25g、0.3g，以此來分析了不同振幅時地震動作用下陡坡上坡頂和坡腳的位移變化。表1 為不同地震振幅下的坡頂和坡腳的位移值，圖2 為不同地震振幅下的坡頂和坡腳位移曲線圖。

圖2 坡頂和坡腳位移曲線圖

由表1 和圖2 可知，①隨著地震波振幅的增加，兩種計算模型的坡頂位移和坡腳位移都隨著增大。

表1 坡頂和坡腳的位移值

②兩種計算模型下的坡頂位移均大于坡腳位移，地震波振幅為0.1g，有樁基時坡頂位移是坡腳位移的1.37 倍，無樁基時坡頂位移是坡腳位移的1.33 倍；地震波振幅為0.2g，有樁基時坡頂位移是坡腳位移的1.31 倍，無樁基時坡頂位移是坡腳位移的1.36 倍，地震波振幅為0.3g，有樁基時坡頂位移是坡腳位移的1.19 倍，無樁基時坡頂位移是坡腳位移的1.38 倍。

③無樁基時的坡頂位移和坡腳位移大于有樁基時的坡頂位移和坡腳位移，這是因為坡體中有樁基作用時，可以增加坡體的整體穩定性和剛度，從而減小變形。

圖3 為地震波振幅對陡坡位移的影響率曲線，由圖3 可知，①地震波振幅對有樁基陡坡位移的影響比無樁基時的大。地震波振幅為0.15g 時，有樁基和無樁基時陡坡位移的影響率為13.55%和8.77%；地震波振幅為0.2 時，有樁基和無樁基時陡坡位移的影響率為28.63%和15.76%；地震波振幅為0.25g 時，有樁基和無樁基時陡坡位移的影響率為37.71%和27.74%；地震波振幅為0.3g 時，有樁基和無樁基時陡坡位移的影響率為43.58%和35.07%。

圖3 地震幅度對陡坡位移影響率

②對于有樁基模型，地震波振幅對坡腳位移的影響比對坡頂位移的影響大，地震波振幅為0.15g 時，坡頂位移和坡腳位移的影響率為13.55%和26.39%；地震波振幅為0.2g 時，坡頂位移和坡腳位移的影響率為28.63%和34.61%；地震波振幅為0.25g 時，坡頂位移和坡腳位移的影響率為37.71%和44.74%；地震波振幅為0.3g 時，坡頂位移和坡腳位移的影響率為43.58%和65.20%。對于無樁基模型，地震波振幅對坡頂位移的影響比對坡腳位移的影響大。

2.3 坡率對陡坡樁基地震響應影響

為了分析坡率對陡坡樁基地震響應的影響，分別建立坡率為1∶1.25、1∶1 和1∶0.75 的陡坡模型，表2 為不同坡率下坡頂和坡腳的位移值，圖4 為不同坡率下坡頂和坡腳位移曲線圖。

圖4 坡頂和坡腳位移曲線圖

表2 坡頂和坡腳的位移值

由表2 和圖4 可知，①隨著坡率的增大（從1∶1.25 到1:0.75），坡頂位移和坡腳位移也隨之增大。比如，有樁基模型坡率為1∶1.25 時為坡頂位移為0.0675m，坡率為1∶1 時坡頂位移為0.0835m，坡率為1∶0.75 時坡頂位移為0.0870m。

②坡率對坡腳位移的影響大于對坡頂位移的影響，坡率從1∶1.25 到1∶1，有樁基和無樁基模型坡腳位移的增長率分別為30.85%和26.33%，坡頂位移的增長率為23.72%和21.61%；坡率從1∶1 到1∶0.75，有樁基和無樁基模型坡腳位移的增長率分別為7.99%和12.86%，坡頂位移的增長率為4.13%和8.07%。

3 陡坡樁基的安全評價

3.1 陡坡樁基風險識別

鉆孔基礎的施工從鉆孔施工、泥漿護壁、鋼筋籠的下放和混凝土的灌注等階段進行質量控制。鉆孔灌注樁施工順序：場地平整→鉆孔樁定位→護筒的制作和埋設→泥漿制作→鉆機就位→鉆孔作業→清空→鋼筋籠的制作與吊裝→水下混凝土灌注→樁身質量檢測。

山區陡坡上的樁基在施工的過程中經常會出現大切大挖的現象，會引起坍塌和滑坡事故，造成很嚴重的人員傷亡和經濟損失，所以在樁基的施工中應該防治滑坡。樁孔護壁能夠保證鉆孔灌注樁安全施工，如果護壁工作不到位，容易造成塌孔情況的發生，如果施工不當或者施工沒有嚴格按照規程要求，會造成樁孔垂直度不夠，導致后續鋼筋籠的下放以及混凝土的澆筑不能順利進行。樁孔周圍沒有進行有效防護，沒有對危險源設置安全標識，這樣就很容易造成雜物和人畜的墜入。

根據現場情況和施工方案，在樁基的施工中，崩塌、滑坡、塌孔、淹孔、樁孔垂直度不夠、樁周無安全防護措施、孔內墜物、混凝土的灌注質量以及鋼筋籠的連接等風險因素都有可能造成事故。結合本工程的地形地質條件和樁基的施工工藝，選擇滑坡、塌孔、混凝土的灌注質量、樁周無防護標識、鋼筋籠連接質量和施工機具及設備風險作為風險因素。

3.2 陡坡樁基風險評價

判斷矩陣一致性符合要求，樁基權重向量可以接受。通過風險因素識別，得到樁基施工風險因素的排序為：1施工機具及設備風險，2 混凝土的灌注質量，3 滑坡，4 塌孔，5 樁周無防護標識，6 鋼筋籠連接質量，施工機具及設備風險和混凝土的灌注質量是樁基施工的主要風險。

3.3 陡坡樁基風險防治

3.3.1 總體措施 在組織方面，建立組織管理系統，并對工作人員進行培訓教育，實行責任到個人，保證施工的順利進行。在技術方面，對施工重點和難點進行專家方案，并進行技術交底。在管理方面，加強對現場人員、材料機具進行管理，保證安全施工，減少風險事故。在經濟方面，保證資金用到實處，對施工工序進行成本計算，采用經濟手段保證項目的順利進行。

3.3.2 專項措施 針對施工機械和設備存在風險，對施工機械設備人員進行定期培訓教育，保證操作人員持證上崗，對機械設備進行進場檢查，并在使用過程中對機械設備進行定期檢查。針對混凝土的灌注質量存在的風險，采取嚴控原材料的質量，嚴格執行混凝土的制作和運輸規定，保證混凝土的質量，在澆筑前，應對澆筑面進行清理，在澆筑中，按照混凝土的澆筑方案進行澆筑，并且采用機械振搗保證混凝土的澆筑質量。

4 結論

①陡坡樁基在不同的荷載形式下，其受力特點、樁周土的承載性能和樁基破壞形式不同。②無樁基時的坡頂位移和坡腳位移大于有樁基時的坡頂位移和坡腳位移，這是因為坡體中有樁基作用時，可以增加坡體的整體穩定性和剛度，從而減小變形。③隨著地震波振幅的增加，坡頂位移和坡腳位移隨著增大，并且地震波振幅對有樁基陡坡位移的影響更大；隨著坡率的增大，坡頂位移和坡腳位移也隨之增大。④相比與平地樁基，山區陡坡樁基在施工的過程中會面臨更多的風險，為了保證陡坡樁基的安全施工，需對施工中存在的風險因素進行識別、評價，并對其進行風險評價。