樁孔開挖對滑坡體上橋梁樁基的影響分析

馬定樂,李清,盧浩

(1.廣東交通實業投資有限公司,廣東 廣州 510000;2.廣東交科檢測有限公司,廣東 廣州 510550;3.廣東華路交通科技有限公司,廣東 廣州 510420)

在山區高速公路建設過程中,為了避免對山嶺進行大填大挖,大量的橋梁修建在不同地層天然斜坡上,而受斜坡體本身地層環境、大氣降雨及橋梁荷載等多種因素影響,有些斜坡體逐漸變得不穩定,甚至引發滑坡、崩塌等地質災害,使得邊坡上的橋梁樁基等結構產生不同程度的病害。目前對于這類橋梁出現的問題,較多采用抗滑樁進行邊坡加固[1-2],然而抗滑樁在施工過程中對斜坡橋梁樁基等結構物的影響又很難把握,開挖必然會對其鄰近構筑物產生影響,可能對鄰近結構物帶來一定的安全隱患。對此,國內外研究學者對開挖施工影響鄰近樁基等結構物進行了大量研究。

目前國內外通常采用理論分析、現場監測、模型試驗、數值模擬計算等手段對開挖施工影響鄰近樁基的機制開展研究,并取得了不少有實效的應用成果。崔新軍等[3]對基坑開挖時對基樁的影響進行了研究,指出可以采取降水固結法、分層開挖和留坡穩定的方法。魯宏等[4]利用有限元軟件來模擬不同情況下深基坑開挖對工程樁的影響。楊敏等[5]根據有限元法,分析了不設支護措施情況下基坑開挖對樁基的影響,對于基坑開挖施工時對鄰近樁基的影響提出了一些有價值的建議。徐情根等[6]對深基坑開挖對坑底基樁的影響做了研究。王翠[7]等通過使用彈塑性有限差分法,對依托工程基坑開挖過程進行數值模擬,研究了深基坑開挖對于鄰近樁基的影響,分析了基坑維護結構的剛度和土體強度等對控制土體變形的作用。張治國等[8]基于Pasternak地基模型,推導了隧道開挖與鄰近樁基相互作用的簡化解,并對監測數據和離心試驗數據進行了對比分析,發現考慮樁側土體三維作用效應解析解模型更加準確。鐘悅鵬等[9]利用Midas研究了不同加固方法情況下河道開挖對橋梁樁群的影響,表明高壓旋噴樁加固后右側橋梁群樁水平位移幾乎為零。張天賜等[10]采用ABAQUS數值模擬和試驗手段,對比分析了隧道基坑不同開挖形式對既有樁位移和應力的影響。

上述研究成果主要集中體現了隧道、基坑等開挖對鄰近樁基的影響分析,但對于邊坡加固施工對邊坡上部橋梁樁基的影響研究相對較少,且該類橋梁樁基礎的承載機理和受力分析計算方法與平地常規樁基相比差異較大[11-12]。為此,本文以斜坡橋梁為例,通過現場監測和數值計算等手段,研究邊坡加固過程中樁孔開挖對滑坡體上橋梁樁基的影響,為類似工程提供參考。

1 工程概況

本研究依托工程大橋屬于典型的斜坡橋梁。由于修建該大橋時,橋下滑坡出現了局部滑移的現象,修建橋梁前對該滑坡進行過專項治理,主要治理方案是沿滑坡體前緣設計了24根抗滑樁和滑坡面上設置排水溝,并進行后續監測,隨后邊坡逐漸趨于穩定,因此監測隨即停止。后又發現該大橋0#橋臺位置的橋梁下墊塊多處被推移破壞,橋梁與路基搭接處出現多處裂縫,且橋梁伸縮縫處出現擠壓現象,判斷該滑坡有復活的跡象,監測重新啟動。為了使橋梁所在處的邊坡更加穩定,在橋梁下部靠近橋梁樁基的位置設計20根抗滑樁進行加固。在抗滑樁的施工過程中橋梁變形加劇,橋梁上部結構和下部結構都出現不同程度的破壞。

1.1 地形、地貌和水文

依托工程周邊為低山地和河谷地貌,地形起伏大、地質條件差?！癡”形溝谷發育,溝谷斜坡基巖裸露,溝底基巖埋深較淺。橋梁位于臺階式斜坡地帶,植被發育?；聟^兩側為穩定山體,基巖出露,巖性以千枚巖為主,風化嚴重?；聟^前緣為河道,漂卵石覆蓋較薄,局部基巖出露。該區域地下水主要有基巖裂隙水和第四系松散層孔隙水,深度在1.3～1.7 m之間。

1.2 地層

勘察揭露地層主要有人工填筑土、第四系殘坡積層、滑坡堆積層、基巖。

(1)人工填筑土。包括路基土和人工填筑的粉質黏土。路基土即高速公路路基填筑土,多為粉質黏土夯填,結構密實。受雨水入滲和自然因素的影響,在0#橋臺處局部沉陷,導致橋臺圬工破損。人工填筑粉質黏土主要是棄渣,以黏性土為主,含少量碎石,結構松散,厚度在3.5 m以內。

(2)第四系坡積層。主要以粉質黏土、碎石土為主,一般為重力搬運而成,土質呈黃色或灰白色。黃色為千枚巖風化物,風化嚴重,土質不均勻,結構疏松。

(3)滑坡堆積層。地層巖性以粉質黏土、碎石土為主。粉質黏土發育在滑坡前緣表層,為千枚巖風化物搬運而成,結構由上至下越來越致密,下部夾雜碎石顆粒,土體結構致密。碎石土為風化的基巖經搬運后形成,粒徑一般為0.2～2 m,結構致密,粉質黏土充填。

(4)基巖。揭露的基巖為寒武—奧陶系千枚巖、石英片巖和少量薄層灰巖。表層風化嚴重,全—強風化厚度9～18 m,局部厚度大。風化后,該層巖體強度差,遇水易溜滑。

1.3 滑坡情況

根據工程地質調繪,滑坡在平面上呈喇叭形,前寬后窄,后緣圈椅狀明顯,前緣呈扇形,局部形成陡坎?；履媳睂挒?60～210 m,東西長約276 m,總量約4.39×105m3,滑動方向與高速路線走向基本正交。該滑坡在歷史上主要發生過三級滑動。第一級滑坡長約276 m,寬約260 m,厚28 m,該級滑動后緣明顯,后部滑體剝蝕嚴重;第二級滑坡長約164 m,寬約160 m,厚14.5 m,千枚巖基巖頂部發生滑動;第三級滑坡長約100 m,寬約210 m,厚約13.4 m,前緣受河道不斷下切侵蝕形成臨空發生滑動?；驴傮w來說,周界清晰,其中第三級處于蠕動變形階段,第一、二級處于穩定狀態。

2 現場監測內容及結果分析

2.1 監測內容

橋梁監測點的布置主要依據現在變形開裂部位為主,結合下部橋墩墊塊變形進行監測。鉆孔測斜監測共布設13個點,橋墩墊塊變形監測點布置在橋梁東西兩側共8個點,如圖1所示。

圖1 橋梁墊塊監測點布置圖

2.2 監測結果分析

橋臺處的墊塊位移的監測數據分析結果見圖2、圖3。以第一期監測數據為原始數據,0#橋臺和1#橋臺的四個監測點從第一期監測到十八期的累積位移基本在±10 mm以內,每次監測位移變化量都在5 mm以內,數據有一定的波動性,波幅都較小,說明這段時間內邊坡蠕變對橋梁的影響較小。從十九期監測開始,0#橋臺的四個監測點的位移量出現明顯的增長趨勢。第十九期的監測數據與第十八期的監測數據相比,四個監測點分別增加了20 mm、13 mm、5 mm、12 mm,變形增長顯著。后面二十期到二十二期位移變化量與之前相比也有明顯的增加。1#橋臺的四個監測點在第十八期到二十二期的位移量也出現明顯的變化,累積位移量分別增加了8.5 mm、8 mm、6.5 mm、10 mm。位移變化沒有0#橋臺的明顯,但較之前有明顯的增加,說明從十八期到二十二期這段時間橋梁出現了明顯的變形跡象。

圖2 0#橋臺監測數據

圖3 1#橋臺監測數據

測斜孔最初共布設12個點(見圖4),但后期抗滑樁工程施工、農田的耕植導致坡體下部的測斜孔大部分都被破壞,只有坡體上部的8、9號測斜孔保存完好,數據完整,其臨空向水平位移變化如圖5、圖6所示。從圖中可以看出,在第七期之前8、9號測斜孔各個深度的位移都在30 mm以內,各次監測數據差距不大,說明坡體在這之前處于穩定狀態。第七期之后兩個測斜孔各個深度的位移量有一定程度的增加,與橋臺上墊塊的變形趨勢一致,特別是0～17 m段,最大位移將近60 mm,而且兩個孔反映的情況基本一致,說明坡體出現一定程度的滑移,邊坡處于欠穩定狀態。

圖4 測斜孔布置平面圖

圖5 8號測斜孔臨空向水平位移

圖6 9號測斜孔臨空向水平位移

經現場調查,橋梁橋臺及邊坡位移激增的這段時間,剛好與橋下邊坡抗滑樁樁孔開挖施工的時間重疊,初步推測橋梁下部邊坡抗滑樁的開挖在一定程度上影響了坡體的穩定性,導致邊坡出現明顯的下滑變形,進而引起橋梁的變形。

3 數值模擬分析

為了更好地驗證現場監測分析結果,準確分析抗滑樁樁孔開挖對橋梁變形的影響,通過利用數值模擬軟件FLAC建立數值計算模型,模擬抗滑樁開挖施工工況,分析橋梁樁基的內力和位移變化規律。

3.1 模型的建立

(1)FLAC-3D模型。結合樁基礎結構受力的特點和FLAC-3D軟件對計算資源的要求以及現有的研究資料,模型長度取430.8 m,模型高165 m,模型計算中兩側影響范圍皆取15 m,為11.5倍樁徑,模型總寬度為30 m。

(2)邊界條件。樁周巖土體的模型近似為半空間無限體,將模型底面及側面X、Y、Z方向位移固定,對樁身頂部施加集中荷載。

根據地勘資料、設計文件和相關經驗參數,模型的計算參數如表1、表2所示。

表1 巖土體模型材料參數

表2 橋梁樁基模型材料參數

3.2 模擬結果分析

(1)樁孔開挖前結果分析。開挖前樁基的樁身內力及位移云圖如圖7、圖8所示。斜坡上雙樁橋梁樁基的受力及變形特點計算結果如圖9所示。由圖9可以看出,在樁孔開挖前前樁樁身最大位移為9.86 mm,后樁樁身最大位移為9.65 mm,都出現在樁頂位置,前后樁樁頂位移差別不大,而且前后樁樁身位移在10 m以下部分基本為0。在樁孔開挖前前樁和后樁樁身的彎矩分布情況基本一致,前樁和后樁的樁身最大彎矩都約為1100 kN·m,前后樁樁身彎矩開挖前差距不大,最大彎矩都出現在距樁頂6 m左右的位置。

圖7 開挖前模型水平應力云圖

圖9 開挖前樁身位移彎矩分布圖

(2)樁孔開挖后結果分析。樁孔開挖后橋梁樁基礎的樁身內力及位移云圖如圖10、圖11所示。當樁孔開挖后前樁和后樁樁身的橫向水平位移都有一定程度的增加,開挖樁孔后前樁樁身最大位移為17.19 mm,后樁樁身最大位移為17.12 mm,依然都出現在樁頂位置,距樁頂0～15 m段樁身位移較開挖前有較大幅度的增加;抗滑樁樁孔開挖后前樁和后樁樁身的彎矩較開挖前也都有一定程度的變化,分布情況基本一致,開挖后前樁樁身最大彎矩為1281.4 kN·m,后樁樁身最大彎矩為1076.4 kN·m,最大彎矩都出現在距樁頂6～7 m之間的位置,如圖12所示。

圖10 開挖后模型水平應力云圖

圖11 開挖后樁身水平位移云圖

圖12 開挖后樁身位移彎矩分布規律

表3為不同工況下橋梁樁基前后樁的位移和最大彎矩變化情況,可以看出,前后樁樁身開挖前的位移分別為9.86 mm和9.65 mm,開挖后分別達到了17.19 mm和17.12 mm,樁頂處水平位移均超出規范要求的10 mm,說明對于滑坡體橋梁樁基在下部有樁孔開挖情況下,樁身受樁孔開挖影響明顯,變形過大不能滿足上部結構要求,造成橋梁結構破壞,必須對橋梁進行加固。前樁和后樁樁身的彎矩在開挖前分別為1114.2 kN·m和1107.5 kN·m,開挖后,彎矩最大值分別達1281.4 kN·m和1076.4 kN·m,前樁樁身彎矩超出設計值1200 kN·m,最大值增加了15%,后樁樁身彎矩最大值減少了3%。說明對于斜坡雙樁橋梁樁基,當坡下有樁孔開挖時,前后樁樁身的內力變化較明顯,其中前樁內力變化更顯著,更易出現病害,這與依托工程中橋梁樁基病害情況分布也是一致的。

表3 不同工況下前后樁彎矩和位移對比分析

4 結論

(1)下部抗滑樁施工是橋梁樁基破壞的主要原因。依托工程大橋屬典型山區斜坡上跨橋梁,從橋梁建成至今,該橋梁的監測幾乎沒有間斷,前期監測數據表明該橋梁在開始運營的幾年里基本處于間歇性變形狀態,然后趨于穩定;橋梁下部抗滑樁施工后,橋梁和邊坡的順坡方向變形都明顯加劇,接著橋梁上部結構及下部結構都出現不同程度的病害,說明抗滑樁施工期間坡體出現不穩定是由于坡體下部大面積的開挖,導致坡體上部滑移,引起橋梁變形。

(2)數值模擬結果表明,滑坡體上有樁孔開挖時,對滑坡體上的橋梁有較大影響,對于雙排橋梁樁基的情況,前后樁樁身的變形及受力都受到一定影響,前樁受影響更為明顯,更易出現病害,與依托工程病害分布情況一致。

(3)當采用抗滑樁方案加固上跨橋梁的滑坡體時,樁位距離橋梁樁基應適當遠一些,盡量使用直徑較小的圓樁(也可使用微型組合抗滑樁以達到快速施工),可以適當增加樁數。