斜坡稳定性对邻近高架桥桩基变形影响分析

杨 静

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067； 2.国家山区公路工程技术研究中心，重庆 400067)

随着城镇化建设的迅速发展，既有桥梁邻近的斜坡区域出现了大量的基坑开挖作业，这类建设会影响斜坡稳定性，进而威胁斜坡区域桥梁结构的受力与安全，轻者引起桥梁支座发生位移或破坏，重者造成墩柱发生倾斜或桥梁坍塌，总之处理不当，会致使既有桥梁无法正常安全使用。

近年来，国内外桥梁因所在的斜坡区域失稳导致桥梁灾害越来越多，如日本高知县立川桥因大雨引起的斜坡失稳，造成3跨桥梁坍塌；印度那加兰邦首府科希马的萨诺鲁大桥因暴雨引起斜坡失稳而坍塌；我国安徽省宣城市宣州区养贤乡境内的天成桥北侧土体失稳，致使天成桥的桥柱基础平行推移而发生垮塌。

国内外学者开展了大量基坑开挖对邻近桥梁安全影响的研究工作[1-8]。杜金龙等[1]提出了适用于均匀土质基坑开挖与邻近桥梁桩基相互作用的弹塑性解方法。李龙剑等[2]采用弹塑性有限元方法研究了水平层状土质基坑开挖对邻近桥梁桩基的影响，认为开挖对多排桩基础的水平位移趋势相同，后排桩位移略小于前排桩。王从锋等[3]采用有限元强度折减方法计算了均质边坡的稳定性问题，确定开挖过程中坡体的应力、应变以及位移等指标对实际边坡的开挖和加固处理有一定参考价值。李明等[4]采用Midas软件研究了土层深基坑对近距高架桥变形的影响。杨涛等[6]采用两阶段分析法研究了基坑开挖深度与桩基水平位移的影响。

上述研究主要围绕土质基坑开挖对邻近桥梁桩基的影响，对于岩土二元结构斜坡稳定性及对邻近桥梁桩基的影响研究较少，两者存在以下较大差异：1) 建于二元结构斜坡上的桥梁桩基多为嵌岩桩，而土质基坑邻近桥梁桩基多为摩擦桩，两者受力、传力特性存在较大差异，二者与地基的协调变形也有较大区别；2) 近年来，有限元强度折减法得到大范围应用，但其关键难点在于岩土体计算参数的选取以及计算模型对实际情况的仿真程度，这直接决定了数值计算结果是否可指导工程应用。

本文以某高架桥下岩土二元结构的基坑开挖为例，按实际工程区域地质条件情况进行建模，采用有限元强度折减法，分析桥梁所在斜坡稳定性以及基坑开挖与支护对桥梁桩基变形的影响，以期为本工程的实施提供支持。

1 工程背景

某高架桥所处斜坡属丘陵斜坡地貌，微地貌受岩性控制明显，总体坡角约25°，由于人类活动，斜坡中上部多呈阶梯状，部分保留斜坡自然状态。场地拟建居民小区，桥梁所在斜坡下方为小区消防通道，向下开挖约10 m，基坑(消防通道)开挖边界与高架桥墩中心线最小水平距离约25.5 m，斜坡纵断面如图1所示。

单位：m

基坑开挖前，为开展场地清理和修建施工便道，进行了小范围的的削坡，致使桥梁基础附近斜坡地表的松散土层出现断续延伸的拉裂缝，裂缝长40 m～55 m，缝宽0.5 cm～5 cm，如图2所示。

图2 现场裂缝照片

斜坡场地上覆残坡积粉质粘土，下卧侏罗系中统沙溪庙组砂岩与砂质泥岩互层，出露地层以侏罗系中统沙溪庙组紫红色砂质泥岩夹薄层-厚层砂岩为主，岩层产状130°∠13°～15°。场地内主要发育2组裂隙J1和J2。其中J1倾向约320°，倾角60°～70°，裂隙面比较平直、光滑，部分被粘性土充填，裂隙间距约1 m，基本上出露于砂岩陡坎坡面，延伸较长，是场地内主要构造裂隙,局部粘土充填, 结合较差；J2倾向220°～230°，倾角70°～80°，以大角度与J1斜交，裂隙面波状起伏，比较光滑，裂隙间距1 m～1.5 m，延伸8 m～10 m，是控制边坡形态的另一组结构面，局部粘土充填，结合较差。

桥梁所在斜坡坡度较大，地表水排泄通畅。上覆土层薄，基岩内裂隙不发育，地下水赋存条件差，地下水贫乏。

2 数值模拟分析

2.1 建模与参数设置

采用Plaxis岩土有限元软件进行二维建模分析，模型计算区域大小选取100 m×70 m，模型底部采用固定约束，侧面采用法向约束，按照实际地质情况模拟斜坡岩层及其裂隙特征，并进行概化和网格剖分，对重点关注的基坑开挖面及桥梁桩基所在位置进行了网格加密，共划分9 873个节点，有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型

忽略纵向边界条件的影响，桩基按弹性材料模拟，将桩基等效为板桩，板桩桩体采用梁单元离散，岩土体采用高精度15节点三角形单元离散。利用Plaxis软件中弹塑性本构模型模拟接触面性状，采用Coulomb准则判断接触面内发生微小结构与岩土体相对位移时的弹性变形。按下式计算板桩弹性模量：

式中：Ep和Es分别表示桩和岩体的弹性模量，MPa；u为相邻桩的中心距离，m；d为桩径，m。将桩体等效为板桩，使得开挖时岩土层水平位移产生的水平作用力均施加在桩身上，结果可能使岩土层的水平位移较实际略小，而桩身的水平位移较实际略大，这对研究高架桥桩基变形影响分析是偏安全的[5]。

建模时进行了如下简化：

1) 力学参数：岩土体材料物理力学参数从勘察报告选取，见表1。其中，结构面J1、J2参数取值参考了强风化泥岩的参数；剪胀角全部取值0，王从锋、杨晓杰等[3，9]认为随着剪胀角取值增长，岩土边坡稳定性安全系数也逐渐增大，模型计算时将剪胀角取值为0，与郑颖人[10]提出的广义塑性力学理论相符，理论上得出的边坡安全系数偏小，偏于安全。

2) 计算条件：考虑桥梁最不利荷载组合，将桥梁结构受力简化至桩顶位置，桥梁等效荷载标准值见表2；由于坡体内地下水赋存条件差，不考虑地下水的影响；地震作用按Ⅵ度考虑。

表1 材料物理力学参数

表2 桥梁等效荷载标准值

2.2 计算步骤

1) 步骤1：计算岩土体初始应力状态，并将计算结果分析与现场实际情况进行比对，验证计算参数的合理性。

2) 步骤2：在桩基顶部单元施加桥梁等效荷载，叠加步骤1的生成结果，计算高架桥建成后的应力场。

3) 步骤3：基坑开挖及支护影响计算分析。基坑开挖发生在成桥以后，可认为开挖前，斜坡与桥梁桩基之间无变形的相互影响，故进行开挖计算时，将步骤2产生的应力场作为基坑开挖模拟的初始应力场，而将此前产生的所有位移与应变初始化为零，仅考虑基坑开挖形成的位移增量，并分别对常用的3种基坑开挖和支护方案进行比较计算：(1) 放坡开挖：基坑放坡开挖到设计标高且不防护，考虑岩土体开挖卸荷作用，开挖面计算时采用强风化岩体力学参数；(2) 锚喷防护：基坑放坡开挖到设计标高，坡面锚喷防护，考虑防护及时，计算时开挖面采用中风化岩体力学参数；(3) 锚拉桩支护：先进行锚拉桩支护后，再开挖基坑至设计标高状态。

3 计算结果与分析

3.1 计算结果

在各种计算步骤下，提取表征斜坡和桥梁桩基发生变形情况的位移进行分析。

1) 步骤1：桥梁所在斜坡区域表层松散土失稳，最大位移约46 mm，如图4所示。计算结果与现场斜坡整体稳定、局部表土出现宽度0.5 cm～5 cm断续变形裂缝的情况相符，且裂缝的宽度以及出现位置相似，说明岩土体力学计算参数选取合理。

图4 坡体变形云图(步骤1)

2) 步骤2：在桥梁等效荷载作用下，斜坡位移趋势朝向坡面及坡脚方向，边坡位移增量最大值达18 mm，出现在桩顶附近区域岩土体中，如图5所示，这与嵌岩桩桩顶位移随荷载线性增加的特性相符，说明桥梁荷载作用下，桩基与坡体发生了协调位移。

3) 步骤3：按以下3种方案分别计算。

(1) 方案1：放坡开挖

基坑经放坡开挖至设计标高且不支护，强度折减法计算基坑开挖后的斜坡稳定安全系数为1.937，基坑边坡稳定。基坑边坡位移增量最大值29 mm，出现在基坑放坡平台、坡顶以及桥梁桩基顶部区域的强风化岩层中，开挖面位移增量最大值21 mm；桥梁桩基变形增量最大值为14 mm，朝开挖面侧变形，其中水平向变形增量最大值为13 mm，竖直向变形增量最大值为4 mm，坡面和桩基均以发生水平向开挖面变形为主，如图6所示。

图5 坡体变形云增量图(步骤2)

图6 坡体变形云增量图(步骤3-方案1)

(2) 方案2：锚喷防护

基坑放坡开挖后锚喷支护，强度折减法计算基坑开挖后的斜坡稳定安全系数为2.412，基坑边坡稳定。基坑边坡位移增量最大值14 mm，出现在基坑放坡坡顶以及桥梁桩基顶部区域的强风化岩层中；桥梁桩基变形增量最大值为4 mm，朝开挖面侧变形，其中水平向变形增量最大值为4 mm，竖直向变形增量最大值为1 mm，如图7所示。

图7 坡体变形云增量图(步骤3-方案2)

(3) 方案3：锚拉桩支护

坡脚先采取锚拉桩进行支护，后开挖至基坑设计标高，强度折减法计算边坡稳定安全系数为5.171，基坑边坡稳定。同时，坡体变形能够得到控制，基坑边坡位移增量最大值2 mm，出现在锚拉桩顶位置；桥梁桩基变形增量最大值为0.5 mm，朝开挖面侧变形，其中水平向变形增量最大值为0.5 mm，竖直向变形增量最大值为0.1 mm，如图8所示。

3.2 结果分析

1) 基坑开挖及不同支护方式对斜坡稳定性的影响

综上模拟分析可知，基坑开挖及支护方式对斜坡稳定性影响很大。基坑开挖后，支护措施越强，边坡稳定安全系数越大，位移增量越小，意味着变形控制越好。对基坑边坡侧壁而言，方案2比方案1基坑侧壁位移增量减少67%，见表3，说明对基坑边坡进行及时支护对抑制变形非常有效。

图8 坡体变形云增量图(步骤3-方案3)

表3 基坑开挖及不同支护方式下变形计算结果

2) 基坑开挖及不同支护方式对桥梁桩基变形的影响

基坑开挖及不同支护方式对桩基变形影响显著。从表3可知，方案1在坡面、坡面平台、桩顶附近区域均产生约14 mm～29 mm位移增量，方案2仅在桩顶附近区域产生约14 mm位移增量，方案3仅在锚拉桩顶位置产生2 mm位移增量;基坑边坡位移增量最大值随支护措施的增强而减少，发生最大变形的位置也逐渐远离桥梁桩基，故桥梁桩基的变形量也随支护措施的增加而明显减少，其中，方案2比方案1桩基位移增量减少71%，方案3比方案1的桩基位移增量减少92%，说明对基坑边坡及时支护措施越强，对抑制邻近桥梁桩基变形效果越显著。

从工程实施上来说，方案2和方案3中桥梁桩基位移增量最大值同为mm级，若桥梁基础变形在容许范围内，方案2施工更为便捷，经济性更为显著。

3) 桥梁桩基与斜坡协调变形影响

从图5～图7可见，基坑开挖及支护后，桥梁桩基附近的云图均出现了较为明显的拐点，桩基后的坡体变形增量急剧变小，说明桥梁桩基对附近区域的坡体变形产生一定的抑制作用，并与坡体发生了协调变形。

4 结束语

结合某高架桥下基坑开挖案例，本文尝试采用强度折减有限元方法分析基坑开挖引发的斜坡稳定性对邻近高架桥桩基变形的影响，得出如下结论：

1) 强度折减有限元法能够考虑开挖施工过程对斜坡稳定性的影响，能够计算出开挖支护后边坡稳定安全系数，能够较为准确地计算出坡体与桩基协调变形量，并较为真实地模拟其变形发展趋势，计算过程中有2点值得特别关注：一是拟合实际情况试算选取合理的岩土体力学参数，使计算结果更接近实际情况；二是开挖及支护的变形影响分析中，采用计算的位移增量，应避免误读累积位移量导致研判依据失真。

2) 基坑开挖首先要保障基坑边坡的稳定性，防止因其失稳导致邻近桥梁结构受损。但即便是基坑边坡稳定，坡体及其邻近桥梁基础仍可能发生较大的变形，变形能否致使桥梁结构出现安全隐患，有必要从基础变形及其导致的桥梁结构内力变化等方面，对桥梁结构进行专项安全评估。

3) 当邻近桥梁等重要结构物时，除保障基坑边坡稳定以外，基坑开挖及支护方案比选，还可从控制变形的角度，结合施工便捷性、经济性等方面进一步研究。