机场高填方边坡对既有桥梁桩基的稳定性影响分析

陈 涛

（上海民航新时代机场设计研究院有限公司广州分公司，广东 广州 510400）

0 引言

随着“民航十三五规划”的开展，航空运输因其便捷、快速的特点，得到了广泛的应用和发展，我国机场建设也迎来大发展阶段，众多机场面临扩建。针对我国西南地区限制于净空、区域发展等要求，较多机场建于山区，山区自然地形条件不能很好满足机场建设的需要，普遍采用高填方形式填筑机场，机场在扩建工程高填方边坡填筑施工中，不可避免地受限于现状建构筑物的影响，若处理不好，极易造成边坡失稳、现状建构筑物损毁等，且易引发次生灾害。因此研究评价机场高填方边坡对既有建构筑物的影响具有重要的实践意义。本文依托西南地区某高填方机场扩建工程，分析研究机场高填方边坡对既有桥梁桩基的影响。

针对机场高填方边坡，许多专家学者进行了试验研究并取得了重要研究成果［1-3］，侯俊伟等［4］以西南某机场高填边坡工程，通过大型直剪试验结合数值模拟，研究了顺坡填筑砂泥岩碎块石土边坡工程的稳定性；吴红刚等［5］从变形机理和控制技术两个方面研究了覆破体结构类型、降雨、填料特性、施工工艺等因素对高填方边坡稳定性的影响及变形控制效果；韩文喜等［6］以九寨黄龙机场为例，从天然状态、降雨状态、地震状态三个方面，分析研究了高填方边坡的安全稳定性。

以上研究主要针对高填方边坡自身稳定性进行研究分析，针对机场高填方边坡对既有建构筑物影响的研究很少，因此本文依托某机场在建工程，通过数值模拟分析高填方边坡对既有桥梁桩基的影响，并提出相关处理方案，确保在高填方边坡施工过程中，既有桥梁桩基的安全稳定。研究成果可为类似工程建设提供参考。

1 工程概况

我国西南地区某机场，位于青、藏、滇、缅、印度巨型“歹”字型构造体系西支中段弧形构造带，该区域由高黎贡山－三台山弧形构造带、腾冲－梁河弧形构造带和槟榔江弧形构造带形成了构造的基本骨架。本次扩建工程拟建场地位于机场北端现有灯光带两侧以及北沿线区域。场区总体地形东高西低，南北高中间低，最高点位于场区北东侧山顶，高程 2 066 m，最低点位于场区西侧转山沟，与机场连接线高架桥相交的位置，高程1 727 m，高差达 339 m。与机场连接线高架桥相交的位置填方边坡高度最高处达 140 m。高填方边坡区域典型工程地质坡面图如图 1 所示。

图1 工程地质剖面图

在机场最大边坡坡脚处存有已建且已投入运营的高架桥，高架桥走向与边坡坡脚线方向基本一致，如果处理不好高填方边坡与高架桥之间的影响关系，在施工阶段及后期运行阶段，势必带来较大的安全隐患，因此有必要对其进行分析研究。

2 有限元模拟

为了分析机场高填方边坡施工过程中对既有桥梁桩基的影响，研究桥梁桩基的受力变形状态，利用岩土工程有限元分析软件 Midas-GTS NX 进行模拟。模拟分析高填方边坡坡脚位置距离桩基不同距离（5、10、15、20、25 m），高填方边坡的稳定性及桥梁桩基的受力变形特点。

基于以上条件，利用有限元分析软件 Midas-GTS NX 进行建模。其中边坡填筑体、粉质黏土层、全风化花岗岩层、强风化花岗岩层、桥墩及承台采用 3D 实体单元进行模拟，桩基采用梁单元进行模拟，为分析桩基与周围土体受力变形关系，建立桩截面单元。模型共有 406 894 个单元，桩基与边坡位置关系及桩基模型如图 2、3 所示。

图2 桩基与边坡位置关系

本文数值模拟，采用施工阶段进行模拟，共分为三个阶段，第一阶段为初始状态，即原始地貌状态；第二阶段为桥梁建设阶段，为桥梁桩基、承台、桥墩等施工完成，且设置成桥荷载；第三阶段为边坡施工阶段，为填筑体施工完成，且设置边坡荷载。各材料参数如表 1 所示，桩基最终剪力 180 kN/m2，剪切刚度模量 200 000 kN/m3，法向刚度模量 20 000 000 kN/m3。

材料 γ/（kN·m-3） E/GPa μ c/GPa φ/°粉质黏土层 18 0.02 0.3 27 15全风化花岗岩层 20.09 0.0226 0.23 10 25强风化花岗岩层 24.89 5.48 0.19 150 37边坡填筑体 18.13 0.02 0.3 35 25承台 26 34 0.25桥墩 26 34 0.25

3 模拟结果分析

3.1 边坡与桩基相互作用机理分析

边坡施工期间，土体会发生横向变形，该变形会向边坡临空面方向传递，进而传递到附近的桥梁桩基，但是桥梁桩基的刚度要远大于土体刚度，因此桩基会对土体的横向位移变形的传递起到抑制作用。在桩基两侧存在了压力差，进而导致桩基发生水平侧向位移。桩基在侧向移动过程中，土体对桩基的作用逐渐减小，而另一侧土压力则逐渐增大，直至达到新的平衡状态［7］。

3.2 边坡稳定性分析

分析 5 种工况（距离分别为：5、10、15、20、25 m）下边坡稳定性情况。5 种工况下边坡稳定性均满足规范要求，随着距离的增大，边坡稳定安全系数逐渐减小，选取距离为 5 m、25 m 两种工况，边坡水平方向（X方向）位移云图，如图 4、5 所示。分析云图，最大水平位移均发生在坡脚位置。分析距离 5 m 工况云图，最大位移发生在桩基之间，桩基对桩前边坡位移有明显抑制作用，验证了前文所述桩基对土体的横向变形的传递起到抑制作用；分析距离 25 m 工况云图，坡脚最大水平位移抑制，不存在距离 5 m 工况下的桩基之间位移加大的情况，说明在此距离下，可忽略桩基对土体的抑制作用，反向也验证可忽略边坡对桩基的影响。

图4 距离 5 m 水平方向（X 方向）位移云图

图5 距离 25 m 水平方向（X 方向）位移云图

3.3 桩基水平方向位移情况

高填方边坡施工完成后，高填方边坡坡脚距桩基不同距离下，桩基水平向位移云图，分别选取距离为 5、10、15、20、25 m 5 种情况下桩基最大水平位移，桩基最大水平位移随距离变化曲线如图 6 所示。距离 5 m 时，桩基最大水平位移为 9.17 m，个别桩出现倾覆，桩基与承台脱离；距离为 10 m 时，桩基最大水平位移为 6.07 m；距离为 15 m 时，桩基最大水平位移为2.37 m；距离为 20 m 时，桩基最大水平位移为 0.82 m；距离为 25 m 时，桩基最大水平位移为 0.13 m。

图6 距离与最大水平位移的回归曲线

分析上述 5 种工况下桩基水平位移响应结果，表明：最大位移均发生在桩顶位置，桩基距离边坡坡脚位置越近，桩基水平位移越大，越远水平位移越小，且水平位移减小速率随距离的增大而减小，最终呈现出收敛状态；安全距离＞25 m。

4 结语

本文依托西南地区某机场扩建工程高填方边坡为研究对象，针对机场新建高填方边坡对既有桥梁桩基的安全性影响，采用数值模拟方法，分析不同坡脚与桩基间距，桩基受力变形特点，主要结论如下。

1）桩基与边坡相互作用，边坡对桩基有较大的水平侧向推力，同时桩基对土体的横向位移变形的传递起到抑制作用。

2）在实际工程中，为保证既有桩基的安全，边坡坡脚与桩基的间距需＞25 m。

3）在边坡施工过程中，在监测边坡稳定性的同时，要对桩基水平位移及竖直位移进行监测，如果出现变形过大或位移突变情况，要立即停止施工，分析原因并有针对性采取相关措施确保桩基安全。

4）在实际工程中，受限于用地红线及现状地质情况等因素限制，不能保证桩基与边坡有足够的安全距离，可在坡脚位置设置抗滑桩等措施以此来保证桩基的稳定性。Q