山区陡坡桥梁桩基受力分析及安全评价

张洁ZHANG Jie；曾金明ZENG Jin-ming；游姗YOU Shan；付小红FU Xiao-hong

（①武昌工学院，武汉 430065；②中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉 430056）

0 引言

陡坡桥梁桩基合理性设计的前提是陡坡桩基承载力的确定[1-4]、桩基荷载效应分析。有很多学者对平地桩基进行研究，张友良[5]等研究抗滑桩与滑坡体间的相互作用机理，提出了极限平衡法和有限单元法相结合的方法来模拟抗滑桩与滑坡体之间相互作用。杨涛[6]等提出了基于定点剪出稳定性核算为基础的滑坡推力分布形式分析计算方法。陈迪[7]等采用p-y 曲线法对砂土与粘土中侧向受荷桩进行非线性分析，分别通过有限差分法与迭代方式对粘土与砂土中侧向受荷桩的受力形式进行分析计算。刘晶波、杜义欣、闫秋实[8]以ANSYS 为例，给出了粘弹性人工边界及其地震动输入在大型通用有限元软件中的简便实现途径，对其他有限元软件在程序中的实现也有一定的参考价值。苏连虎[9]以工程实例为背景，对陡坡桩基进行方案对比，从安全、经济、适用、环保四个方面进行对比分析，对陡坡桥梁的建设提供了参考价值。张伟[10]对复杂山区地带高山陡坡稳定进行分析，并以工程实例为研究对象，分析在实际施工过程中需要注意的事项及应用效果，为实际工程设计提供参考。对于陡坡段桥梁的桩基由于所受的荷载和地质条件不同，其受力情况与平地桩基不同，故本文对陡坡桥梁的桩基受力方式进行分析。

1 陡坡桥梁桩基受力形式分析

1.1 竖向荷载作用下陡坡桥梁桩基受力形式分析

桩基的承载力由桩端摩阻力和桩侧摩阻力两部分共同承担，位于陡坡上的桥梁桩基在承受竖向荷载作用时，其承载力也由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承担，只不过在承受竖向荷载时桩侧摩阻先发挥作用，当桩侧摩阻力完全发挥作用后仍不足以承担竖向荷载时，桩端阻力开始发挥作用。

1.2 横向荷载作用下陡坡桥梁桩基受力形式分析

陡坡桥梁桩基在水平荷载作用下，承载力由桩身和桩周土体共同承担，只不过在桩基刚受到水平荷载时，桩身自身发生变形来抵抗水平荷载，随着水平荷载的增大，桩身变形也随之增大，桩身变形会挤压周边的土体引起土体变形，当桩身变形过大或者土体的变形过大时，桩周土体强度不足导致失稳破坏。

1.3 组合荷载作用下陡坡桥梁桩基受力形式分析

组合荷载是指陡坡桥梁桩基既受到竖向荷载的作用也受到水平荷载的作用，如桩基既有桥梁自重的竖向荷载也有地震水平荷载作用。陡坡桥梁桩基在组合荷载作用下，受力形式不是简单竖向荷载和水平荷载叠加，其受力分布复杂。

2 陡坡桥梁桩基地震响应分析

2.1 有限元模型

采用ANSYS 软件对一工程实际桥梁的桩基进行分析，考虑桩周土对桩基的影响，分别建立无桩基的陡坡模型和考虑桩土相互作用有桩基模型，坡度为1:1，陡坡高度为30m，桩的入土深度为20m，桩基础位于陡坡段的中间位置，以集中质量的形式考虑上部结构对桩基的作用。陡坡示意图如图1 所示。

图1 陡坡示意图

2.2 地震振幅对陡坡桩基地震响应影响

本文选取1940,EI Centro Site，270 Deg（EI Centro 波）地震波进行输入进行地震响应分析。地震振幅是描述地震波的三要素之一，其大小决定了地震的强度，为了研究不同地震波振幅下陡坡桩基地震响应，对有桩基模型和无桩基模型分别输入不同的地震加速度峰值，其值分别为0.1g、0.15g、0.2g、0.25g、0.3g，以此来分析了不同振幅时地震动作用下陡坡上坡顶和坡脚的位移变化。表1 为不同地震振幅下的坡顶和坡脚的位移值，图2 为不同地震振幅下的坡顶和坡脚位移曲线图。

图2 坡顶和坡脚位移曲线图

由表1 和图2 可知，①随着地震波振幅的增加，两种计算模型的坡顶位移和坡脚位移都随着增大。

表1 坡顶和坡脚的位移值

②两种计算模型下的坡顶位移均大于坡脚位移，地震波振幅为0.1g，有桩基时坡顶位移是坡脚位移的1.37 倍，无桩基时坡顶位移是坡脚位移的1.33 倍；地震波振幅为0.2g，有桩基时坡顶位移是坡脚位移的1.31 倍，无桩基时坡顶位移是坡脚位移的1.36 倍，地震波振幅为0.3g，有桩基时坡顶位移是坡脚位移的1.19 倍，无桩基时坡顶位移是坡脚位移的1.38 倍。

③无桩基时的坡顶位移和坡脚位移大于有桩基时的坡顶位移和坡脚位移，这是因为坡体中有桩基作用时，可以增加坡体的整体稳定性和刚度，从而减小变形。

图3 为地震波振幅对陡坡位移的影响率曲线，由图3 可知，①地震波振幅对有桩基陡坡位移的影响比无桩基时的大。地震波振幅为0.15g 时，有桩基和无桩基时陡坡位移的影响率为13.55%和8.77%；地震波振幅为0.2 时，有桩基和无桩基时陡坡位移的影响率为28.63%和15.76%；地震波振幅为0.25g 时，有桩基和无桩基时陡坡位移的影响率为37.71%和27.74%；地震波振幅为0.3g 时，有桩基和无桩基时陡坡位移的影响率为43.58%和35.07%。

图3 地震幅度对陡坡位移影响率

②对于有桩基模型，地震波振幅对坡脚位移的影响比对坡顶位移的影响大，地震波振幅为0.15g 时，坡顶位移和坡脚位移的影响率为13.55%和26.39%；地震波振幅为0.2g 时，坡顶位移和坡脚位移的影响率为28.63%和34.61%；地震波振幅为0.25g 时，坡顶位移和坡脚位移的影响率为37.71%和44.74%；地震波振幅为0.3g 时，坡顶位移和坡脚位移的影响率为43.58%和65.20%。对于无桩基模型，地震波振幅对坡顶位移的影响比对坡脚位移的影响大。

2.3 坡率对陡坡桩基地震响应影响

为了分析坡率对陡坡桩基地震响应的影响，分别建立坡率为1∶1.25、1∶1 和1∶0.75 的陡坡模型，表2 为不同坡率下坡顶和坡脚的位移值，图4 为不同坡率下坡顶和坡脚位移曲线图。

图4 坡顶和坡脚位移曲线图

表2 坡顶和坡脚的位移值

由表2 和图4 可知，①随着坡率的增大（从1∶1.25 到1:0.75），坡顶位移和坡脚位移也随之增大。比如，有桩基模型坡率为1∶1.25 时为坡顶位移为0.0675m，坡率为1∶1 时坡顶位移为0.0835m，坡率为1∶0.75 时坡顶位移为0.0870m。

②坡率对坡脚位移的影响大于对坡顶位移的影响，坡率从1∶1.25 到1∶1，有桩基和无桩基模型坡脚位移的增长率分别为30.85%和26.33%，坡顶位移的增长率为23.72%和21.61%；坡率从1∶1 到1∶0.75，有桩基和无桩基模型坡脚位移的增长率分别为7.99%和12.86%，坡顶位移的增长率为4.13%和8.07%。

3 陡坡桩基的安全评价

3.1 陡坡桩基风险识别

钻孔基础的施工从钻孔施工、泥浆护壁、钢筋笼的下放和混凝土的灌注等阶段进行质量控制。钻孔灌注桩施工顺序：场地平整→钻孔桩定位→护筒的制作和埋设→泥浆制作→钻机就位→钻孔作业→清空→钢筋笼的制作与吊装→水下混凝土灌注→桩身质量检测。

山区陡坡上的桩基在施工的过程中经常会出现大切大挖的现象，会引起坍塌和滑坡事故，造成很严重的人员伤亡和经济损失，所以在桩基的施工中应该防治滑坡。桩孔护壁能够保证钻孔灌注桩安全施工，如果护壁工作不到位，容易造成塌孔情况的发生，如果施工不当或者施工没有严格按照规程要求，会造成桩孔垂直度不够，导致后续钢筋笼的下放以及混凝土的浇筑不能顺利进行。桩孔周围没有进行有效防护，没有对危险源设置安全标识，这样就很容易造成杂物和人畜的坠入。

根据现场情况和施工方案，在桩基的施工中，崩塌、滑坡、塌孔、淹孔、桩孔垂直度不够、桩周无安全防护措施、孔内坠物、混凝土的灌注质量以及钢筋笼的连接等风险因素都有可能造成事故。结合本工程的地形地质条件和桩基的施工工艺，选择滑坡、塌孔、混凝土的灌注质量、桩周无防护标识、钢筋笼连接质量和施工机具及设备风险作为风险因素。

3.2 陡坡桩基风险评价

判断矩阵一致性符合要求，桩基权重向量可以接受。通过风险因素识别，得到桩基施工风险因素的排序为：1施工机具及设备风险，2 混凝土的灌注质量，3 滑坡，4 塌孔，5 桩周无防护标识，6 钢筋笼连接质量，施工机具及设备风险和混凝土的灌注质量是桩基施工的主要风险。

3.3 陡坡桩基风险防治

3.3.1 总体措施 在组织方面，建立组织管理系统，并对工作人员进行培训教育，实行责任到个人，保证施工的顺利进行。在技术方面，对施工重点和难点进行专家方案，并进行技术交底。在管理方面，加强对现场人员、材料机具进行管理，保证安全施工，减少风险事故。在经济方面，保证资金用到实处，对施工工序进行成本计算，采用经济手段保证项目的顺利进行。

3.3.2 专项措施 针对施工机械和设备存在风险，对施工机械设备人员进行定期培训教育，保证操作人员持证上岗，对机械设备进行进场检查，并在使用过程中对机械设备进行定期检查。针对混凝土的灌注质量存在的风险，采取严控原材料的质量，严格执行混凝土的制作和运输规定，保证混凝土的质量，在浇筑前，应对浇筑面进行清理，在浇筑中，按照混凝土的浇筑方案进行浇筑，并且采用机械振捣保证混凝土的浇筑质量。

4 结论

①陡坡桩基在不同的荷载形式下，其受力特点、桩周土的承载性能和桩基破坏形式不同。②无桩基时的坡顶位移和坡脚位移大于有桩基时的坡顶位移和坡脚位移，这是因为坡体中有桩基作用时，可以增加坡体的整体稳定性和刚度，从而减小变形。③随着地震波振幅的增加，坡顶位移和坡脚位移随着增大，并且地震波振幅对有桩基陡坡位移的影响更大；随着坡率的增大，坡顶位移和坡脚位移也随之增大。④相比与平地桩基，山区陡坡桩基在施工的过程中会面临更多的风险，为了保证陡坡桩基的安全施工，需对施工中存在的风险因素进行识别、评价，并对其进行风险评价。