既有弃土场填土对新建桥梁结构基础的影响和整治方案分析

林楠　周群

摘要：文章以云南省玉溪市北城至研和高速公路玉屏互通匝道桥及其下既有弃土场为例，针对山区高速公路既有弃土场上新建桥梁结构时填土体对桥梁基础的影响进行了研究。采用Midas SoilWorks软件开展连续降雨工况下的边坡渗流-应力耦合分析，计算结果显示填土体对桩基的横向荷载效应十分显著，剪力效应的大小受填土体的最危险滑面位置和土体流动剧烈程度控制，且桥梁桩基的岩土分界处的应力最为集中。同时，为消减桥梁桩基的岩土分界处的应力集中和处理局部陡坡区域的最危险滑动面问题，拟定了以钢花管注浆加固和反压回填为主的综合整治方案，并开展数值分析方法验证，对方案的有效性予以确定。研究成果可为类似工程提供治理思路和参考意见。

关键词：弃土场；应力集中；渗流-应力耦合分析；钢花管注浆法

0引言

在山区高速公路建设中不可避免地会产生大量弃土，因而在公路沿线设置了大量的弃土场。弃土场填土由人工倾填形成，工程性质差，具有强度低、固结性差、非饱和、密度小等特点，水理特性不佳，在降雨等不利条件下易对周围基础设施等构成严重的威胁，一般不作为工程建设用地［1-2］。

但随着山区高速公路建设的快速发展，由于线路规划、地形条件、用地红线等因素的限制，山区高速公路建设中不得不在既有弃土场填土建造新的桥梁结构的情况越来越多，对于山区高速公路的高墩桥梁而言，除了受到填土固结产生的负摩阻力以外，对受弃土场填土体横向荷载的影响也会十分敏感［3］：在固结和降雨渗流作用下，斜坡填土体内部会产生侧向的蠕动变形，由于桥梁嵌岩桩的刚度远大于填土体的刚度，刚度较大的桥梁受到侧向挤压，而通常情况下桥梁结构桩基的水平承载力一般，当填土体的横向荷载超过桩基的水平承载力时，会引起桥梁桩基的位移和开裂，同时桥梁桩基的位移也会联动引发桥梁上部结构发生变位和损伤，这将严重威胁桥梁的安全。

本文以云南省玉溪市北城至研和高速公路玉屏互通匝道桥及其下既有弃土场为例，基于Midas SoilWorks软件的渗流分析和边坡开挖模块，进行降雨入渗条件下的弃土场填土体的数值模拟计算，对桥梁基础受填土体横向荷载的影响情况进行重点分析，并在数值模拟计算的基础上确定了以截排水渗沟、钢花管注浆加固［4-5］、反压回填为主的综合整治方案，将斜坡填土体的蠕动和挤压对桥梁的破坏影响降至最低。本研究可为类似工程提供治理思路和参考意见。

1 工程实例概况

既有弃土场位于云南省弥勒至楚雄高速公路弥勒至玉溪段K118+500右侧冲沟处，地貌类型为构造剥蚀低山缓坡地貌区，属变碳酸盐岩夹碎屑岩岩溶弱发育区。

根据地勘成果，弃土场区域地层岩性如下：（1）填土层主要填料以碎石角砾为主，粒径一般为2～50 mm，含部分粉质黏土和砂岩，回填时间约为两年，回填时经过一定程度的压实，结构稍松散，工程地质性质较差；（2）覆盖层岩性为粉质黏土，属于中等压缩土；（3）基岩层为强风化砂岩，岩芯呈短柱状、块状及少量砾砂状。

既有弃土场填土区地形坡度一般为4%～8%，中部局部形成了高度＞20 m的陡坡。由于线路规划、地形条件、用地红线等因素的限制，新建的云南省玉溪市北城至研和高速公路玉屏互通匝道桥拟沿与既有弃土场长轴相斜交的方向穿过弃土场。匝道桥为预应力混凝土现浇简支箱梁桥，是典型的山区高墩桥梁，梁的计算跨径为75 m，共有9个桥墩位于弃土场填土体上，桩径为1.8 m，其编号为1#～9#。弃土场地质剖面模型如图1所示。

2 填土体对桥梁基础的影响分析

2.1 基于强度折减法的渗流-应力耦合分析

因为斜坡填土体内部会产生侧向的蠕动变形，对本工程建于大规模填土体之上的高速公路的高墩桥梁而言，考虑到高墩桥梁基础对填土体横向荷载影响的敏感性，故而开展填土体对桥梁基础的影响分析研究是决定项目工程成败的关键前提。

在实际项目设计中，对于弃土场的边坡稳定性分析通常是采用极限平衡法（LEM，limit equilibrium method）与工程经验相结合的方式进行分析。极限平衡法是对土体中可能发生的滑动面进行稳定性分析，通常是利用简单的静力学理论求解。在极限平衡法中最常用的是Bishop方法，其计算时考虑了土条之间的相互作用力，是一种改进的圆弧滑动法。Bishop法的基本原理如图2所示。

但由于极限平衡法的刚体假设决定其只能计算边坡内可能破坏面的安全系数，不能预测整个边坡应力分布及位移变化的大小，故常规的极限平衡法的设计方法不满足本项目的分析需求。

强度折减系数法是在现有应力状态下计算安全系数的方法，其对土体的抗剪强度不断地进行折减，在减少强度的同时，反复进行变形系数分析一直到边坡破坏状态为止，从而决定临界破坏面。而根据破坏变形系数基准的假定不同，临界截面的形状也发生变化。强度折减法可以得到填土体边坡内部的应力、应变及位移变化。见图3。

此外，既有弃土场为冲沟形成，填土本身的水理特征不佳，地下水和降雨入渗的作用是决定填土体对橋梁基础影响的不可忽略的重要因素，渗流场和应力场会在坡体内呈现渗流-应力耦合的复杂状态。

因此，本项目拟采用基于强度折减法的渗流-应力耦合分析方法，分析和研究填土体对桥梁基础的影响。

2.2 有限元模型和岩土体参数

本项目根据图1弃土场典型地质剖面，建立有限元模型，共剖分为8 448个单元，8 567个节点，见图4。采用mohr-coulomb模型［6］进行岩土体参数的设置，根据地勘资料和工程经验，弃土场区域地层岩土体的渗流和力学参数如表1所示。

2.3 边坡渗流场分析

采用Midas SoilWorks软件的渗流分析功能对弃土场边坡进行连续降雨工况下的渗流场分析。降雨持续时间为3 d，日降雨量强度为20 mm/d，设置弃土边坡表面为降雨流量边界和溢出边界，节点水头取按地勘成果得到的雨季稳定地下水位，地下水埋深约为8～12 m。

分析得到了稳态时弃土场边坡孔隙水压力等值线图（见图5）和降雨3 d后边坡孔隙水压力等值线图（见下页图6）。

从图5和图6可以看出，未降雨时地下水位以上土体处于非饱和状态，最大的负孔隙水压力达到-27 kPa，地下水位以下土体最大孔隙水压力为120 kPa，等值线形态基本受到地下水界面的控制；在强度为20 mm/d的3 d的连续降雨之后，由于上部填土体主要为碎石土组成，结构较为松散，因而渗透性较好，降雨能迅速渗入坡体，最终在坡面位置，孔隙水压力变为0 kPa，即整个填土体都达到了饱和状态，此时边坡体中，最大孔隙水压力达到128 kPa。

2.4 边坡的渗流-应力耦合分析

以上述弃土场边坡3 d降雨后的渗流场计算结果作为初始条件，利用Midas SoilWorks软件的边坡开挖模块进行强度折减法计算，可得到弃土场边坡的剪切破坏面如图7所示，由坡体内部蠕动引发的桥梁结构应力集中形成的剪力值如图8所示。

由图7和图8的数值计算成果可得到如下结论：

（1）整个模型中桥梁桩基受到的最大剪力位于8#桩，8#桩受到的最大剪力为2 865 kN，9#桩受到的剪力为1 683 kN，其余1#～7#桩受到的剪力为456～902 kN，即填土体由固结和渗流产生的对桩基的横向荷载效应十分显著，这将使桥墩和桩基发生挠曲变形甚至直接破坏，严重威胁桥梁的安全。

（2）从图7可知，填土体的最危险滑面位于8#桩和9#桩所在的局部陡坡区域，该区域的土体蠕动最为强烈，应力最为集中，故图8中8#和9#桩承受的剪力最大，横向破坏最明显；其余1#～7#桩基本呈现出离最危险滑面越远，承受剪力越小的规律。

（3）从图8可知，单个桩基的最大剪应力出现在粉质黏土层和风化砂岩层的分界位置。这是由于整个弃土场模型中，桥梁基础和风化砂岩的弹性模量远大于填土层和粉质黏土层的弹性模量，造成了桥梁桩基岩土分界处的应力集中最为明显。

3 填土体的整治方案研究

3.1 项目拟采用的整治方案

根据前文填土体对桥梁基础的影响分析结果，为了消减桥梁桩基岩土分界处的应力集中和处理8#桩局部陡坡区域的最危险滑面问题，拟采用钢花管注浆加固和反压回填为主的综合整治方案；同时为了减少渗流作用对填土体的影响，拟在填土体末段修筑外围截水渗沟，在填土体内部修筑内部排水沟。

其中，钢花管注浆加固的范围取以每个桥墩为中心，呈边长为25 m的正方形的平面范围。由于埋设长度较长，钢花管采用89 mm×5 mm的无缝钢管，钢花管长度以进入强风化层中2.0 m为原则确定；横向和纵向间距均取为2.5 m，呈梅花形布置。浆液为M30的纯水泥浆，水灰比为1∶1。反压体选择级配良好的碎石土，以4 m为一层，严格分层反压。最终形成的填土体的整治方案见图9。

3.2 整治后的有限元模型和岩土体参数

根据图9的弃土场整治方案剖面，建立有限元模型，共剖分为12 350个单元，13 210个节点，见图10。依据严格的取样试验和工程经验，处理后的弃土场岩土体渗流和力学参数如表2所示。

3.3 治理后填土体对桥梁基础影响的数值分析

同样利用Midas SoilWorks软件对治理后的弃土场进行为期3 d强度20 mm/d的渗流场分析，之后进行渗流—应力耦合分析，得到此时弃土场边坡的剪切破坏面见图11，1#～9#桩基的剪力值分布见图12。

由图11和图12可知，由于反压体的作用，消除了8#桩位置所在的陡坡，最危险滑动面从8#桩位置向下转移，远离了桥梁结构；同时增加了整个边坡体的稳定性，减少了1#～9#桩所在范围填土体的蠕动程度。而钢花管注浆起到了加固填土层和粉质黏土层的作用，保护了桥梁桩基，同时提高了填土层和粉质黏土层的弹性模量，从而减小了桩基在岩土分界层的应力集中。

治理后的1#～9#桥梁桩基的桩身最大剪力为18～141 kN，相比治理前大幅降低，极大地减少了填土体对桩基的横向荷载效应，能满足桥梁设计要求，证明了综合治理方案的可行性。

4 结语

（1）在固结和降雨渗流作用下，斜坡填土体内部会产生侧向的蠕动变形，对山区高墩桥梁基础产生很大的横向荷载影响；桥梁桩基受到的剪力大小受坡体的剪切破坏面控制；桩身应力集中的位置与岩土体和桩基本身的弹性模量差异有关，最大剪应力存在于岩土分界面。

（2）治理方案中，回填反压可以控制最危险滑动面远离桥梁结构，并增加边坡体的稳定性和减轻填土蠕动；钢花管注浆对桥梁桩基有加固保护作用，并能减少桩基在岩土分界层处的应力集中；在填土体末段修筑外围截水渗沟、填土体内部修筑内部排水沟是减轻降雨渗流对填土体不利影响的重要措施。

（3）本研究提出的综合治理措施和基于渗流-应力耦合分析的数值计算方法经本项目工程验证有效，且行业内类似研究案例不多，可为类似工程提供治理思路和参考意见。

参考文献：

［1］沈明祥，罗红明，刘志鵬，等.贵州省六盘水至威宁高速公路弃土场稳定性评估［J］.中国岩溶，2019，38（4）：559-564.

［2］抗兴培，孟凡成，曾 超，等.强降雨条件下弃土场边坡稳定性历程分析［J］.中外公路，2019，39（3）：34-39.

［3］刘 浩，周 宇，樊多震.基于三维数值模拟的弃土场对临近桥梁影响规律［J］.云南水力发电，2021，37（4）：15-19.

［4］成万更.钢花管注浆法在高速公路路基处治中的应用［J］.宁波大学学报（理工版），2009，22（3）：404-407.

［5］成尚锋，张海燕.钢花管注浆技术在填方路基病害处治中的应用［J］.中外公路，2007（4）：36-39.

［6］李广信.高等土力学［M］.北京：清华大学出版社，2004.

作者简介：林 楠（1990—），工程师，主要从事岩土工程勘察设计工作。