桩孔开挖对滑坡体上桥梁桩基的影响分析

马定乐,李清,卢浩

(1.广东交通实业投资有限公司,广东 广州 510000;2.广东交科检测有限公司,广东 广州 510550;3.广东华路交通科技有限公司,广东 广州 510420)

在山区高速公路建设过程中,为了避免对山岭进行大填大挖,大量的桥梁修建在不同地层天然斜坡上,而受斜坡体本身地层环境、大气降雨及桥梁荷载等多种因素影响,有些斜坡体逐渐变得不稳定,甚至引发滑坡、崩塌等地质灾害,使得边坡上的桥梁桩基等结构产生不同程度的病害。目前对于这类桥梁出现的问题,较多采用抗滑桩进行边坡加固[1-2],然而抗滑桩在施工过程中对斜坡桥梁桩基等结构物的影响又很难把握,开挖必然会对其邻近构筑物产生影响,可能对邻近结构物带来一定的安全隐患。对此,国内外研究学者对开挖施工影响邻近桩基等结构物进行了大量研究。

目前国内外通常采用理论分析、现场监测、模型试验、数值模拟计算等手段对开挖施工影响邻近桩基的机制开展研究,并取得了不少有实效的应用成果。崔新军等[3]对基坑开挖时对基桩的影响进行了研究,指出可以采取降水固结法、分层开挖和留坡稳定的方法。鲁宏等[4]利用有限元软件来模拟不同情况下深基坑开挖对工程桩的影响。杨敏等[5]根据有限元法,分析了不设支护措施情况下基坑开挖对桩基的影响,对于基坑开挖施工时对邻近桩基的影响提出了一些有价值的建议。徐情根等[6]对深基坑开挖对坑底基桩的影响做了研究。王翠[7]等通过使用弹塑性有限差分法,对依托工程基坑开挖过程进行数值模拟,研究了深基坑开挖对于邻近桩基的影响,分析了基坑维护结构的刚度和土体强度等对控制土体变形的作用。张治国等[8]基于Pasternak地基模型,推导了隧道开挖与邻近桩基相互作用的简化解,并对监测数据和离心试验数据进行了对比分析,发现考虑桩侧土体三维作用效应解析解模型更加准确。钟悦鹏等[9]利用Midas研究了不同加固方法情况下河道开挖对桥梁桩群的影响,表明高压旋喷桩加固后右侧桥梁群桩水平位移几乎为零。张天赐等[10]采用ABAQUS数值模拟和试验手段,对比分析了隧道基坑不同开挖形式对既有桩位移和应力的影响。

上述研究成果主要集中体现了隧道、基坑等开挖对邻近桩基的影响分析,但对于边坡加固施工对边坡上部桥梁桩基的影响研究相对较少,且该类桥梁桩基础的承载机理和受力分析计算方法与平地常规桩基相比差异较大[11-12]。为此,本文以斜坡桥梁为例,通过现场监测和数值计算等手段,研究边坡加固过程中桩孔开挖对滑坡体上桥梁桩基的影响,为类似工程提供参考。

1 工程概况

本研究依托工程大桥属于典型的斜坡桥梁。由于修建该大桥时,桥下滑坡出现了局部滑移的现象,修建桥梁前对该滑坡进行过专项治理,主要治理方案是沿滑坡体前缘设计了24根抗滑桩和滑坡面上设置排水沟,并进行后续监测,随后边坡逐渐趋于稳定,因此监测随即停止。后又发现该大桥0#桥台位置的桥梁下垫块多处被推移破坏,桥梁与路基搭接处出现多处裂缝,且桥梁伸缩缝处出现挤压现象,判断该滑坡有复活的迹象,监测重新启动。为了使桥梁所在处的边坡更加稳定,在桥梁下部靠近桥梁桩基的位置设计20根抗滑桩进行加固。在抗滑桩的施工过程中桥梁变形加剧,桥梁上部结构和下部结构都出现不同程度的破坏。

1.1 地形、地貌和水文

依托工程周边为低山地和河谷地貌,地形起伏大、地质条件差。“V”形沟谷发育,沟谷斜坡基岩裸露,沟底基岩埋深较浅。桥梁位于台阶式斜坡地带,植被发育。滑坡区两侧为稳定山体,基岩出露,岩性以千枚岩为主,风化严重。滑坡区前缘为河道,漂卵石覆盖较薄,局部基岩出露。该区域地下水主要有基岩裂隙水和第四系松散层孔隙水,深度在1.3～1.7 m之间。

1.2 地层

勘察揭露地层主要有人工填筑土、第四系残坡积层、滑坡堆积层、基岩。

(1)人工填筑土。包括路基土和人工填筑的粉质黏土。路基土即高速公路路基填筑土,多为粉质黏土夯填,结构密实。受雨水入渗和自然因素的影响,在0#桥台处局部沉陷,导致桥台圬工破损。人工填筑粉质黏土主要是弃渣,以黏性土为主,含少量碎石,结构松散,厚度在3.5 m以内。

(2)第四系坡积层。主要以粉质黏土、碎石土为主,一般为重力搬运而成,土质呈黄色或灰白色。黄色为千枚岩风化物,风化严重,土质不均匀,结构疏松。

(3)滑坡堆积层。地层岩性以粉质黏土、碎石土为主。粉质黏土发育在滑坡前缘表层,为千枚岩风化物搬运而成,结构由上至下越来越致密,下部夹杂碎石颗粒,土体结构致密。碎石土为风化的基岩经搬运后形成,粒径一般为0.2～2 m,结构致密,粉质黏土充填。

(4)基岩。揭露的基岩为寒武—奥陶系千枚岩、石英片岩和少量薄层灰岩。表层风化严重,全—强风化厚度9～18 m,局部厚度大。风化后,该层岩体强度差,遇水易溜滑。

1.3 滑坡情况

根据工程地质调绘,滑坡在平面上呈喇叭形,前宽后窄,后缘圈椅状明显,前缘呈扇形,局部形成陡坎。滑坡南北宽为160～210 m,东西长约276 m,总量约4.39×105m3,滑动方向与高速路线走向基本正交。该滑坡在历史上主要发生过三级滑动。第一级滑坡长约276 m,宽约260 m,厚28 m,该级滑动后缘明显,后部滑体剥蚀严重;第二级滑坡长约164 m,宽约160 m,厚14.5 m,千枚岩基岩顶部发生滑动;第三级滑坡长约100 m,宽约210 m,厚约13.4 m,前缘受河道不断下切侵蚀形成临空发生滑动。滑坡总体来说,周界清晰,其中第三级处于蠕动变形阶段,第一、二级处于稳定状态。

2 现场监测内容及结果分析

2.1 监测内容

桥梁监测点的布置主要依据现在变形开裂部位为主,结合下部桥墩垫块变形进行监测。钻孔测斜监测共布设13个点,桥墩垫块变形监测点布置在桥梁东西两侧共8个点,如图1所示。

图1 桥梁垫块监测点布置图

2.2 监测结果分析

桥台处的垫块位移的监测数据分析结果见图2、图3。以第一期监测数据为原始数据,0#桥台和1#桥台的四个监测点从第一期监测到十八期的累积位移基本在±10 mm以内,每次监测位移变化量都在5 mm以内,数据有一定的波动性,波幅都较小,说明这段时间内边坡蠕变对桥梁的影响较小。从十九期监测开始,0#桥台的四个监测点的位移量出现明显的增长趋势。第十九期的监测数据与第十八期的监测数据相比,四个监测点分别增加了20 mm、13 mm、5 mm、12 mm,变形增长显著。后面二十期到二十二期位移变化量与之前相比也有明显的增加。1#桥台的四个监测点在第十八期到二十二期的位移量也出现明显的变化,累积位移量分别增加了8.5 mm、8 mm、6.5 mm、10 mm。位移变化没有0#桥台的明显,但较之前有明显的增加,说明从十八期到二十二期这段时间桥梁出现了明显的变形迹象。

图2 0#桥台监测数据

图3 1#桥台监测数据

测斜孔最初共布设12个点(见图4),但后期抗滑桩工程施工、农田的耕植导致坡体下部的测斜孔大部分都被破坏,只有坡体上部的8、9号测斜孔保存完好,数据完整,其临空向水平位移变化如图5、图6所示。从图中可以看出,在第七期之前8、9号测斜孔各个深度的位移都在30 mm以内,各次监测数据差距不大,说明坡体在这之前处于稳定状态。第七期之后两个测斜孔各个深度的位移量有一定程度的增加,与桥台上垫块的变形趋势一致,特别是0～17 m段,最大位移将近60 mm,而且两个孔反映的情况基本一致,说明坡体出现一定程度的滑移,边坡处于欠稳定状态。

图4 测斜孔布置平面图

图5 8号测斜孔临空向水平位移

图6 9号测斜孔临空向水平位移

经现场调查,桥梁桥台及边坡位移激增的这段时间,刚好与桥下边坡抗滑桩桩孔开挖施工的时间重叠,初步推测桥梁下部边坡抗滑桩的开挖在一定程度上影响了坡体的稳定性,导致边坡出现明显的下滑变形,进而引起桥梁的变形。

3 数值模拟分析

为了更好地验证现场监测分析结果,准确分析抗滑桩桩孔开挖对桥梁变形的影响,通过利用数值模拟软件FLAC建立数值计算模型,模拟抗滑桩开挖施工工况,分析桥梁桩基的内力和位移变化规律。

3.1 模型的建立

(1)FLAC-3D模型。结合桩基础结构受力的特点和FLAC-3D软件对计算资源的要求以及现有的研究资料,模型长度取430.8 m,模型高165 m,模型计算中两侧影响范围皆取15 m,为11.5倍桩径,模型总宽度为30 m。

(2)边界条件。桩周岩土体的模型近似为半空间无限体,将模型底面及侧面X、Y、Z方向位移固定,对桩身顶部施加集中荷载。

根据地勘资料、设计文件和相关经验参数,模型的计算参数如表1、表2所示。

表1 岩土体模型材料参数

表2 桥梁桩基模型材料参数

3.2 模拟结果分析

(1)桩孔开挖前结果分析。开挖前桩基的桩身内力及位移云图如图7、图8所示。斜坡上双桩桥梁桩基的受力及变形特点计算结果如图9所示。由图9可以看出,在桩孔开挖前前桩桩身最大位移为9.86 mm,后桩桩身最大位移为9.65 mm,都出现在桩顶位置,前后桩桩顶位移差别不大,而且前后桩桩身位移在10 m以下部分基本为0。在桩孔开挖前前桩和后桩桩身的弯矩分布情况基本一致,前桩和后桩的桩身最大弯矩都约为1100 kN·m,前后桩桩身弯矩开挖前差距不大,最大弯矩都出现在距桩顶6 m左右的位置。

图7 开挖前模型水平应力云图

图9 开挖前桩身位移弯矩分布图

(2)桩孔开挖后结果分析。桩孔开挖后桥梁桩基础的桩身内力及位移云图如图10、图11所示。当桩孔开挖后前桩和后桩桩身的横向水平位移都有一定程度的增加,开挖桩孔后前桩桩身最大位移为17.19 mm,后桩桩身最大位移为17.12 mm,依然都出现在桩顶位置,距桩顶0～15 m段桩身位移较开挖前有较大幅度的增加;抗滑桩桩孔开挖后前桩和后桩桩身的弯矩较开挖前也都有一定程度的变化,分布情况基本一致,开挖后前桩桩身最大弯矩为1281.4 kN·m,后桩桩身最大弯矩为1076.4 kN·m,最大弯矩都出现在距桩顶6～7 m之间的位置,如图12所示。

图10 开挖后模型水平应力云图

图11 开挖后桩身水平位移云图

图12 开挖后桩身位移弯矩分布规律

表3为不同工况下桥梁桩基前后桩的位移和最大弯矩变化情况,可以看出,前后桩桩身开挖前的位移分别为9.86 mm和9.65 mm,开挖后分别达到了17.19 mm和17.12 mm,桩顶处水平位移均超出规范要求的10 mm,说明对于滑坡体桥梁桩基在下部有桩孔开挖情况下,桩身受桩孔开挖影响明显,变形过大不能满足上部结构要求,造成桥梁结构破坏,必须对桥梁进行加固。前桩和后桩桩身的弯矩在开挖前分别为1114.2 kN·m和1107.5 kN·m,开挖后,弯矩最大值分别达1281.4 kN·m和1076.4 kN·m,前桩桩身弯矩超出设计值1200 kN·m,最大值增加了15%,后桩桩身弯矩最大值减少了3%。说明对于斜坡双桩桥梁桩基,当坡下有桩孔开挖时,前后桩桩身的内力变化较明显,其中前桩内力变化更显著,更易出现病害,这与依托工程中桥梁桩基病害情况分布也是一致的。

表3 不同工况下前后桩弯矩和位移对比分析

4 结论

(1)下部抗滑桩施工是桥梁桩基破坏的主要原因。依托工程大桥属典型山区斜坡上跨桥梁,从桥梁建成至今,该桥梁的监测几乎没有间断,前期监测数据表明该桥梁在开始运营的几年里基本处于间歇性变形状态,然后趋于稳定;桥梁下部抗滑桩施工后,桥梁和边坡的顺坡方向变形都明显加剧,接着桥梁上部结构及下部结构都出现不同程度的病害,说明抗滑桩施工期间坡体出现不稳定是由于坡体下部大面积的开挖,导致坡体上部滑移,引起桥梁变形。

(2)数值模拟结果表明,滑坡体上有桩孔开挖时,对滑坡体上的桥梁有较大影响,对于双排桥梁桩基的情况,前后桩桩身的变形及受力都受到一定影响,前桩受影响更为明显,更易出现病害,与依托工程病害分布情况一致。

(3)当采用抗滑桩方案加固上跨桥梁的滑坡体时,桩位距离桥梁桩基应适当远一些,尽量使用直径较小的圆桩(也可使用微型组合抗滑桩以达到快速施工),可以适当增加桩数。