黃土沖溝區橋梁下部結構安全影響因素研究

劉 毅 魏 進 馮忠居

(1．西安市市政建設(集團)有限公司，陜西西安 710000; 2．長安大學公路學院，陜西西安 710064)

0 引言

在諸多工程地質災害事故中，滑坡、泥石流位居前二位[1-9］。黃土滑坡是黃土地區最為嚴重的地質災害，據不完全統計，陜西省已發生黃土滑坡1 131處，蘭州地區1 300處，甘肅省東部4 576處[10］;泥石流是水土流失的一種特殊形式，黃土高原地區大范圍災害性泥石流和降雨量關系密切，其活動頻率偏低，但其危害程度巨大，如1933年渭河下游及1981年秦嶺北坡發生的泥石流[11］;我國黃土高原總面積約64萬km2，而水土流失面積高達43萬km2，年輸入黃河泥沙量達16億t，黃土高原的坡耕地及沖溝區域是黃河泥沙的主要來源地[12］。

黃土沖溝是黃土堆積上暫時性線狀水流侵蝕作用形成的溝谷。以溝深、壁陡、侵蝕作用顯著為特征，主要發育在黃土覆蓋較厚以及植被稀少的地區。沖溝多狹而深，深度一般由數米到十幾米，有的達數十米，長度從數百米到數千米。黃土沖溝特殊的溝谷地貌，以及黃土結構疏松、節理裂隙發育且極易遭受暴雨和水流侵蝕的特性，決定了沖溝區域滑坡、泥石流及土體流失等災害的頻發，這些地質災害對橋梁的安全帶來了巨大危害[13-15］。本文就上述黃土沖溝區域典型地質災害對橋梁下部結構的影響進行分析，提出了滑坡推力和泥石流沖壓力作用下墩臺及樁基內力計算方法，并提出相應的安全防護技術。

1 滑坡及泥石流對橋梁下部結構穩定性影響的力學分析

橋梁樁基一般不會直接受到外力的影響，但橋梁墩臺受到滑坡推力等外力時，樁基的內力必然增大，若在樁基設計時對此情況考慮不足，樁基可能會因為配筋不合理而開裂。因此，首先應分析橋梁墩臺所受外力對墩柱的影響，再將墩臺受到的外力疊加至樁身，進而計算樁體的內力。

圖1為常見橋梁典型斷面形式，橋梁墩臺受到的滑坡推力和泥石流沖壓力屬偶然荷載，出現幾率小，強度驗算時不考慮車輛荷載作用，在不利工況下其受力模式可簡化為如圖2所示的剛架模式，圖2中P為橋梁上部結構通過支座傳遞下來的汽車荷載，q2為橋梁上部結構自重，q3為滑坡推力或泥石流沖壓力。為計算方便，將汽車荷載P和滑坡推力q3等效轉化為均布荷載，簡化后的受力圖見圖2。

一般情況下，滑坡體影響一側墩柱，而泥石流具有流體性質，故其對兩側墩柱均有影響，兩種外力對墩柱受力彎矩圖見圖3。橋梁蓋梁一般為短懸臂結構，由結構力學，滑坡推力作用下A，B點的彎矩根據式(1)計算，泥石流沖壓力作用下的A，B點的彎矩按式(2)計算，式中帶角標T的量代表受滑坡推力影響下的彎矩值和變量，帶角標C的量代表受泥石流沖壓力影響下的彎矩值和變量。

其中，a為墩臺中心到蓋梁邊緣的距離;b為墩臺中心距;h為墩臺的高度;h1T，h1C分別為滑坡推力和泥石流整體沖壓力在墩臺上的分布高度分別為滑坡推力和泥石流整體沖壓力對墩臺的作用;X1，X2，X3均為中間變量，按式(3)計算。

其中，δij為單位位移系數;Δip為單位荷載位移，二者與結構的尺寸、抗彎剛度EI有關。對于同一結構形式，無論荷載如何變化，δij始終保持不變，而Δip與荷載的大小和位置有關。δij由式(4)求出，ΔipT和 ΔipC分別由式(5)和式(6)求出[16，17］。

滑坡推力q3T采用傳遞系數法計算，見式(7)，式(8)計算，泥石流整體沖壓力按式(9)計算。

滑坡推力:

泥石流整體沖壓力:

其中，γc為泥石流容重，t/m3;Vc為泥石流流速，m/s;g為重力加速度，m/s2;α為泥石流沖壓力方向與墩臺表面的夾角，(°);λ為墩臺截面形狀系數，圓形截面λ=1．0，矩形截面λ=1．33，方形截面 λ =1．47。

式(9)計算的是泥石流整體沖擊力，當泥石流中含有大石塊時，將會對墩臺形成沖擊，雖然泥石流的運行速度緩慢，但由于石塊的體積巨大，其對墩臺的影響不可忽視，泥石流石塊沖擊力按式(10)計算[18］。

其中，E為墩臺的彈性模量，Pa;J為墩臺截面中心軸的慣性矩;L為墩臺高度，m;V為石塊運行速度，m/s;α為石塊運行方向與墩臺表面的夾角，(°);W為石塊重量，t。

將求出的 X1，X2，X3，q3T，q3C及 q3C石代入式(1)和式(2)，即可求得墩臺的最大彎矩值，根據此最大彎矩值可進行配筋和強度驗算。

以上是墩臺在受到各種外力時的內力計算方法，將上述計算過程中的外力q1，q2，q3T，q3C及q3C石疊加至樁頂，即可計算樁基的內力和位移，進而按照計算的結果進行配筋和強度驗算，詳細計算過程見JTG D63-2007公路橋涵地基與基礎設計規范。

2 土體流失對樁基穩定性的影響分析

橋梁樁基是由樁周土的側向支撐的細長型柱體結構，如果沒有側向支撐力或者側向支撐力降低，樁基將在屈曲不穩定性中失效或者破壞，從而可能造成人員傷亡和經濟損失。黃土沖溝區土體流失導致的樁周土體的缺失是影響樁基安全的重要因素，其示意圖見圖4。

樁周土體流失導致了樁基自由長度增加，樁基受到土體側向作用力時的樁身撓曲曲線必然發生變化(見圖4)，同時，樁側土體側向作用力H的大小及作用點位置也發生變化。樁基的承載特性、內力和位移等形狀受到樁基前后土體流失量、樁周土的性質、樁基的材料和尺寸等多種復雜因素影響，下面分三種情況作定性分析。

2．1 樁基位于沖溝斜坡中部，樁基上、下邊坡土體均流失

斜坡坡體發生大面積流失，即樁基前后土體均發生流失，樁基的自由長度增長，土體流失的卸載作用使H值減小，作用點位置降低，樁周土抗力也隨之降低。樁基撓曲曲線第一、二零點位置下移，但樁身撓曲位移量降低;樁身最大彎矩截面位置降低，最大彎矩值減小;樁在地面處橫軸向位移量減小，樁頂處的位移增大;樁周土對樁身的嵌固作用明顯降低，樁基橫軸向承載力及穩定性明顯降低。

2．2 樁基位于沖溝斜坡底部，樁基上邊坡土體流失，下邊坡土體流失不明顯

當樁基位于沖溝斜坡底部，樁基上邊坡土體流失量遠遠大于下邊坡時，樁基的自由長度增長量較第一種情況小，土體流失的卸載作用使H值減小，作用點位置降低，樁周土抗力無明顯變化。樁基撓曲曲線第一、二零點位置下移，下移量較第一種情況小，同時樁身撓曲位移量降低;樁身最大彎矩截面位置降低，最大彎矩值減小;樁在地面處橫軸向位移量減小，樁頂處的位移增大;樁周土對樁身的嵌固作用基本不變，樁基橫軸向承載力及穩定性基本保持不變。

2．3 樁基位于沖溝斜坡上部，樁基下邊坡土體流失，上邊坡土體流失不明顯

當樁基位于沖溝斜坡頂部，樁基下邊坡土體流失量遠遠大于上邊坡時，樁基的自由長度增長量較第一、二種情況均大，H值和作用點位置基本不變，樁周土抗力降低程度較第一、二種情況均大。在這種情況下，樁基撓曲曲線第一、二零點位置下移，下移量較第一種情況大，同時樁身撓曲位移量增大;樁身最大彎矩截面位置降低，最大彎矩值明顯減小;樁頂處及樁在地面處橫軸向位移量明顯增大;樁周土對樁身的嵌固作用顯著降低，致使樁基橫軸向承載力及穩定性顯著降低。

綜上所述，當樁基位于沖溝坡體不同位置時，土體流失對樁基橫軸向承載力及穩定性的影響量亦不同。具體如下(式中角標代表樁基在斜坡的位置):

樁側土體作用力減小量ΔH:ΔH底＜ΔH中＜ΔH頂;

樁基自由長度減小量 ΔL:ΔL頂＜ΔL中＜ΔL底;

樁基撓曲曲線第一零點位置降低量Δl:Δl底＜Δl中＜Δl頂;

樁基最大彎矩值降低量 ΔMmax:ΔMmax頂＜ ΔMmax中＜ ΔMmax底;

樁頂橫軸向位移增大量 Δx:Δx底＜Δx中＜Δx頂;

樁基橫軸向承載力減小量ΔR:ΔR底＜ΔR中＜ΔR頂;

樁基穩定程度減小量ΔW:ΔW底＜ΔW中＜ΔW頂。

3 安全防治技術

3．1 滑坡防治技術

3．1．1 改善坡形和填筑反壓

改善坡形，削方卸載，減小下滑推力對滑坡前部加載(反壓)，以增加抗滑力;對滑坡后部(主滑段和牽引段)削坡減重，以減少下滑力，最終達到穩定滑坡目的。

3．1．2 排水措施

設置截水溝、排水溝、急流槽等防止雨水入滲和減少雨水對坡面的沖刷侵蝕。3．1．3 支擋

支擋是工程處治措施中用得最多的一種形式，共有三大類:1)利用自身重量抵抗下滑的重力式抗滑擋土墻;2)利用巖體錨固力抵抗下滑的錨桿(錨索)柱板式擋土墻;3)利用自身抗彎強度抵抗下滑的抗滑樁、板式擋土墻。

3．2 泥石流防治技術

3．2．1 橋位的選擇

盡量避免將橋墩設置在沖溝高陡夾石邊坡的下緣位置，橋位避免選在山坡下的變坡點上，最好應選在山坡上，以利于泥石流的排泄。

3．2．2 橋梁設計原則

盡量不在泥石流流動區域內設置橋墩，采用一孔跨越是最為理想的措施。在橋墩迎水方向前端采用具有分流作用的防撞擊措施。還應充分考慮泥石流對橋墩的沖刷掏空橋梁基礎的問題。3．2．3 生物措施

保護與營造森林、灌木叢和草本植被，開發先進的農牧業技術和進行科學的山區土地資源開發管理等全流域綜合治理措施。3．2．4 排導措施

排導措施主要包括槽、堤和壩三大類型。V形固床槽多用于泥石流形成區，起固定溝床、穩定山體、減少崩塌、滑坡和河床堆積物參與泥石流活動的作用。修建排洪道和導流堤用于泥石流沉積區，具有改善流速、引導流向的功能。

3．2．5 防護工程

防護工程主要有:防撞墩、護坡、擋墻、順壩、丁壩以及鋼筋(竹)石籠等設施，必要時可以設置多道攔擋設施或與攔排措施相結合，綜合處治，以保證橋梁墩臺及基礎的安全使用。

3．3 水土流失防治技術

3．3．1 坡面植被防護

坡面植被防護包括:骨架植草護坡、直接植草(灌木)土工合成材料加筋植草護坡、噴播植草護坡等。

3．3．2 坡面工程防護

工程護坡一般采用框格、抹面、捶面和噴漿、坡面護墻等，框格防護用混凝土、漿砌片(塊)石等材料，在邊坡上形成骨架，提高了邊坡表面粗糙度系數，減緩了水流速度，從而防止土體流失。

4 結語

1)建立了橋梁下部結構在滑坡推力和泥石流沖擊力作用下的簡化計算模型，提出了墩臺和樁基內力的計算方法，應用此法可驗算墩臺和樁基的強度和位移。

2)對比分析了水土流失后樁基分別位于沖溝斜坡底部、中部和上部時的性狀，包括:樁側土體作用力、樁基自由長度、撓曲曲線第一零點位置、最大彎矩值降低量、橫軸向位移增大量、橫軸向承載力減小量、穩定程度減小量等性狀。

3)提出了針對黃土沖溝區域滑坡、泥石流和水土流失的防治技術。

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