既有棄土場填土對新建橋梁結構基礎的影響和整治方案分析

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橋及其下既有棄土場為例，針對山區高速公路既有棄土場上新建橋梁結構時填土體對橋梁基礎的影響進行了研究。采用Midas SoilWorks軟件開展連續降雨工況下的邊坡滲流-應力耦合分析，計算結果顯示填土體對樁基的橫向荷載效應十分顯著，剪力效應的大小受填土體的最危險滑面位置和土體流動劇烈程度控制，且橋梁樁基的巖土分界處的應力最為集中。同時，為消減橋梁樁基的巖土分界處的應力集中和處理局部陡坡區域的最危險滑動面問題，擬定了以鋼花管注漿加固和反壓回填為主的綜合整治方案，并開展數值分析方法驗證，對方案的有效性予以確定。研究成果可為類似工程提供治理思路和參考意見。

關鍵詞：棄土場；應力集中；滲流-應力耦合分析；鋼花管注漿法

0引言

在山區高速公路建設中不可避免地會產生大量棄土，因而在公路沿線設置了大量的棄土場。棄土場填土由人工傾填形成，工程性質差，具有強度低、固結性差、非飽和、密度小等特點，水理特性不佳，在降雨等不利條件下易對周圍基礎設施等構成嚴重的威脅，一般不作為工程建設用地［1-2］。

但隨著山區高速公路建設的快速發展，由于線路規劃、地形條件、用地紅線等因素的限制，山區高速公路建設中不得不在既有棄土場填土建造新的橋梁結構的情況越來越多，對于山區高速公路的高墩橋梁而言，除了受到填土固結產生的負摩阻力以外，對受棄土場填土體橫向荷載的影響也會十分敏感［3］：在固結和降雨滲流作用下，斜坡填土體內部會產生側向的蠕動變形，由于橋梁嵌巖樁的剛度遠大于填土體的剛度，剛度較大的橋梁受到側向擠壓，而通常情況下橋梁結構樁基的水平承載力一般，當填土體的橫向荷載超過樁基的水平承載力時，會引起橋梁樁基的位移和開裂，同時橋梁樁基的位移也會聯動引發橋梁上部結構發生變位和損傷，這將嚴重威脅橋梁的安全。

本文以云南省玉溪市北城至研和高速公路玉屏互通匝道橋及其下既有棄土場為例，基于Midas SoilWorks軟件的滲流分析和邊坡開挖模塊，進行降雨入滲條件下的棄土場填土體的數值模擬計算，對橋梁基礎受填土體橫向荷載的影響情況進行重點分析，并在數值模擬計算的基礎上確定了以截排水滲溝、鋼花管注漿加固［4-5］、反壓回填為主的綜合整治方案，將斜坡填土體的蠕動和擠壓對橋梁的破壞影響降至最低。本研究可為類似工程提供治理思路和參考意見。

1 工程實例概況

既有棄土場位于云南省彌勒至楚雄高速公路彌勒至玉溪段K118+500右側沖溝處，地貌類型為構造剝蝕低山緩坡地貌區，屬變碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶弱發育區。

根據地勘成果，棄土場區域地層巖性如下：（1）填土層主要填料以碎石角礫為主，粒徑一般為2～50 mm，含部分粉質黏土和砂巖，回填時間約為兩年，回填時經過一定程度的壓實，結構稍松散，工程地質性質較差；（2）覆蓋層巖性為粉質黏土，屬于中等壓縮土；（3）基巖層為強風化砂巖，巖芯呈短柱狀、塊狀及少量礫砂狀。

既有棄土場填土區地形坡度一般為4%～8%，中部局部形成了高度＞20 m的陡坡。由于線路規劃、地形條件、用地紅線等因素的限制，新建的云南省玉溪市北城至研和高速公路玉屏互通匝道橋擬沿與既有棄土場長軸相斜交的方向穿過棄土場。匝道橋為預應力混凝土現澆簡支箱梁橋，是典型的山區高墩橋梁，梁的計算跨徑為75 m，共有9個橋墩位于棄土場填土體上，樁徑為1.8 m，其編號為1#～9#。棄土場地質剖面模型如圖1所示。

2 填土體對橋梁基礎的影響分析

2.1 基于強度折減法的滲流-應力耦合分析

因為斜坡填土體內部會產生側向的蠕動變形，對本工程建于大規模填土體之上的高速公路的高墩橋梁而言，考慮到高墩橋梁基礎對填土體橫向荷載影響的敏感性，故而開展填土體對橋梁基礎的影響分析研究是決定項目工程成敗的關鍵前提。

在實際項目設計中，對于棄土場的邊坡穩定性分析通常是采用極限平衡法（LEM，limit equilibrium method）與工程經驗相結合的方式進行分析。極限平衡法是對土體中可能發生的滑動面進行穩定性分析，通常是利用簡單的靜力學理論求解。在極限平衡法中最常用的是Bishop方法，其計算時考慮了土條之間的相互作用力，是一種改進的圓弧滑動法。Bishop法的基本原理如圖2所示。

但由于極限平衡法的剛體假設決定其只能計算邊坡內可能破壞面的安全系數，不能預測整個邊坡應力分布及位移變化的大小，故常規的極限平衡法的設計方法不滿足本項目的分析需求。

強度折減系數法是在現有應力狀態下計算安全系數的方法，其對土體的抗剪強度不斷地進行折減，在減少強度的同時，反復進行變形系數分析一直到邊坡破壞狀態為止，從而決定臨界破壞面。而根據破壞變形系數基準的假定不同，臨界截面的形狀也發生變化。強度折減法可以得到填土體邊坡內部的應力、應變及位移變化。見圖3。

此外，既有棄土場為沖溝形成，填土本身的水理特征不佳，地下水和降雨入滲的作用是決定填土體對橋梁基礎影響的不可忽略的重要因素，滲流場和應力場會在坡體內呈現滲流-應力耦合的復雜狀態。

因此，本項目擬采用基于強度折減法的滲流-應力耦合分析方法，分析和研究填土體對橋梁基礎的影響。

2.2 有限元模型和巖土體參數

本項目根據圖1棄土場典型地質剖面，建立有限元模型，共剖分為8 448個單元，8 567個節點，見圖4。采用mohr-coulomb模型［6］進行巖土體參數的設置，根據地勘資料和工程經驗，棄土場區域地層巖土體的滲流和力學參數如表1所示。

2.3 邊坡滲流場分析

采用Midas SoilWorks軟件的滲流分析功能對棄土場邊坡進行連續降雨工況下的滲流場分析。降雨持續時間為3 d，日降雨量強度為20 mm/d，設置棄土邊坡表面為降雨流量邊界和溢出邊界，節點水頭取按地勘成果得到的雨季穩定地下水位，地下水埋深約為8～12 m。

分析得到了穩態時棄土場邊坡孔隙水壓力等值線圖（見圖5）和降雨3 d后邊坡孔隙水壓力等值線圖（見下頁圖6）。

從圖5和圖6可以看出，未降雨時地下水位以上土體處于非飽和狀態，最大的負孔隙水壓力達到-27 kPa，地下水位以下土體最大孔隙水壓力為120 kPa，等值線形態基本受到地下水界面的控制；在強度為20 mm/d的3 d的連續降雨之后，由于上部填土體主要為碎石土組成，結構較為松散，因而滲透性較好，降雨能迅速滲入坡體，最終在坡面位置，孔隙水壓力變為0 kPa，即整個填土體都達到了飽和狀態，此時邊坡體中，最大孔隙水壓力達到128 kPa。

2.4 邊坡的滲流-應力耦合分析

以上述棄土場邊坡3 d降雨后的滲流場計算結果作為初始條件，利用Midas SoilWorks軟件的邊坡開挖模塊進行強度折減法計算，可得到棄土場邊坡的剪切破壞面如圖7所示，由坡體內部蠕動引發的橋梁結構應力集中形成的剪力值如圖8所示。

由圖7和圖8的數值計算成果可得到如下結論：

（1）整個模型中橋梁樁基受到的最大剪力位于8#樁，8#樁受到的最大剪力為2 865 kN，9#樁受到的剪力為1 683 kN，其余1#～7#樁受到的剪力為456～902 kN，即填土體由固結和滲流產生的對樁基的橫向荷載效應十分顯著，這將使橋墩和樁基發生撓曲變形甚至直接破壞，嚴重威脅橋梁的安全。

（2）從圖7可知，填土體的最危險滑面位于8#樁和9#樁所在的局部陡坡區域，該區域的土體蠕動最為強烈，應力最為集中，故圖8中8#和9#樁承受的剪力最大，橫向破壞最明顯；其余1#～7#樁基本呈現出離最危險滑面越遠，承受剪力越小的規律。

（3）從圖8可知，單個樁基的最大剪應力出現在粉質黏土層和風化砂巖層的分界位置。這是由于整個棄土場模型中，橋梁基礎和風化砂巖的彈性模量遠大于填土層和粉質黏土層的彈性模量，造成了橋梁樁基巖土分界處的應力集中最為明顯。

3 填土體的整治方案研究

3.1 項目擬采用的整治方案

根據前文填土體對橋梁基礎的影響分析結果，為了消減橋梁樁基巖土分界處的應力集中和處理8#樁局部陡坡區域的最危險滑面問題，擬采用鋼花管注漿加固和反壓回填為主的綜合整治方案；同時為了減少滲流作用對填土體的影響，擬在填土體末段修筑外圍截水滲溝，在填土體內部修筑內部排水溝。

其中，鋼花管注漿加固的范圍取以每個橋墩為中心，呈邊長為25 m的正方形的平面范圍。由于埋設長度較長，鋼花管采用89 mm×5 mm的無縫鋼管，鋼花管長度以進入強風化層中2.0 m為原則確定；橫向和縱向間距均取為2.5 m，呈梅花形布置。漿液為M30的純水泥漿，水灰比為1∶1。反壓體選擇級配良好的碎石土，以4 m為一層，嚴格分層反壓。最終形成的填土體的整治方案見圖9。

3.2 整治后的有限元模型和巖土體參數

根據圖9的棄土場整治方案剖面，建立有限元模型，共剖分為12 350個單元，13 210個節點，見圖10。依據嚴格的取樣試驗和工程經驗，處理后的棄土場巖土體滲流和力學參數如表2所示。

3.3 治理后填土體對橋梁基礎影響的數值分析

同樣利用Midas SoilWorks軟件對治理后的棄土場進行為期3 d強度20 mm/d的滲流場分析，之后進行滲流—應力耦合分析，得到此時棄土場邊坡的剪切破壞面見圖11，1#～9#樁基的剪力值分布見圖12。

由圖11和圖12可知，由于反壓體的作用，消除了8#樁位置所在的陡坡，最危險滑動面從8#樁位置向下轉移，遠離了橋梁結構；同時增加了整個邊坡體的穩定性，減少了1#～9#樁所在范圍填土體的蠕動程度。而鋼花管注漿起到了加固填土層和粉質黏土層的作用，保護了橋梁樁基，同時提高了填土層和粉質黏土層的彈性模量，從而減小了樁基在巖土分界層的應力集中。

治理后的1#～9#橋梁樁基的樁身最大剪力為18～141 kN，相比治理前大幅降低，極大地減少了填土體對樁基的橫向荷載效應，能滿足橋梁設計要求，證明了綜合治理方案的可行性。

4 結語

（1）在固結和降雨滲流作用下，斜坡填土體內部會產生側向的蠕動變形，對山區高墩橋梁基礎產生很大的橫向荷載影響；橋梁樁基受到的剪力大小受坡體的剪切破壞面控制；樁身應力集中的位置與巖土體和樁基本身的彈性模量差異有關，最大剪應力存在于巖土分界面。

（2）治理方案中，回填反壓可以控制最危險滑動面遠離橋梁結構，并增加邊坡體的穩定性和減輕填土蠕動；鋼花管注漿對橋梁樁基有加固保護作用，并能減少樁基在巖土分界層處的應力集中；在填土體末段修筑外圍截水滲溝、填土體內部修筑內部排水溝是減輕降雨滲流對填土體不利影響的重要措施。

（3）本研究提出的綜合治理措施和基于滲流-應力耦合分析的數值計算方法經本項目工程驗證有效，且行業內類似研究案例不多，可為類似工程提供治理思路和參考意見。

參考文獻：

［1］沈明祥，羅紅明，劉志鵬，等.貴州省六盤水至威寧高速公路棄土場穩定性評估［J］.中國巖溶，2019，38（4）：559-564.

［2］抗興培，孟凡成，曾 超，等.強降雨條件下棄土場邊坡穩定性歷程分析［J］.中外公路，2019，39（3）：34-39.

［3］劉 浩，周 宇，樊多震.基于三維數值模擬的棄土場對臨近橋梁影響規律［J］.云南水力發電，2021，37（4）：15-19.

［4］成萬更.鋼花管注漿法在高速公路路基處治中的應用［J］.寧波大學學報（理工版），2009，22（3）：404-407.

［5］成尚鋒，張海燕.鋼花管注漿技術在填方路基病害處治中的應用［J］.中外公路，2007（4）：36-39.

［6］李廣信.高等土力學［M］.北京：清華大學出版社，2004.

作者簡介：林 楠（1990—），工程師，主要從事巖土工程勘察設計工作。