黃土高邊坡區域橋基臨坡距影響及施工技術研究

摘 要：本文基于某大橋實際工程，通過ABAQUS建立模型計算，研究了不同臨坡距對邊坡穩定性和樁-土接觸狀態的影響，結果表明，橋基臨坡距小，在潛在滑動面內，會對滑體起阻擋作用。當超過一定距離，橋基對邊坡穩定性無影響，在邊坡極限狀態下，臨坡距過小，橋基與樁前土體脫離。臨坡距較大，邊坡穩定。臨坡距對樁前、樁后土壓力的峰值深度影響較大，在施工前，應該對天然邊坡潛在滑動面位置進行試算，確定滑動面位置，選擇合理臨坡距，橋基選用鉆孔灌注樁，淺層土干孔施工，深層土泥漿護壁鉆孔的方式可保障施工安全。

關鍵詞：黃土高邊坡橋基；臨坡距；數值模擬；ABAQUS

中圖分類號：U 41 " 文獻標志碼：A

黃土是一種特殊土，具有濕陷、多孔隙、弱膠結、浸水強度低等特性，易導致滑坡等災害[1]。黃土地區多溝壑，因此用橋梁形式穿越公路路線是常用的方法。橋基在橋梁上部結構自重荷載和樁周土體不平衡力的作用下，比平地橋基、普通抗滑樁受力形式更為復雜，屬于傾斜受荷[2]。藺鵬臻等[3]根據邊坡上橋基的靜力平衡條件，對橋基的受力及變形進行理論計算，證實邊坡效應對橋基受力有不利影響，導致其頂部位移變大。段瑞芳等[4]運用FLAC 3D研究了邊坡土體缺失對橋基的影響，建立了沖刷作用下的影響函數和邊坡極限承載力評價方法。此外，還有學者研究了橋基臨坡距對邊坡穩定性的影響，并提出了黃土地區施工優化措施[5-7]。本文基于某大橋實際工程，采用ABAQUS軟件進行建模計算，對黃土高邊坡區域橋基在不同臨坡距下的整體穩定性、樁-土接觸狀態進行研究，結合工程實際情況，選用鉆孔灌注樁作為橋基，并對其施工技術進行研究。

1 數值模擬

該橋是高速公路的重點控制工程，橋址區土體主要為第四系覆蓋層，由第四系上更新統馬蘭黃土（Q3eol）、古土壤（Q3eol）、中更新統離石黃土（Q2eol）、中更新統古土壤（Q2eol）構成。地表水不發育，僅雨季存在短暫地表徑流，地下水類型為第四系松散巖類孔隙潛水，地下水較富集，以地下徑流方式向河谷排泄。

基于實際工程，用ABQUS軟件建立邊坡的三維數值模型，如圖1所示。考慮實際工程的復雜性及ABQUS軟件的特性，假定各土層為各向同性的彈塑性材料，忽略施工、地下水等因素的影響，采用改變場變量的方法減少邊坡土體材料的黏聚力和內摩擦角，從而達到強度折減的目的。為保證計算效率和計算結果的有效性，根據對稱性，取三維樁-土有限元模型進深為1/2樁間距，即3.4m，樁-土接觸面以樁剛度為主面，土體為從面，模型底面為全約束邊界，四周為法向約束邊界，對模型施加自重應力場。

邊坡上層土體為黃土，下層為粉質黏土，采用摩爾-庫倫本構模型。橋基為C40混凝土，采用彈性模型。根據該工程的地質勘察報告，結合《工程地質手冊》，選取該邊坡橋基穩定性數值模擬的參數，見表1。

2 橋基臨坡距影響分析

2.1 邊坡穩定性分析

將位移拐點作為失穩判據，對橋基在不同臨坡距的數值模型進行強度折減計算，可得到其極限狀態下的邊坡的塑性應變和總位移，設橋基直徑為D。根據邊坡塑性應變云圖可知，該邊坡潛在滑動面位置離坡面較近，且形狀陡峭。當橋基臨坡距在4D內時，其所處位置在滑動面內，邊坡塑性應變最大處出現在橋基與樁前土體接觸位置，且隨著臨坡距增加呈減少趨勢。而當橋基臨坡距大于4D時，橋基所處位置遠離滑動面，邊坡塑性應變與天然邊坡較為接近。隨著橋基臨坡距增加，邊坡整體穩定性增強，總位移變小，如圖2所示。分析邊坡位移可知，當臨坡距由1D增至2D時，邊坡總體位移減少明顯，在臨坡距超過4D后，邊坡總位移幾乎不發生變化。

臨坡距-邊坡安全系數關系曲線如圖3所示，該黃土邊坡在天然情況下的安全系數為0.93。由于天然邊坡坡度較大，十分陡峭且黃土土質條件相對較差，因此穩定性較差。當橋基臨坡距為1D～3D時，橋基位處滑坡面內，可以起到類似抗滑樁的阻滑作用，邊坡安全系數大于天然邊坡，當橋基臨坡距為4D～5D時，橋基與滑動面相鄰，對其產生了一定擾動，增加了滑坡推力，導致邊坡穩定性降低，安全系數低于天然邊坡，當橋基臨坡距為6D時，對滑體幾乎無影響，因此安全系數與天然邊坡相近。

2.2 樁-土接觸狀態分析

該橋基主要承受由樁前、樁后的不對稱土體和潛在的、有移動趨勢的滑塊造成的樁前土體抗力和樁后土體推力，其內力分布復雜，類似超靜定梁。

根據強度折減后的樁土變形結果可知，邊坡土體和橋基頂部之間出現明顯的脫離現象。橋基整體上部呈彎曲變形狀態，下部呈錨固狀態，類似長抗滑樁變形。樁前土體產生了較為明顯的失穩變形，局部呈現樁土完全脫離的狀態，而樁后土體相對穩定。邊坡土體變形與橋基臨坡距有明顯關系，樁前土體變形比樁后明顯。隨著臨坡距從1D到4D，樁前土體變形逐漸減少，即樁離邊坡越遠，土體越穩定。當臨坡距為1D和2D時，樁和土之間發生了明顯的局部脫開變形，臨坡距4D后，樁前土體與樁的接觸狀態趨于穩定，幾乎沒有脫開變形。

圖4為橋基樁前、樁后的土壓力隨深度的變化，土壓力為0表示樁-土無接觸。樁前土體和橋基的脫開距離隨著臨坡距增加，呈現先減少后逐漸穩定的趨勢。當橋基臨坡距為1D時，其樁-樁前土無接觸狀態深度約為20m，隨著臨坡距增加，其無接觸狀態依次為18.41m、16.64m、14.78m、14.77m和14.76m。

而樁-土接觸壓力變化規律與臨坡距關聯度較少，樁前土壓力均隨著橋基埋深增加呈現先增后減，再逐漸增加的趨勢，且隨著臨坡距增加，樁與潛在滑動面距離變遠，樁前土壓力的第一峰值點深度上移。樁后土壓力隨著深度呈現“M”形變化，在臨坡距超過2D后，其總體變化趨于一致。由于臨坡距增加，橋基逐漸遠離了邊坡潛在滑動面，因此其抑制邊坡滑動的能力逐漸降低。

此外，由于樁前和樁后土體存在不對稱性，因此樁后的土壓力總值要大于樁前土壓力，且隨著臨坡距增加而逐漸接近。不同臨坡距時的邊坡在極限狀態下，橋基前后總土壓力如圖5所示。由圖5可知，隨著臨坡距從1D到4D，橋基前后總土壓力均隨著臨坡距增加而出現明顯減少，且橋基后總土壓力明顯大于橋基前總土壓力。當臨坡距1D到2D時，橋基前后的總土壓力值變化最大，這與土壓力分布曲線的變化一致，即當臨坡距為1D時，橋基對邊坡的阻滑能力相對較強。但結合邊坡位移和樁土接觸狀態可知，當橋基臨坡距為1D時，邊坡土體位移相對較大，樁前土體存在脫離風險，因此在實際工程中，當小臨坡距范圍進行樁基設計時，須綜合考慮上述影響。

而隨著臨坡距從4D到6D，橋基前后總土壓力雖略有減少，但比之前變化平緩，且橋基前后總土壓力逐漸接近，由此可知，此時樁基逐漸遠離天然邊坡的滑動面，基本不能起到阻滑作用，但結合安全系數分析可知，當樁基與滑動面相鄰時，不利于邊坡整體穩定，因此，當大臨坡距范圍內進行樁基設計時，應使樁基盡可能遠離邊坡滑動面，并根據平地樁基要求進行設計，不考慮樁基的阻滑作用。

3 施工技術研究

工程位于黃土殘塬溝壑地貌單元，地面標高為1022.04～

1104.57m，相對高差為82.53m，多高陡坡，表層黃土深厚且裂隙發育，施工難度大。因此，應在考慮地質條件、地形地貌的基礎上，綜合施工工期、施工技術、工程預算等要求，制定合適的施工方案，盡量減少對黃土邊坡擾動，避免災害發生。

按照本文所述的數值模擬方法對天然狀態下的邊坡進行試算，確定邊坡滑動面位置，選擇合理的臨坡距，并根據該橋的工程特性和橋址區地質狀況，選用鉆孔灌注樁作為橋基，采用旋挖或沖擊鉆成孔，淺層土干孔施工，深層土泥漿護壁鉆孔，用導管法灌注水下混凝土的施工方案較為合理。

由于橋址區施工環境復雜，因此須在以下4個方面對橋基施工技術進行控制。1）護筒埋設：控制護筒尺寸、護筒位置和周圍填土。2）護壁泥漿制備：根據地層情況及時調整稠度、拌制時間、材料等參數。3）鉆進成孔：根據深度、地層性質采用合適的鉆進成孔方法。4）橋基砼灌筑施工：選擇合適的混凝土原材料，并對灌注全過程進行實時監控。

4 結論

本文基于實際工程，采用ABAQUS軟件進行建模計算，針對樁基不同臨坡距下的邊坡穩定性、樁-土接觸狀態進行研究，結合實際情況選用鉆孔灌注樁作為橋基，得到以下結論。1）臨坡距對邊坡影響較大，當臨坡距小時，橋基位于滑動面內部，起到了阻滑的作用，因此邊坡的總位移較大，但安全系數高，臨坡距設置不合理會導致滑坡推力增加，邊坡安全系數降低。在臨坡距超過一定距離后，對邊坡滑動幾乎不產生影響，邊坡總體位移和安全系數均與天然邊坡相近。2）當臨坡距較小時，樁前土體與橋基脫離，產生明顯的滑動變形，在臨坡距增加后，樁前土體與橋基接觸狀態穩定，未發生脫開變形。臨坡距對高邊坡橋基樁前、樁后土壓力隨深度變化的規律無影響，但對其峰值深度有影響，主要與橋基和滑坡面相對位置有關。3）在施工前，對天然邊坡潛在滑動面的位置進行試算，確定滑動面大致位置，綜合評估橋基自身的受力特性和對邊坡的阻滑特性，選擇合理的臨坡距。根據黃土高邊坡的施工安全要求，橋基選用鉆孔灌注樁，淺層土干孔施工，深層土泥漿護壁鉆孔，并通過實際工程驗證該方案的合理性。

參考文獻

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