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高陡邊坡下橋梁樁基受力分析及防護(hù)設(shè)計(jì)

文檔作者：楊進(jìn)，巢萬里文檔來源：湖南省交通科學(xué)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年12月27日
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上一篇：艦船海水管系電偶腐蝕及其防護(hù)措施

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第38卷，第4期
2 0 1 3年8月
公 路 工 程
Highway Engineering
Vo1．38，No．4
Aug． ，2 0 1 3
高陡邊坡下橋梁樁基受力分析及防護(hù)設(shè)計(jì)
楊進(jìn)，巢萬里
(湖南省交通科學(xué)研究院，湖南，長沙410015)
[摘要]橋梁樁基建于高陡岸坡甚至懸崖峭壁上時(shí)，墩臺、樁基和邊坡組成了復(fù)雜的承載體系，通過加強(qiáng)邊
坡防護(hù)措施來確保橋梁樁基的安全性十分重要。通過理論與數(shù)值模擬分析了高陡邊坡條件下橋梁樁基受力特性，
提出合理的邊坡體防護(hù)措施有利于樁基受力，能確保橋梁結(jié)構(gòu)安全。并通過有限元分析高陡橫坡條件下采用錨桿
格子梁防護(hù)時(shí)橋梁樁基受力特性，通過計(jì)算與工程實(shí)例安全，表明設(shè)計(jì)方案的正確性。
[關(guān)鍵詞]高陡邊坡；樁基；防護(hù)設(shè)計(jì)
[中圖分類號]u [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1674—0610(2013)04—0040—04
Force Analysis and Protection Design for Bridge Pile
Foundationwith High-steep Rock Slope
YANG Jin，CHAO W anli
(Hunan Communications Research Institute，Changsha，Hunan 410075，China)
[Abstract]When the bridge pile foundation is built on the high·steep rock slope，the abutment，
pile foundation and slope is fl complex system，resulting in the necessary of slope protection to ensure the
security． In this presented study，the limit equilibrium and numerical simulation are applied to analyze
the mechanical behavior of bridge pile foundation．And the reasonable protection measures are proposed
to ensure the safety of the bridge construction．The bridge pile foundation with anchor grid beam is ana—
lyzed by finite element method． Finally，the practical engineering proves the correctness for the design
proposa1．
[Key words]High—steep rock slope；Pile foundation；Stability analysis；Protection design
1 概述
隨著交通事業(yè)的推進(jìn)，2l世紀(jì)以來，我國的高
速公路建設(shè)在向西部山嶺重丘地區(qū)發(fā)展時(shí)，遇到了
更為復(fù)雜的地形地質(zhì)情況。為了滿足公路線性設(shè)計(jì)
及保護(hù)路線環(huán)境，減少開挖土方，不少陡坡段常采用
全高架橋或半路半橋的結(jié)構(gòu)形式穿越，這樣導(dǎo)致部
分樁基建于高陡岸坡甚至懸崖峭壁上，墩臺、樁基和
邊坡組成了復(fù)雜的承載體系。
其中，隨著人們對工程邊坡的勘察、設(shè)計(jì)、評價(jià)、
監(jiān)測和加固的日益重視，邊坡變形破壞的地質(zhì)力學(xué)
模式得到了了深化、補(bǔ)充和完善¨ 。王蘭生 等
提出了邊坡變形的旋轉(zhuǎn)滑移一拉裂模式。孫廣
忠 將邊坡的變形破壞形式分為即張破裂，剪破
壞，結(jié)構(gòu)體滾動(dòng)等7種破壞模式，并相應(yīng)地給出了7
種破壞判據(jù)。同時(shí)非線性科學(xué)理論、非連續(xù)介質(zhì)理
論、突變理論 、可靠性分析理論 、模糊數(shù)學(xué) 、
塊體理論 、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論 ?、灰色系統(tǒng)理論、分形
理論、自組織理論以及各種復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算方法廣
泛地應(yīng)用于邊坡研究中。邊坡穩(wěn)定性研究步入了定
性與定量相結(jié)合、概念模型與仿真模擬相結(jié)合、監(jiān)測
與反饋分析相結(jié)合的新階段并取得了大量有意義的
成果。
本文依托實(shí)際工程，根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告、設(shè)
計(jì)資料等，并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研結(jié)論，深入研究有關(guān)地段
橋梁樁基的穩(wěn)定性及其防護(hù)加固措施并提出相應(yīng)的
安全防護(hù)方案。
[收稿日期]2Ol2一O8—29
[基金資助]交通運(yùn)輸部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(200831878531)
【作者簡介]楊進(jìn)(197l一)，男，湖南邵東人，高級工程師，主要研究方向：公路橋梁。
第4期 楊進(jìn)，等：高陡邊坡下橋梁樁基受力分析及防護(hù)設(shè)計(jì) 41
2 邊坡穩(wěn)定性分析
2．1 邊坡計(jì)算模型
首先分析橋梁樁基與邊坡巖土體之間的相互作
用力，如圖1所示。在潛在滑動(dòng)面以上樁段，作用在
基樁上的非豎向荷載主要有滑坡推力E 和樁前巖
土體抗力q( )；在潛在滑動(dòng)面以下，作用在基樁上
的外界荷載主要是地基抗力q ( )。作用在基樁上
的滑坡推力，可由設(shè)計(jì)位置的推力線確定，且其分布
形式主要有矩形，梯形，三角形以及拋物形等。
橋梁樁基與陡坡的相互作用可通過如下方式進(jìn)
行考慮：即將橋梁樁基看成是一個(gè)特殊的分條，該分
條承受上一分條的滑坡推力E ，并將基樁對樁前土
條的作用力q( )傳遞給下一分條，并將其作為分條
外力進(jìn)行計(jì)算。而基樁對樁前巖土體的作用力可由
基樁的內(nèi)力分析計(jì)算得到。
但由于橋梁樁基的設(shè)置及施工開挖影響，使得
坡體最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的位置發(fā)生改變，進(jìn)而影響到邊
坡的穩(wěn)定安全系數(shù)以及作用在基樁上的滑坡推力大
小。因此，在設(shè)樁以后，必須重新搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面
的位置，進(jìn)而求得新的滑坡推力以及樁周巖土體抗
力，如此反復(fù)，直到前后兩次求解結(jié)果的誤差滿足工
程要求為止。而最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的確定主要采用優(yōu)化
算法對設(shè)樁前后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。
．
圖1 樁基條件下的高陡邊坡
Figure l High—steep rock slope with pile foundation
2．2 樁基受力分析
對高陡橫坡橋梁基樁的內(nèi)力分析計(jì)算的基本思
路是：將樁體分為受荷段與嵌固段，對潛在滑動(dòng)面以
上非穩(wěn)定段的樁前巖體抗力與樁后坡體推力進(jìn)行簡
化，而對滑面以下巖體的抗力按地基反力系數(shù)法進(jìn)
行計(jì)算，從而建立高陡橫坡橋梁基樁的受力模型。
基本假定如下：
① 樁體處于彈性工作狀態(tài)；
② 對于軟巖邊坡的下滑推力多成三角形或梯
形，故設(shè)潛在滑動(dòng)面以上巖體對基樁的推力分布函
數(shù)為：
p(。)= +叼 +P0。 (1)
當(dāng) ，71：0，P?！?時(shí)，其推力分布函數(shù)為矩形；
當(dāng) ，P。=0，77≠0時(shí)，其推力分布函數(shù)為三角形；當(dāng)
：0，叼，P?！?時(shí)，其推力分布函數(shù)為梯形；當(dāng)P。=0，
． ，．，7≠0時(shí)，其推力分布函數(shù)為拋物線形；
③ 滑面以上巖體的地基系數(shù)沿深度呈線性變
化，即In法，而滑面以下巖體的地基系數(shù)服從(mz+
c)的線性增長規(guī)律；
④ 水平位移 以 軸正向?yàn)檎?，轉(zhuǎn)角即樁身水
平位移對深度的一階導(dǎo)數(shù) ：以逆時(shí)針為正，剪力Q：
以 軸正向?yàn)檎?，彎?以左側(cè)受拉為正，軸力P，
以正截面受壓為正。
⑤ 樁身軸力因樁側(cè)摩阻力、樁體自重隨深度線
性變化，其分布如下：
戶(z)=P。十 ， (2)
式中：P(z)為樁段頂面以下z處樁身軸力，P。為樁
頂(地面處)的軸向荷載 沿樁軸的軸向力(包括自
重和樁側(cè)摩阻力)，f=Ay 一 ／2。
以下對滑面以上及滑面以下分別建立基樁的撓
曲微分方程。
對于滑動(dòng)面以上的基樁部分，可取巖體中基樁
某一微元考慮如圖2(a)所示，樁頂?shù)膬A斜荷載分解
為豎向荷載P。=Q cos0和水平荷載Q。=Q。sinO共
同作用，則兩端作用有彎矩、剪力和軸力，以及下滑
推力P及巖體抗力q(z)。此外，沿樁軸向尚受有樁
側(cè)巖體的摩阻力及樁自重作用。對圖中單元體下端
中點(diǎn)取矩可得：
(M +dM)一 +Pdx—Qdz+
下
1 g(dz) 一如(dz)‘=0。 (3)
通過對其進(jìn)行推導(dǎo)可得基樁單元撓曲微分方程
式為：
E， d4x+_d Idx)+btql( )=0。 (4)
可采用有限差分法對上述問題進(jìn)行求解。
2．3 兩者的相互影響
由于高陡橫坡的影響，樁基的受力特性與一般
樁基而言又有所不同。其主要點(diǎn)在于受橫坡影響，
在樁基一定深度范圍內(nèi)存在不可忽略的水平力以及
樁端將產(chǎn)生較大的水平位移。而眾所周知，水平力
與水平位移過大對于橋梁樁基結(jié)構(gòu)是相當(dāng)不利，近
而可能影響橋梁本身的安全性。在本節(jié)中，主要通
42 公路工程 38卷
●
J
廣
I
出l
J
r_
P(z)+dP
(a)推力段基樁微元受力分析圖
r_— ——下 1，
， (z)+d
fh)嵌巖段基樁微元受力分析圖
圖2 基樁微元受力分析圖
Figure 2 Forcediagram O fpile element
過采用某有限元軟件建立計(jì)算模型，見圖3，通過改
變圍巖體本身彈性模量(彈性模量E =1／4E 、l／
2E 、E 和2E )來分析樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的變形及受力。
通過計(jì)算得出不同圍巖參數(shù)情況下樁基側(cè)向變形與
彎矩變化情況，見圖4，圖5。
圖3 高陡橫坡橋梁樁基有限元模型
Figure 3 Finite element model for bridge pile foundation
由以上結(jié)果可知：在高陡橫坡情況下橋梁樁
基受邊坡體(圍巖體)影響比較明顯，當(dāng)巖(土)體彈
性模量增大時(shí)其樁頂最大水平位移明顯減少；與此
同時(shí)，樁頂最大彎矩也相應(yīng)減少。即樁體變形與受
力受高陡橫坡坡體性質(zhì)影響十分明顯。為保證高陡
橫坡下橋梁樁基產(chǎn)生的水平位移與水平力相當(dāng)較
小，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全，在施工過程中應(yīng)盡量減小邊
坡體攏動(dòng)，而且應(yīng)取一定坡體防護(hù)措施來加固改善
0
5
o
醐
l5
20
水平位移／mm
0 l0 20 3O 40 50 60 70
圖4 巖體性質(zhì)對樁基側(cè)向變形影響
Figure 4 Influence of rock characteristics to pile
foundation lateral deformation
0
2o
樁身彎矩／(kN·m)
- 3 000 —1 500 0 l 500 3 000 4 500
圖5 巖體性質(zhì)對樁基彎矩的影響
Figure 5 Influence of rock characteristics Io pile
foundation bending mumenl
巖(土)體整體受力特性，其表現(xiàn)在邊坡體上也就是
盡量小的坡體變形，也可以說是盡可能大的邊坡穩(wěn)
定系數(shù)。考慮到工程的安全性與經(jīng)濟(jì)性，在這種情
況下，根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D30—2004其
邊坡穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)在1．30以上。
3 工程實(shí)例
以泗溪一橋?yàn)槔凑丈鲜龇椒▽ζ溥M(jìn)行穩(wěn)定
性分析及防護(hù)設(shè)計(jì)。泗溪河一橋位于湖南省張家界
至花垣高速公路保靖段，橋址區(qū)屬于丘陵低山地貌，
泗溪河兩側(cè)橋臺處于丘陵山體，地形起伏較大，覆蓋
層薄，基巖大多裸露；中部為泗溪河河床，呈“V”字
形，分布河流低階地地層。二十四合同段四溪一橋
各巖土層力學(xué)參數(shù)強(qiáng)風(fēng)化自云質(zhì)灰?guī)r的黏聚力為c
= 40 kPa，西=30。，中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r為c=60 kPa，
r
5 0 5
、魁聰 醐
_驀
馥 囂 囂
第4期 楊 進(jìn)，等：高陡邊坡下橋梁樁基受力分析及防護(hù)設(shè)計(jì) 43
= 32。，見圖6。
丁
圖6 邊坡及樁基概況圖 ·
Figure 6 Slope and pile foundation
不考慮樁體之間的相互影響，通過冪級數(shù)法得
到每根樁體的彎矩分布如圖7所示。
樁身彎矩／(kN 。m)
圖7 樁身彎矩圖
Figure 7 Moment of pile foundation
利用條分法及優(yōu)化算法，此外施工棄土對橋墩
下部邊坡穩(wěn)定不利，經(jīng)計(jì)算可知橋墩下部邊坡安全
系數(shù)為1．18。但由于橋墩施工時(shí)對邊坡表面存在
一定程度的破壞，且考慮到樁基位于橫坡上如產(chǎn)生
水平位移將對整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)不利，一般應(yīng)將邊坡安
全系數(shù)提高至1．3以上，仍需在局部采用短錨桿進(jìn)
行加固，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹脖环雷o(hù)。錨桿格構(gòu)梁作為
一種將格構(gòu)梁與錨桿加固進(jìn)行結(jié)合的新型邊坡防護(hù)
結(jié)構(gòu)，不僅能保證邊坡深部的加固效果，又能有效
地對邊坡表面的破壞進(jìn)行防護(hù)，比較適合坡度較陡、
節(jié)理發(fā)育的巖土邊坡，是防止地質(zhì)災(zāi)害的有效措施。
橋墩上部邊坡均采用I型錨+格構(gòu)梁+植草的
綜合防護(hù)方案，短錨桿長度為9～12 m，錨固長度4
～ 6 m，錨桿間距為3 Ill×3 1'13，格構(gòu)梁內(nèi)回填粘土封
水并種草。
橋墩下部邊坡均采用Ⅱ型錨+格構(gòu)梁+植草的
綜合防護(hù)方案，錨桿長度為12～15 m，錨固長度6～
8 rn，錨桿間距為3 m X 3 m，格構(gòu)梁內(nèi)回填粘土封水
并種草。
樁基附近的四排縱向錨桿，自由段宜穿過樁基，
使錨固段伸人到樁基內(nèi)側(cè)的邊坡深層部位；若錨桿
的長度過長，可改為錨索。
通過采用本加固措施處理，加固后邊坡穩(wěn)定系
數(shù)1．35，最終樁頂最大水平位移5．08 mm，小于規(guī)
范要求的6 mrn。樁身最大彎矩為，1 914 kN．m，并
按此值對基樁進(jìn)行配筋計(jì)算。本工程實(shí)施成功已近
1 a多，從現(xiàn)場監(jiān)控情況來看達(dá)到預(yù)期目的，保證邊
坡及橋梁樁基安全。
4 結(jié)論
本文通過考慮高陡橫坡樁基的受力特性，并以
泗溪一橋?yàn)槔?，提出加?qiáng)邊坡穩(wěn)定來減少橋梁樁基
水平受力與變形，保證高陡橫坡情況下橋梁安全，得
出如下結(jié)論：
① 利用極限平衡條分法，將橋梁樁體單獨(dú)劃分
為土條，基樁對樁前巖土體的作用力視為條問力，可
由基樁的內(nèi)力分析計(jì)算得到，并借助優(yōu)化算法從新
劃分滑動(dòng)面。從而得出該種工況下邊坡計(jì)算模型以
及邊坡樁基受力特性。
② 通過高陡橫坡有限元分析可知：高陡橫坡情
況下，橋梁樁基受邊坡體巖(土)性影響較大，其樁
頂水平位移與水平力隨巖(土)性變化明顯，與巖性
的好壞程序成正比。
③ 通過上述法建模計(jì)算出泗溪一橋橋梁樁基
邊坡加固前邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1．18，采用錨桿格子梁
加固后邊坡穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1．35。采用錨桿格子梁
對高陡橫坡橋梁樁基加固能很大程度減少樁基水平
位移與樁頂最大彎矩，從而對于保證該種工況下橋
梁樁基受力及橋梁結(jié)構(gòu)安全具有十分重要的意義。 一～ 至～ 一引一～一～
第4期 劉亞非，等：陜西省高速公路服務(wù)區(qū)駛?cè)肼收{(diào)查與預(yù)測研究 213
表10 陜西省高速公路服務(wù)區(qū)第一類駛?cè)肼?
Table 10 the Entering Rate of service area of Shaanxi Prov—
ince- The first species
表ll 陜西省高速公路服務(wù)區(qū)第二類駛?cè)肼?
Table 1 1 the Entering Rate of service area of Shaanxi Prov—
ince— The second species
表12 陜西省高速公路服務(wù)區(qū)第三類駛?cè)肼?
Table 12 the Entering Rate of service area of Shaanxi Prov—
ince— The third species
表13 陜西省高速公路服務(wù)區(qū)第四類駛?cè)肼?
Table 1 3 the Entering Rate of service area of Shaanxi Prov—
ince— The fourth species
陜西省高速公路服務(wù)區(qū)規(guī)劃建設(shè)中，駛?cè)肼实?
取值可根據(jù)上文中的分類標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)表10～表13
進(jìn)行取值，停車區(qū)可作為一種小型服務(wù)區(qū)按照第四
類駛?cè)肼蔬M(jìn)行取值。
5 結(jié)語
我國高速公路還處于高速發(fā)展時(shí)期，服務(wù)區(qū)的
建設(shè)發(fā)展與歐美、日本等發(fā)達(dá)國家還有較大差距，服
務(wù)區(qū)遠(yuǎn)期具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ側(cè)肼适欠?wù)區(qū)布
局規(guī)劃的關(guān)鍵性指標(biāo)。本文對陜西省高速公路服務(wù)
區(qū)在未來特征年的駛?cè)寺蔬M(jìn)行了科學(xué)的預(yù)測，停車
區(qū)駛?cè)肼士刹捎玫谒念愸側(cè)肼实耐扑]值。該研究結(jié)
果是建立在對目前運(yùn)營的高速公路服務(wù)區(qū)駛?cè)肼实?
準(zhǔn)確調(diào)查測算的基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集整理至關(guān)
重要。因此，在服務(wù)區(qū)駛?cè)肼实难芯恐?，?yīng)從長遠(yuǎn)考
慮，不斷地搜集補(bǔ)充數(shù)據(jù)，驗(yàn)證修正駛?cè)肼省ξ覈?
其他省份高速公路服務(wù)區(qū)的駛?cè)肼?，亦可采用本?
究中提出的統(tǒng)計(jì)學(xué)原理與彈性系數(shù)理論相結(jié)合的方
法進(jìn)行分析確定。
[10]
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(上接第43頁)
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