李 霞
广东省南粤交通潮漳高速公路管理中心 广东省 521051
摘 要 陡峭边坡地段桥梁桩基的稳定性问题是桥梁工程安全的一个重要问题。通过对广东省宁波至东莞高速公路潮州东联络线建造在陡坡地段的桥梁桩基从施工到通车全过程开展监测，分析了在施工荷载作用下桥梁桩基和陡坡土体的位移分布和变化规律。然后利用弹塑性有限元建模，分析了桩身位移的分布规律，并与监测结果进行了比较，得出有限元建模能较好的模拟桩土之间的相互作用；分析了在坡顶荷载作用下桩身弯矩随深度的变化情况和桩身最大弯矩随荷载大小的变化情况，提出了临界施工荷载对控制桥梁桩基稳定性的重要意义。
关键词 陡峭边坡 桥梁桩基 有限元 侧向荷载
引言
在山谷和丘陵地区，公路桥梁的基础多采用桩基础的形式，由于需要跨越水库、河流、山谷，不少桥梁桩基设在陡坡上。这些桩基一方面要承受从上部结构传来的垂直荷载，另一方面由于打桩时破坏了坡体原有的天然稳定结构，它又要受到桩周土体在自重或外荷载作用下发生变形或移动而引起的侧向压力。在桥梁施工的过程中，桩基上方斜坡上经常要铺设施工便道和架设重型的施工设备。由于施工车辆多为重型货车，满载后车重可达50吨以上，这样更增加了桩基上方边坡土体的下滑力，加大了土体作用在桩基上的侧压力。因此，对此类桥梁桩基在土侧压力作用下的性状进行分析是十分必要的。
针对被动桩的受力特点，我们对广东省宁波至东莞高速公路潮州东联络线建造在陡坡地段的桥梁桩基从施工桩基到上部结构全过程开展了监测。并将监测结果与有限元计算结果进行了比较分析，由此探索此类桥梁桩基的受力和变形规律，为陡坡地段的桥梁桩基设计提供参考。
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宁波至东莞高速公路潮州东联络线起点位于甬莞高速潮州市湘桥区磷溪镇小庄村，终点位于湘桥区铁铺镇，连跨沈海高速公路，与在建的中山大道平交。里程桩号为K0+000~K6+337.573，全长6.338km。
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铁铺东枢纽立交互通A匝道桥起讫里程桩号为AK0+160.681～AK0+597.731，长度437.05m。上部构造采用5*30m+4*20m+9*19.7m+29.61m预应力砼20m/30m预制箱梁，先简支后桥面连续，全桥共9联，桥台及过渡墩处设置D80型伸缩缝，基础采用人工挖孔灌注桩，设桩间系梁，下部构造选用实心圆柱墩，小里程与I匝道桥3#相接，大里程与白石高架拼宽桥左幅16#相接。
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铁铺东枢纽立交地处低缓丘陵，地形起伏大，坡体地面标高约 69.3-80.4m，跨越水库，两端桥台均位于低缓丘陵，自然坡角最大约 25°。
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3 现场监测布置及监测方法
现场埋设的监测仪器包括用于测量桩周土压力的电阻应变式土压力盒，用于测量桩身混凝土应变的混凝土应变计以及用于测量桩身水平位移和土体深层位移的深孔测斜管，各监测元件的分布如图3-1所示。
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土压力盒和混凝土应变计的布置为沿桩身深度方向每3m 设置一组，每组在主动土压力区设置一个土压力盒，在被动土压力区设置一个土压力盒和一个混凝土应变计，设置范围为由桩顶直到桩底。用于测量桩身水平位移的测斜管埋设在桩体内部，沿桩的深度走向由桩顶直到桩底；用于测量桩基上方边坡土体深层位移的测斜管埋设在桩位上方3m 的边坡体内部，深度与桩长等同。
4 现场监测试验结果及分析
4.1 桩身及边坡土体位移
在桥梁系梁、桥墩、盖梁等主体结构的施工过程中，对桩身位移进行了持续的监测，监测结果如图4-1所示。图中为近六个月的施工阶段中桩身位移随深度的变化曲线，桩身位移的整体变化趋势为随深度增大逐渐减小，同一深度处的位移则随着施工阶段的不断推进逐渐变大。
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由监测结果也可以看出，在桥梁上部结构施工进行到后期时，桥梁桩基位移的变化值明显减小。通过相等时间间隔（14d）的观测，发现在桥梁的盖梁施工阶段，实测值与14d 前相比，桩基在9.5m 深处的位移值达到了6.23mm。但在架梁完毕后的桥面铺装阶段，实测值与14d 前相比，桩基在同一深度处（9.5m）的位移值仅为2?24mm。由现场记录可知，在架梁施工阶段坡顶的施工便道上经常会行驶满载的货车，并且有架桥机等重型设备。在桥面铺装阶段，便道上货车数量明显减少，重型施工设备也已经撤离。由此可知，坡顶荷载的减小，直接导致了坡体中桥梁桩基位移的减小。测量边坡土体位移的测斜管是在桥梁主梁架设完成后埋设的，监测结果显示在桥梁主体结构施工末期土体位移变化不显著，平均位移的变化值小于1mm。这也表明在桥梁主体结构施工结束后边坡土体处于一个比较稳定的状态。
4.2 桩身混凝土应变及桩周土压力
桩身混凝土应变和桩周土压力的变化都不明
显，主要有如下两方面原因：其一，边坡土层为薄层状风化砂岩，与边坡面呈反倾向，作用在桩身的土侧压力较小；其二，土压力盒与混凝土应变计是在人工挖孔灌注桩的混凝土护壁施工完后，打穿护壁进行埋设的，土压力盒四周用标准砂和泥浆回填。受现场条件限制，土压力盒较难按要求紧密接触边坡土体和混凝土灌注桩，导致测量结果受到一定影响，在施工各个阶段监测结果数值变化不大。
5 有限元计算方法
5.1 桩土的等效模型
对于此类问题的有限元分析，通常采用的是一个纵向的平面应变截面作为计算分析对象。由于在边坡－桩基结构中桩周土的运动和桩的性状不符合平面应变假设，对此我们采用了等效薄壁桩墙方法 进行处理，建立桩土的平面应变分析等效模型。将垂直于截面的桩列结构表示成一种“等效薄壁桩墙”的形式（如图5-1所示）。此桩墙每单位宽度的抗弯刚度和其所取代的桩和土相同。通常情况下土对整体抗弯刚度的贡献非常小，一般可以忽略不计。因此，按照式（1）将桩基等效为薄壁桩墙，其中，下标P表示桩，S表示土，W表示等效桩墙，S1 为两桩轴心之间的距离。
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(1)
5.2 桩身及边坡位移
作用在坡顶的施工荷载会引起坡顶土体的位移，桩在坡中则起到了阻止土体位移的作用，因而会产生被动的抗力。此抗力一方面改变了土体的位移模式，另一方面也导致了桩体自身的弯曲变形。图5-2为坡中土体位移的矢量图，从图中可以看出边坡土体的位移与土层的物理力学性质有直接的联系，土体的强度越高其位移越小。
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在施工荷载的作用下，陡坡土层特别是浅层软弱土层会产生较大的水平位移，会对桩身产生明显的侧向土压力的作用，同时又有部分土体从桩间流动挤出形成土的绕流。而本文采用的平面应变有限元分析是用等效的板桩墙代替桩体及桩周土的，其抗弯刚度等于桩土的平均抗弯刚度，由于这种近似方法忽略了桩间土的错移和绕流，相当于因土体水平位移而产生的压力全部作用在了等效板桩上，这会使得有限元计算出的桩身水平位移值比实测值略大，而土体水平位移计算值则会偏小。图5-3为桩身水平位移沿深度的变化曲线。从图中可以看出，位移实测值与计算值的基本变化趋势是一致的，桩身位移都随深度的增大而减小。在桩顶部＜5m 深处，位移值与计算值有一定差别，主要是因为在有限元建模中桩顶为自由端，整桩表现出悬臂桩的特征，但在实际工程中，桥梁上部结构对桩顶会产生一定的侧向约束作用?从而抑制了桩顶的位移。
5.3 桩身弯矩
在土侧压力作用下桥梁桩基会发生弯曲变形从而在桩体内部产生弯矩，桩身弯矩的大小直接影响到了桥梁的安全性，也是判断桥梁桩基稳定性的一个重要指标。在40kN／m2 的坡顶荷载作用下桥梁桩基的弯矩分布如图5-3所示。
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图5-3中弯矩的最大值为148kN·m 出现在约20m深处，根据现场钻探资料20m 深处为两土层的交界面，由于上下土层的强度差别较大就导致了交界面处桩身上的应力集中，从而在该处产生了最大弯矩。
通过在有限元中改变坡顶荷载的大小，可以发现桩身最大弯矩随荷载的增大而增大。桩身除受到土侧压力外还会受到桩上部结构所产生的轴向压力，随着施工的进行轴压力会不断增大。通过在有限元模型中改变轴压力的大小可以发现轴力的变化对桩身弯矩和位移的影响均较小。
6 结语
本文通过现场监测与有限元计算，对宁波至东莞高速公路潮州东联络线陡峭边坡地段桥梁桩基在施工荷载作用下的工程性状进行了分析。可以得出如下几点结论。
1）桩身及边坡土体的位移均随施工荷载的变化而变化，桩身位移的最大值出现在桩顶处。边坡土体的位移与土层本身的性质有关，土层强度越高，位移就越小。
2）桩身最大弯矩发生在两土层的交界面处，并随着坡顶施工荷载的增大而增大。
3）有限元方法可以较好的模拟桩土之间的相互作用，可以较好的分析侧向荷载作用下桩基的性状，
是一种比较理想的辅助设计方法。
本文为施工荷载作用下桥梁桩基的性状分析积累了数据和经验，也可为进一步分析桥梁在施工过程中的安全性提供参考。
参考文献
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[3]李仁平．软土地基中被动桩与土体的相互作用及其工程应用[D]．杭州：浙江大学博士学位论文，2020．
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