山區(qū)公路斜坡、棄渣和橋樁相互作用機制和安全控制措施研究

肖 羚，陳 偉，鄒云麗，李艷梅，尹小濤

(1.大理大漾洱云高速公路有限公司, 云南 大理 671000；2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071)

山區(qū)地形陡峻，公路建設經(jīng)常面臨較大環(huán)境擾動和安全控制挑戰(zhàn)。狹窄空間斜坡建設場地、工程結構、棄渣之間存在相互影響，如何實現(xiàn)三者安全并保障工作有序開展是工程建設需要首先解決的基本問題。

山區(qū)斜坡地形下公路建設研究主要包括：(1)公路斜坡穩(wěn)定性評價及安全控制技術[1-6]；(2)鄰近棄渣場與既有斜坡的相互影響及安全控制技術[7-10]；(3)公路斜坡與橋梁結構的相互影響及安全控制技術[11-14]；(4)公路斜坡、結構、棄渣的相互影響及安全控制技術[15-18]。相關研究主要集中在工程建設對自然環(huán)境的改變、影響及安全控制，反之這種影響對工程自身安全的威脅及控制措施。研究的目的是弄清擾動機制和影響范圍，為安全控制提供依據(jù)。

依托某山區(qū)高速公路斜坡橋梁建設路段，探討斜坡、棄渣和橋樁在改變地形下正常運行工況的邊坡穩(wěn)定性演化機制，棄渣堆填過程對斜坡變形穩(wěn)定的影響，分析由此造成的橋樁結構安全問題和應對措施。量化評估環(huán)境影響，總結區(qū)域安全控制措施，提高建造水平和風險管控水平，為類似工程提供借鑒。

1 典型山區(qū)公路斜坡路段概況

1.1 工程概況

該路段主要沿河谷左側斜坡展開，地形陡峻，進場道路狹窄，施工作業(yè)空間狹小，工程棄渣順斜坡外側堆填，上部施作橋樁，斜坡表層覆蓋一定厚度碎石土層，下部為強風化基巖。斜坡、橋樁、棄渣場的空間關系見圖1。

圖1 斜坡、橋樁、棄渣場空間位置圖

勘察和設計提供的主要巖土層物理力學性質指標統(tǒng)計列于表1。

表1 斜坡路段主要地層巖土力學參數(shù)建議值表

1.2 環(huán)境影響評價計算方案

利用Slide建模，計算工程建設前后斜坡正常運行工況的穩(wěn)定性變化，估算穩(wěn)定性達到1.35安全標準所需補償加固力，計算模型詳見圖2，將棄渣等效成豎向荷載作用在坡面。

圖2 初始地形和改變地形極限平衡法計算模型

為分析棄渣對斜坡變形影響機制和對橋樁結構內(nèi)力的影響程度，利用Phase2D軟件建立考慮棄渣過程的有限元模型，采用彈塑性本構，計算參數(shù)見表1。模型兩側法向約束，底部全約束。計算先進行初始應力平衡，接著激活橋樁，然后開始分步填筑棄渣，具體分級及填筑高度詳見圖3。

通過上述計算分析，綜合評估棄渣對斜坡公路建設造成的潛在影響，并提出了相應安全控制措施。

2 棄渣對斜坡和橋樁的影響分析

2.1 棄渣對斜坡穩(wěn)定性的影響分析

2.1.1 極限平衡法

初始地形和改變地形的斜坡穩(wěn)定性計算結果，限于篇幅以k32+733路段為例進行展示，最不利滑面見圖4。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)和補償加固力統(tǒng)計列于表2。

圖3 考慮邊幫棄渣分步填筑的斜坡樁數(shù)值模型

圖4 斜坡穩(wěn)定性計算結果圖

由圖4和表2可知，初始地形下，k32+733、k32+973、k33+053路段斜坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.037、1.035、1.165，均小于1.350，均不滿足正常運行工況安全系數(shù)標準。改變地形下，k32+733、k32+973、k33+053路段斜坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.303、1.057、1.256，均小于1.350，均不滿足正常運行工況安全系數(shù)標準，需采取加固措施。

表2 不同條件下斜坡穩(wěn)定性系數(shù)和補償力統(tǒng)計表

改變地形穩(wěn)定性排序為k32+733(1.303)>k33+053(1.256)>k32+973(1.057)，所需加固力排序為k32+973(4 667 kN/m)>k33+053(1 478 kN/m)>k32+733(815 kN/m)。k32+733路段棄渣距離橋樁最短距離52.5 m、坡腳棄渣底部水平寬度約55.0 m，所需加固力小，且穩(wěn)定性改善最顯著；k32+973路段棄渣距離橋樁最短距離11.7 m、坡腳棄渣底部水平寬度約41.0 m，所需加固力最大；k33+053路段棄渣距離橋樁最短距離0.0 m、坡腳棄渣底部水平寬度約73.0 m，距離近且底寬最大，所需加固力較大。

因此，仍需系統(tǒng)評估棄渣對橋樁結構產(chǎn)生的安全影響。

2.1.2 有限元方法

為綜合評估棄渣對斜坡及橋樁帶來的影響，棄渣+斜坡+橋樁系統(tǒng)水平位移和剪應變云圖見圖5，限于篇幅僅提供k33+053路段初始地形、棄渣完成階段的云圖。

由圖5可知，k33+053路段，初始位移mm級，在自然坡面，沿碎石土層剪切破壞；棄渣堆填后，變形dm級，沿棄渣與自然坡面結合部破壞。棄渣堆填改變了斜坡穩(wěn)定性，棄渣自身穩(wěn)定居主導，需要引起重視。

將k32+733路段、k32+973路段、k33+053路段各棄渣階段對應的水平位移最大值和增量整理成曲線，見圖6。

由圖6可知，k32+733路段，棄渣堆高超過15 m以后，位移增量超過cm級；35 m堆高以后，位移超過dm，最大堆高47 m時最大水平位移245 mm。k32+973路段，棄渣堆高超過40 m以后，位移增量超過cm級；61 m堆高，位移超過dm，最大為146 mm。k33+053路段，棄渣堆高超過40 m以后，位移增量超過cm級；55 m堆高，位移超過dm，最大為110 mm。棄渣對坡體變形的影響具有明顯的階段特征。

圖5 棄渣對k32+733路段斜坡+橋樁體系變形影響云圖

圖6 最大水平位移隨棄渣高度演化曲線

2.2 棄渣對斜坡橋樁結構內(nèi)力影響分析

2.2.1 結構位移分析

為考察棄渣過程對斜坡橋樁水平位移的影響，將k32+733路段、k32+973路段和k33+053路段各階段橋樁水平位移沿樁身分布曲線整體成圖7。

由圖7可知，k32+733路段，棄渣堆填到47 m樁身最大水平位移也才1.2 mm，其余堆填階段對樁身位移的影響都在mm級以下，可以認為棄渣對橋

圖7 不同棄渣高度的橋樁水平位移曲線

樁結構安全沒有影響；k32+973路段，棄渣堆填到40 m以前樁身水平位移都在mm級變化，50 m高度之后位移變化急劇增加到cm級，最大水平位移22.8 mm；k33+053路段，棄渣堆填到30 m以前樁身水平位移都在mm級變化，40 m高度之后位移變化急劇增加到cm級，最大水平位移52.4 mm。由此可知，k32+733路段條件下，棄渣堆高47 m，對橋樁變形影響不大；k32+973路段條件下，棄渣堆高不宜超過40 m，否則對橋樁變形影響較大；k33+053路段條件下，棄渣堆高不易超過30 m，否則對橋樁變形影響較大。

2.2.2 結構內(nèi)力分析

為考察棄渣過程對斜坡橋樁結構內(nèi)力的影響，各階段橋樁結構內(nèi)力分布曲線見圖8，限于篇幅僅給出k33+053路段橋樁激活階段和堆填完成階段的橋樁軸力、彎矩、剪力等結構內(nèi)力曲線。

圖8 棄渣對橋樁結構內(nèi)力影響圖

由圖8可知，k33+053路段，棄渣堆填對橋樁結構軸力、彎矩、剪力的影響發(fā)生了數(shù)量級變化，可以認為棄渣對橋樁結構安全有顯著影響，明顯使得橋樁設計的豎向承載變?yōu)樨Q向+剪切承載，棄渣需要遷移控高處置，具體控制高度可綜合確定。

將k32+733路段、k32+973路段和k33+053路段結構內(nèi)力最值統(tǒng)計繪制成曲線，詳見圖9。

由圖9可知，k32+733路段，軸力、彎矩、剪力曲線平緩，可以認為棄渣堆積對橋樁結構安全沒有影響；k32+973路段，軸力、彎矩、曲線在超過40 m之后最大值曲線急劇上揚、最小值曲線小角度下沉，最大值變化比最小值變化劇烈，堆高不宜超過40 m；k33+053路段，軸力、彎矩、曲線在超過40 m之后最大值曲線急劇上揚、最小值曲線下沉，最大值變化比最小值變化劇烈，相對其他路段變化最劇烈，堆高不宜超過40 m。

圖9 橋樁結構內(nèi)力最值隨棄渣高度演化曲線

2.3 工程監(jiān)測檢驗及反饋

施工單位對k33+053路段選擇外側橋樁在施工中埋設測斜管和鋼筋計，見圖10；測試數(shù)據(jù)整理成圖11(a)和圖11(b)。

圖10 橋樁內(nèi)部安裝測斜管及鋼筋計圖

由圖11可知，上部樁身受棄渣影響較大，最大位移約5 mm，最大剪力192.4 kN，橋樁豎向承載變?yōu)榧羟谐休d+豎向承載，后期施工方采取了減載+控制棄渣堆填高度處置措施后，數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。

圖11 橋樁監(jiān)測曲線圖

3 結論與建議

通過對斜坡+橋樁+棄渣系統(tǒng)的極限平衡法和有限元綜合分析，所得主要結論如下：

(1) k32+733路段棄渣距離橋樁最短距離52.5 m、坡腳棄渣底部水平寬度約55.0 m，所需加固力最小；k32+973路段棄渣距離橋樁最短距離11.7 m、坡腳棄渣底部水平寬度約41.0 m，所需加固力最大；k33+053路段棄渣距離橋樁最短距離0.0 m、坡腳棄渣底部水平寬度約73.0 m，所需加固力居中。因此，棄渣距離橋樁越遠，對橋梁結構的影響越小；棄渣底寬越寬+初始坡面越緩，對斜坡的穩(wěn)定增強效果越顯著。

(2) 棄渣堆積改變了斜坡變形破壞機制，初始地形下沿碎石土層的剪切滑移變?yōu)楦淖兊匦蜗卵貤壴鼉?nèi)部和棄渣與斜坡結合部剪切破壞，初始地形水平變位很小，小于mm級；棄渣堆積后，k32+733路段最大堆高47 m最大水平位移245 mm；k32+973路段最大堆高61 m最大水平位移146 mm；k33+053路段最大堆高55 m最大水平位移110 mm。斜坡棄渣系統(tǒng)的變形具有明顯的階段特征。

(3) k32+733路段，棄渣整個堆填過程，結構內(nèi)力均在同一量級變化，對橋樁結構安全沒有影響，可不做控高處置，僅需坡面整形+截排水處理。k32+973路段和k33+053路段，棄渣堆填高度超過40 m之后，內(nèi)力急劇變化，橋樁由設計的豎向承載變?yōu)樨Q向+剪切承載，結構安全受到威脅，棄渣需要遷移控高處置，控制高度不宜超過40 m，同時還需要坡面整形+截排處理。

(4) 橋樁內(nèi)力監(jiān)測揭示的最大剪力192.4 kN，樁頂最大水平位移約5 mm，在控制棄渣堆填高度后，變形和內(nèi)力趨于穩(wěn)定。