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高陡邊坡下橋梁樁基受力分析及防護設計

文檔作者：楊進，巢萬里文檔來源：湖南省交通科學研究院		點擊數：	更新時間： 2024年12月27日
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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設計
楊進，巢萬里
(湖南省交通科學研究院，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，墩臺、樁基和邊坡組成了復雜的承載體系，通過加強邊
坡防護措施來確保橋梁樁基的安全性十分重要。通過理論與數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措施有利于樁基受力，能確保橋梁結構安全。并通過有限元分析高陡橫坡條件下采用錨桿
格子梁防護時橋梁樁基受力特性，通過計算與工程實例安全，表明設計方案的正確性。
[關鍵詞]高陡邊坡；樁基；防護設計
[中圖分類號]u [文獻標識碼]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
隨著交通事業的推進，2l世紀以來，我國的高
速公路建設在向西部山嶺重丘地區發展時，遇到了
更為復雜的地形地質情況。為了滿足公路線性設計
及保護路線環境，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構形式穿越，這樣導致部
分樁基建于高陡岸坡甚至懸崖峭壁上，墩臺、樁基和
邊坡組成了復雜的承載體系。
其中，隨著人們對工程邊坡的勘察、設計、評價、
監測和加固的日益重視，邊坡變形破壞的地質力學
模式得到了了深化、補充和完善¨ 。王蘭生 等
提出了邊坡變形的旋轉滑移一拉裂模式。孫廣
忠 將邊坡的變形破壞形式分為即張破裂，剪破
壞，結構體滾動等7種破壞模式，并相應地給出了7
種破壞判據。同時非線性科學理論、非連續介質理
論、突變理論 、可靠性分析理論 、模糊數學 、
塊體理論 、神經網絡理論 ?、灰色系統理論、分形
理論、自組織理論以及各種復雜的數值計算方法廣
泛地應用于邊坡研究中。邊坡穩定性研究步入了定
性與定量相結合、概念模型與仿真模擬相結合、監測
與反饋分析相結合的新階段并取得了大量有意義的
成果。
本文依托實際工程，根據工程地質勘查報告、設
計資料等，并結合現場調研結論，深入研究有關地段
橋梁樁基的穩定性及其防護加固措施并提出相應的
安全防護方案。
[收稿日期]2Ol2一O8—29
[基金資助]交通運輸部西部交通建設科技項目(200831878531)
【作者簡介]楊進(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，等：高陡邊坡下橋梁樁基受力分析及防護設計 41
2 邊坡穩定性分析
2．1 邊坡計算模型
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，可由設計位置的推力線確定，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
行考慮：即將橋梁樁基看成是一個特殊的分條，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
外力進行計算。而基樁對樁前巖土體的作用力可由
基樁的內力分析計算得到。
但由于橋梁樁基的設置及施工開挖影響，使得
坡體最危險滑動面的位置發生改變，進而影響到邊
坡的穩定安全系數以及作用在基樁上的滑坡推力大
小。因此，在設樁以后，必須重新搜索最危險滑動面
的位置，進而求得新的滑坡推力以及樁周巖土體抗
力，如此反復，直到前后兩次求解結果的誤差滿足工
程要求為止。而最危險滑動面的確定主要采用優化
算法對設樁前后的邊坡穩定性進行分析。
．
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力分析計算的基本思
路是：將樁體分為受荷段與嵌固段，對潛在滑動面以
上非穩定段的樁前巖體抗力與樁后坡體推力進行簡
化，而對滑面以下巖體的抗力按地基反力系數法進
行計算，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；
② 對于軟巖邊坡的下滑推力多成三角形或梯
形，故設潛在滑動面以上巖體對基樁的推力分布函
數為：
p(。)= +叼 +P0。 (1)
當 ，71：0，P。≠0時，其推力分布函數為矩形；
當 ，P。=0，77≠0時，其推力分布函數為三角形；當
：0，叼，P。≠0時，其推力分布函數為梯形；當P。=0，
． ，．，7≠0時，其推力分布函數為拋物線形；
③ 滑面以上巖體的地基系數沿深度呈線性變
化，即In法，而滑面以下巖體的地基系數服從(mz+
c)的線性增長規律；
④ 水平位移 以 軸正向為正，轉角即樁身水
平位移對深度的一階導數 ：以逆時針為正，剪力Q：
以 軸正向為正，彎矩 以左側受拉為正，軸力P，
以正截面受壓為正。
⑤ 樁身軸力因樁側摩阻力、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，樁頂的傾斜荷載分解
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
側巖體的摩阻力及樁自重作用。對圖中單元體下端
中點取矩可得：
(M +dM)一 +Pdx—Qdz+
下
1 g(dz) 一如(dz)‘=0。 (3)
通過對其進行推導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。其主要點在于受橫坡影響，
在樁基一定深度范圍內存在不可忽略的水平力以及
樁端將產生較大的水平位移。而眾所周知，水平力
與水平位移過大對于橋梁樁基結構是相當不利，近
而可能影響橋梁本身的安全性。在本節中，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 )來分析樁基礎結構的變形及受力。
通過計算得出不同圍巖參數情況下樁基側向變形與
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，當巖(土)體彈
性模量增大時其樁頂最大水平位移明顯減少；與此
同時，樁頂最大彎矩也相應減少。即樁體變形與受
力受高陡橫坡坡體性質影響十分明顯。為保證高陡
橫坡下橋梁樁基產生的水平位移與水平力相當較
小，確保橋梁結構安全，在施工過程中應盡量減小邊
坡體攏動，而且應取一定坡體防護措施來加固改善
0
5
o
醐
l5
20
水平位移／mm
0 l0 20 3O 40 50 60 70
圖4 巖體性質對樁基側向變形影響
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
定系數。考慮到工程的安全性與經濟性，在這種情
況下，根據《公路路基設計規范》JTG D30—2004其
邊坡穩定系數應在1．30以上。
3 工程實例
以泗溪一橋為例，按照上述方法對其進行穩定
性分析及防護設計。泗溪河一橋位于湖南省張家界
至花垣高速公路保靖段，橋址區屬于丘陵低山地貌，
泗溪河兩側橋臺處于丘陵山體，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
各巖土層力學參數強風化自云質灰巖的黏聚力為c
= 40 kPa，西=30。，中風化白云質灰巖為c=60 kPa，
r
5 0 5
、魁聰 醐
_驀
馥 囂 囂
第4期 楊 進，等：高陡邊坡下橋梁樁基受力分析及防護設計 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
利用條分法及優化算法，此外施工棄土對橋墩
下部邊坡穩定不利，經計算可知橋墩下部邊坡安全
系數為1．18。但由于橋墩施工時對邊坡表面存在
一定程度的破壞，且考慮到樁基位于橫坡上如產生
水平位移將對整個橋梁結構不利，一般應將邊坡安
全系數提高至1．3以上，仍需在局部采用短錨桿進
行加固，并進行適當的植被防護。錨桿格構梁作為
一種將格構梁與錨桿加固進行結合的新型邊坡防護
結構，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行防護，比較適合坡度較陡、
節理發育的巖土邊坡，是防止地質災害的有效措施。
橋墩上部邊坡均采用I型錨+格構梁+植草的
綜合防護方案，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，格構梁內回填粘土封
水并種草。
橋墩下部邊坡均采用Ⅱ型錨+格構梁+植草的
綜合防護方案，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，格構梁內回填粘土封水
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側的邊坡深層部位；若錨桿
的長度過長，可改為錨索。
通過采用本加固措施處理，加固后邊坡穩定系
數1．35，最終樁頂最大水平位移5．08 mm，小于規
范要求的6 mrn。樁身最大彎矩為，1 914 kN．m，并
按此值對基樁進行配筋計算。本工程實施成功已近
1 a多，從現場監控情況來看達到預期目的，保證邊
坡及橋梁樁基安全。
4 結論
本文通過考慮高陡橫坡樁基的受力特性，并以
泗溪一橋為例，提出加強邊坡穩定來減少橋梁樁基
水平受力與變形，保證高陡橫坡情況下橋梁安全，得
出如下結論：
① 利用極限平衡條分法，將橋梁樁體單獨劃分
為土條，基樁對樁前巖土體的作用力視為條問力，可
由基樁的內力分析計算得到，并借助優化算法從新
劃分滑動面。從而得出該種工況下邊坡計算模型以
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 通過上述法建模計算出泗溪一橋橋梁樁基
邊坡加固前邊坡穩定系數為1．18，采用錨桿格子梁
加固后邊坡穩定系數達到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構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區駛入率調查與預測研究 213
表10 陜西省高速公路服務區第一類駛入率
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區第二類駛入率
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區第三類駛入率
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區第四類駛入率
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區規劃建設中，駛入率的
取值可根據上文中的分類標準，對應表10～表13
進行取值，停車區可作為一種小型服務區按照第四
類駛入率進行取值。
5 結語
我國高速公路還處于高速發展時期，服務區的
建設發展與歐美、日本等發達國家還有較大差距，服
務區遠期具有很大的發展潛力，駛入率是服務區布
局規劃的關鍵性指標。本文對陜西省高速公路服務
區在未來特征年的駛人率進行了科學的預測，停車
區駛入率可采用第四類駛入率的推薦值。該研究結
果是建立在對目前運營的高速公路服務區駛入率的
準確調查測算的基礎上，基礎數據的收集整理至關
重要。因此，在服務區駛入率的研究中，應從長遠考
慮，不斷地搜集補充數據，驗證修正駛入率。對我國
其他省份高速公路服務區的駛入率，亦可采用本研
究中提出的統計學原理與彈性系數理論相結合的方
法進行分析確定。
[10]
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(上接第43頁)
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