施工期斜坡段桥梁双桩基础受力特性现场监测

冯 波，乃麒元，徐 华，陈华川，李奕信

(1. 中铁十一局集团第五工程有限公司，重庆 400000；2. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

现阶段，高速公路往往采用高墩桥梁的形式穿越山区沟谷地带，这将使得部分桥梁桩基直接设置于斜坡之上，从而形成由桥梁上部结构、桩基及边坡所构成的相互影响且相对复杂的结构体系[1-2]。与常规平地桩基础相比，处于斜坡段的桥梁桩基不仅要承受上部结构传递下来的组合荷载，还可能承受由坡体变形而产生的坡体推力[3]。因此，斜坡桥梁桩基兼具主动桩和被动桩的受力特征，已难以在普通桩基类别中找到其归属，研究复杂荷载作用下斜坡桥梁桩基的受力特性具有重要的工程实用价值。

国内外已有学者对斜坡段桥梁桩基的承载受力特性展开了相关研究。赵明华、杨明辉等在合理简化受力的基础上推导得出了高陡岩质边坡桥梁单、双桩内力与变形的理论解析解[4-6]。刘建华、尹平保等利用模型试验分析了不同桩基刚度、桩基自由长度与加载方式下陡坡单、双桩基础的承载受力特性变化规律[7-9]。冯忠居、陈思晓等研究了坡度、桩长变化时对黄土冲沟地区桥梁桩基的横轴向承载力产生的影响，得到考虑斜坡影响的竖向受荷桩有效桩长计算方法[10-12]。Georgiadis利用有限元软件分析了水平荷载作用下不排水黏土边坡附近单桩基础的承载能力[13-14]。Mezazigh等对砂土边坡附近的水平受荷桩进行了模型试验研究，着重分析了坡度、临坡距离对桩基水平受力性能产生的影响[15-17]。喻豪俊对碎石土斜坡上的单桩基础展开了不同坡度下的现场水平静载试验，提出了坡度对单桩水平临界荷载和极限荷载影响的折减参数[18]。赵明华对湖南省张花高速某一斜坡段桥梁双桩基础展开现场监测研究，采集并分析了不同施工工况条件下桩身弯矩、轴力和桩侧摩阻力分布规律[19]。

目前对于斜坡桥梁桩基础的研究大都基于理论分析或模型试验，有关斜坡地形下桩基础的现场试验或监测数据较少，已有的研究大都基于西部地区较为普遍的处于岩质边坡上的桥梁桩基础，对东南地区较为常见的花岗岩残积土边坡中桥梁桩基的研究还鲜有报道。依托广东省云茂高速公路独石特大桥右幅26#墩斜坡段桥梁双桩基础开展现场监测，通过采集自浇注成桩至施作盖梁为期14个月内的桩侧土压力和桩身钢筋应力数据，重点研究施工期斜坡荷载作用下桥梁桩基的受力与变形发展变化规律，分析施工扰动、临时车辆荷载及降雨等因素对斜坡桩基受力特性的影响，为类似条件下相关工程的设计与施工提供参考。

1 工程概况

广东省云浮罗定至茂名信宜高速公路全长129.82 km，独石特大桥为其中的重难点工程，全长2 566.5 m，桥梁标准断面全宽25.5 m，按上下行分离的两幅桥设计。桥位地处丘陵地带，地势起伏较大，桥墩所在山坡多较为陡峭，发育有多处崩塌。受斜坡地形限制，桥梁桩基多为人工挖孔型灌注桩且桩长较长，施工难度大、风险高，修筑施工平台和便道需要对原始坡体进行大挖大填，而坡体浅层的变质砂岩与花岗岩区坡残积土遇水易软化，形成水土流失或崩塌，施工期桥梁桩基的受力及稳定性可能处于不利状态。

图1 独石特大桥桥梁桩基所处斜坡地貌Fig.1 Slope landform of pile foundation of Dushi Grand Large Bridge

选取独石特大桥右幅26#墩双桩基础作为监测试桩，墩位所处区域线路走向与坡体倾向垂直，斜坡坡度约为34°、高度约60 m、沿线路方向的纵向延伸距离约200 m。双桩结构均位于斜坡中部，为典型的斜坡段高架桥双桩基础。双桩桩长50 m，桩径1.8 m，桩体纵向通长配置HRB400型钢筋(D=28 mm)。桩周地层以粉质黏土和全强风化花岗岩为主，按摩擦型桩设计。根据相邻区域钻孔资料及工程地质勘察报告，26#墩双桩结构及地层信息如图2所示，场地内埋藏各地层的主要物理力学性质指标如表1所示。

图2 试桩结构及地层信息(单位:cm)Fig.2 Test pile structure and stratigraphic information(unit:cm)

表1 右幅26号墩桩周土层物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil layer around pier No.26 on right side

2 试桩监测设计

通过对桩身钢筋应力和桩周土压力进行监测，可分析施工期间斜坡桥梁桩基础的受力状态，为后期设计参数的优化与运营安全提供数据支撑。考虑到右幅26#墩为斜坡段双桩基础，需沿每根桩基两侧对称布置钢筋应力计与土压力盒用于量测桩身内力与桩侧土压力。监测仪器布设方向应与坡体倾向平行，以便于分析坡体变形对桩基受力产生的影响。

对于单根桩基，同一排处的钢筋计与土压力盒布设在同一水平位置；对于双桩结构，前桩与后桩的监测元件布设完全一致。自桩顶以下0.5 m处开始布置第一排钢筋应力计与土压力盒，桩深0.5～15.5 m每隔1.5 m布置一排钢筋应力计与土压力盒，共11排；桩深15.5～27.5 m每隔4 m布置一排钢筋应力计与土压力盒，共3排；桩身27.5～50 m仅布置钢筋计，间距6 m，设置3排。监测仪器布设，如图3所示。

图3 试桩监测元件布设(单位:m)Fig.3 Layout of monitoring units for test pile(unit:m)

具体布设时，钢筋计采用焊接的形式与纵向主筋相连，以保证二者协同受力；安装土压力盒时应预先在侧壁打孔，然后将土压力盒与预制沙包一同放入侧壁孔中，待土压力盒位置固定后采用水泥砂浆对孔洞进行封装，以保证土压力盒受力均匀，监测仪器的具体布设如图4所示。

图4 监测仪器安装Fig.4 Installation of sensors

3 监测结果分析

独石特大桥右幅26#墩后桩与前桩分别于2018年10月中旬灌注完成，取灌注完成7 d后的监测数据作为初始值，按预定监测频率进行数据采集，其中监测第1个月每隔1周采集1次数据，监测第2个月每隔半个月采集1次数据，从监测第3个月开始每隔1个月采集1次数据。

3.1 桩侧土压力分析

由图5可知，后桩靠上坡侧坡体对桩基产生侧向推力，在粉质黏土层与全风化花岗岩层内，土压力呈先增大后减小的近似抛物线形分布模式，进入强风化层后，土压力值显著减小，各次监测结果中土压力最大值点多位于桩顶以下8 m处，量值变化范围为22～41 kPa。前桩靠上坡侧土压力分布规律与后桩近似相同，其土压力最大值作用点位于桩顶以下11 m处，虽略深于后桩，但其量值变化范围为15～23 kPa，要明显小于后桩，说明此阶段坡体推力主要由后桩承担。分析桩侧土压力的产生主要是由于施工便道及平台的开挖修筑对原有坡体产生扰动，坡体浅层岩土体发生变形，对桩侧产生推力。另外广东地区年降雨量较大，降雨条件下坡体浅层的花岗岩区坡残积土遇水易软化流失，进一步加剧了坡体浅层岩土体的变形。

由图6可知，后桩靠下坡侧土压力自桩顶向下呈逐渐增加的近似三角形分布，各次监测结果中土压力最大值作用点均位于桩顶以下8 m处，量值变化范围为29～57 kPa，进入强风化层后土压力值显著减小。前桩靠下坡侧土压力自桩顶向下呈逐渐增加的倒三角形分布模式，说明在坡体推力作用下，桩身上部及其周边坡体产生一定的变形，桩体受到桩前坡体产生的被动抗力。施工期间对桩顶处横桥向与竖向位移进行持续观测，受施工扰动影响桩顶处位移略有变化且最大位移量不超过1.6 mm，后期对边坡进行防护加固处理后桩顶处位移基本没有变化。另外，前桩靠下坡侧土压力要明显小于后桩靠上坡侧，说明坡体推力作用于桩基时，桩体依靠自身刚度与嵌固作用承担了一部分土压力，即斜坡桩基具有一定的阻滑作用。

图5 靠上坡侧土压力沿桩身分布曲线Fig.5 Distribution curves of earth pressure along pile body in upper slope

图6 靠下坡侧土压力沿桩身分布曲线Fig.6 Distribution curves of earth pressure along pile body in lower slope

3.2 桩身钢筋应力分析

桩侧钢筋应力沿桩深分布曲线，如图7所示。

图7 钢筋应力沿桩深分布曲线Fig.7 Reinforcement stress distribution curves along pile depth

自26#墩双桩基础浇注完成以来，桩身各处钢筋均呈受压状态，且越靠近桩顶处，钢筋压应力值越大。双桩基础浇注完成后，2018年11月期间为满足临近墩台施工需求，施工人员将26#墩双桩之间改为施工过车便道并进行回填。此阶段内经常有重型机械停放或经过双桩之间的过车便道，在回填土与施工车辆的往复碾压作用下，桩顶受压，桩身钢筋整体受压，但这种影响主要集中在浅表层土体，进入强风化层后桩身钢筋压应力值显著减小。进入2019年3月之后，随着此坡段内人工挖孔桩的施工完成，桩身钢筋受力趋于稳定。

同时，未施作上部结构之前，前后桩桩身钢筋应力分布规律基本一致，施作上部结构后，桩顶以下15 m范围内的钢筋应力值显著增加，但前桩钢筋应力值在桩顶以下10 m范围内的变化斜率要明显小于后桩，即后桩桩周浅层土体所能提供的桩侧摩阻力要明显大于前桩，并且随着上部荷载的增加(上部结构持续施作)这种趋势愈发明显。分析其原因，前桩相比后桩更靠近坡体临空面，由于坡面的存在使得前桩靠下坡侧的土体体积显著减小，其桩周不再是半无限空间体，所以前桩桩侧浅表层范围内的土体所能提供的侧摩阻力相比后桩较小。可见，对处于斜坡段的桥梁桩基，受斜坡地形影响，桩顶以下浅表层范围内的土体所能提供的侧摩阻力有限，且侧摩阻力的发挥程度也与桩基临坡面的距离相关，桩基越临近下坡侧坡面，其侧摩阻力折减越大。

3.3 桩身弯矩分析

独石特大桥右幅26#墩为斜坡段桥梁双桩基础，考虑到监测期间桩侧存在土压力且前、后桩两侧的钢筋应力也存在差异，推测桩身存在弯矩。为进一步分析斜坡段双桩基础的受力特性，可根据式(1)计算出各测点所在平面内的桩身弯矩：

(1)

式中，σ1i与σ2i分别为同一测点截面内靠下坡侧与靠上坡侧的钢筋应力值，可由监测数据得到；b为钢筋笼直径；Ep为桩身实际弹性模量;Ip为桩基截面惯性矩。其中Ep可由式(2)计算得到，Ip可由式(3)计算得到。

(2)

式中，Ac,As分别为混凝土和钢筋的截面积;Ap为试桩的截面积;Ec,Es分别为钢筋和混凝土的弹性模量，其值可按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2012)查取，Ec=3×104MPa，Es=2×105MPa。

桩基的截面惯性矩根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)中建议的方法计算：

(3)

式中，d为桩基直径；αE为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值；ρε桩身配筋率。

表2 桩身各截面弯矩计算参数取值Tab.2 Calculation parameters of bending moment of each section of pile

根据设计参数，桩身各截面计算参数如表2所示，桩身弯矩分布如图8所示。

图8 桩身弯矩分布曲线Fig.8 Distribution curves of bending moment of pile

由图8可知，前后桩桩身弯矩分布规律基本一致，自桩顶向下呈先增大后减小的变化趋势，桩身最大弯矩出现在全风化层与强风化层交界处附近。分析其原因：在施工扰动等因素的综合作用下，桩基附近边坡浅层岩土体抗剪强度降低并发生变形，桩体受到由坡体变形而产生的侧向推力，桩基的受力状态发生改变，不再是完全的竖向受荷桩，桩身产生弯矩。后桩桩身弯矩值明显大于前桩、最大值作用点也略低于前桩，说明后桩承担了较大部分的坡体推力，这也与前述土压力分析结果相一致。

未施加系梁之前，桩身弯矩主要由桩侧土压力引起并随土压力的变化而发生改变，此阶段桩顶处自由无约束，桩身受力状态类同于抗滑桩，在持续坡体推力的作用下桩体产生一定程度的横向变形。施作上部结构(系梁、墩柱、盖梁等)后，由上部结构自重所产生的竖向荷载使桩体横向变形加剧并产生附加弯矩，即P-Δ效应，所以随着上部结构的持续施作，桩顶竖向荷载增加，桩身弯矩将持续增大。

3.4 施工期临时坡体超载对斜坡桩基受力特性的影响

由图5及图8可知，桩基浇注至横系梁施加之前，桩侧土压力与桩身弯矩均随监测时间发生不同程度的变化，分析其主要与施工期间重载车辆与各种施工机械对坡体产生的临时超载有关。2018年11月～12月期间，桩顶以下11 m岩土层范围内的桩侧土压力逐渐减小，以后桩桩后侧土压力的减小最为明显，其中桩顶以下8 m处的土压力最大值由41 kPa 减小到32 kPa(见图5)。分析其原因可能为此阶段26#墩所在斜坡附近的人工挖孔桩已经基本完成施工，部分施工机械逐渐撤场，施工便道上的重载货车数量显著减小，坡体超载的减小直接导致了桩侧土压力与桩身弯矩的减小。2019年1月～6月期间，26#墩所在斜坡附近的人工挖孔桩已全部施工完成，而且并未继续开展上部结构的施工，坡体变形趋于稳定，桩土变形相互协调，加之2018年12月底施工人员对26#墩右幅施工平台附近的边坡进行了表面喷浆加固处理，所以此阶段内桩侧土压力与桩身弯矩变化较小且趋于稳定。2019年8月～2020年1月期间，因26#墩所在斜坡附近的桩基开始施作上部结构，部分施工车辆重新进场，坡体超载增大，桩侧土压力与桩身弯矩又有增大趋势，但增幅较小。对处于斜坡上桩基础应适当考虑施工期坡体超载对桩基受力产生的影响，加快施工进程，尽早对边坡进行防护，改善桩基的受力状态。

4 结论

通过对广东省云茂高速公路斜坡段桥梁双桩基础为期14个月的桩身钢筋应力与桩侧土压力监测数据进行分析，得出以下结论：

(1)双桩结构桩后侧土压力均呈近似抛物线形分布，土压力最大值作用点位于粉质黏土层与全风化层交界处附近，进入强风化层后显著减小，后桩桩侧土压力明显大于前桩，是整个斜坡段双桩结构承载与阻滑的关键。

(2)前桩相比后桩更靠近下坡侧临空面，前桩桩顶以下10 m范围内土层所提供的侧摩阻力十分有限，在设计时应考虑适当折减，斜坡段竖向受荷桩的侧摩阻力发挥程度受桩基临坡距离的影响较大。

(3)前后桩桩身弯矩分布规律基本一致，桩身最大弯矩出现在全风化岩层与强风化岩层交界处附近，随着上部结构的施作，桩顶竖向荷载增加，桩身弯矩将持续增大，斜坡桥梁桩基础的P-Δ效应显著。

(4)施工期临时坡体超载对边坡的影响主要集中在桩顶以下11 m范围内的岩土层，重型施工机械经过或停放于桩基上方的施工便道时会在一定程度上增大桩基上方坡体的下滑力，进而增大桩侧土压力。

(5)对处于斜坡段的桥梁桩基，应尽量缩短施工期限,尽早对开挖坡面进行支护或喷浆封闭以提高坡体的稳定性，减小桩基在未施加上部结构时的初始横向变形，削弱后期P-Δ效应对桩体承载产生的影响。