山區公路斜坡、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)

山區地形陡峻，公路建設經常面臨較大環境擾動和安全控制挑戰。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。

山區斜坡地形下公路建設研究主要包括：(1)公路斜坡穩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。

依托某山區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定性演化機制，棄渣堆填過程對斜坡變形穩定的影響，分析由此造成的橋樁結構安全問題和應對措施。量化評估環境影響，總結區域安全控制措施，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計列于表1。

表1 斜坡路段主要地層巖土力學參數建議值表

1.2 環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定性變化，估算穩定性達到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。邊坡穩定性系數和補償加固力統計列于表2。

圖3 考慮邊幫棄渣分步填筑的斜坡樁數值模型

圖4 斜坡穩定性計算結果圖

由圖4和表2可知，初始地形下，k32+733、k32+973、k33+053路段斜坡穩定性系數分別為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標準。改變地形下，k32+733、k32+973、k33+053路段斜坡穩定性系數分別為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標準，需采取加固措施。

表2 不同條件下斜坡穩定性系數和補償力統計表

改變地形穩定性排序為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，仍需系統評估棄渣對橋樁結構產生的安全影響。

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定性，棄渣自身穩定居主導，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 結構內力分析

為考察棄渣過程對斜坡橋樁結構內力的影響，各階段橋樁結構內力分布曲線見圖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、剪力等結構內力曲線。

圖8 棄渣對橋樁結構內力影響圖

由圖8可知，k33+053路段，棄渣堆填對橋樁結構軸力、彎矩、剪力的影響發生了數量級變化，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為豎向+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路段結構內力最值統計繪制成曲線，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 橋樁結構內力最值隨棄渣高度演化曲線

2.3 工程監測檢驗及反饋

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；測試數據整理成圖11(a)和圖11(b)。

圖10 橋樁內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，橋樁豎向承載變為剪切承載+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，數據趨于穩定。

圖11 橋樁監測曲線圖

3 結論與建議

通過對斜坡+橋樁+棄渣系統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??；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??；棄渣底寬越寬+初始坡面越緩，對斜坡的穩定增強效果越顯著。

(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為改變地形下沿棄渣內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，內力急劇變化，橋樁由設計的豎向承載變為豎向+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) 橋樁內力監測揭示的最大剪力192.4 kN，樁頂最大水平位移約5 mm，在控制棄渣堆填高度后，變形和內力趨于穩定。