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山区公路桥墩桩基后期弃渣偏压四种作用机理

 

一、问题与规范认识

山区公路桥墩桩基先行建成,后期又在其上坡侧或周边集中堆放大量弃渣,会改变原有地基应力、变形与边坡稳定条件。危险不只是“弃渣压住桥墩”,更可能是堆载通过地基及坡体运动,把新增作用传给已建桩基。

  • 《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG 3363—2019:

    • 第6.1.1条:桩基应验算竖向、水平承载及整体稳定;

    • 第9.3.2条:陡坡地基应进行稳定与变形分析;

    • 第9.3.3条:当边坡变形影响基础时,应分析基础内力和变形,确定边坡作用下的水平侧压力。

  • 《公路桥梁加固设计规范》JTG/T 5431—2025:

    • 第14.2.2条:基础受堆载、开挖影响发生异常变位或损伤时,可采取卸载沟、应力释放等措施减小水平推力。

二、四种作用机理:何时发生、危害何在

① 非对称附加应力。高弃渣在地基中产生新增竖向和水平应力;当墩位两侧堆载不均、距离较近时,桩周受力失衡,产生附加弯矩和剪力。桩不是连续挡土墙,不能将主动土压力公式直接套用于群桩。

② 地基侧移产生被动加载。厚覆盖层或软弱夹层受堆载后发生压缩和侧向挤出,嵌岩或受承台约束的桩不能同步移动,形成“土动而桩相对不动”的推挤。德国Bauer与Reul(2024)的模型试验和数值研究表明,侧向作用还受土体强度、刚度、桩土界面、堆载距离及群桩排列控制;前排与后排桩受力不同。快速加载下的短期不排水状态有时更不利。

③ 弃渣或坡体整体滑移。堆渣沿原坡面、软弱界面或深部滑动带下移时,桩基可能被迫承担滑体推力,造成较大弯剪和位移。这是边坡失稳与基础受力相互耦合的问题,须先独立评价无桥桩“帮忙抗滑”时的坡体稳定。

④ 沉降诱发负摩阻力与时效作用。弃渣及下卧土体沉降超过桩身沉降时,桩侧产生向下拖曳力,增加轴力;固结、蠕变、连续填筑和降雨还可能改变侧向作用。负摩阻力属轴向作用,不应误当作水平土压力。

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图1 后期弃渣作用的四种主要机理

三、国外研究给出的三点重要认识

第一,施工顺序很关键。西班牙《公路工程基础指南》(2002)第5.6.2—5.6.5节明确建议先填筑、待变形趋稳后成桩;若先成桩后填土,应计算水平推力、负摩阻力和群桩遮挡效应,并结合填方边坡稳定性分析。该指南属于推荐性技术文件,其简化判据不能直接照搬到我国山区块石弃渣。

第二,侧推不等于静态土压力。德国研究将此类桩称为“被动桩”,指出桩—土相对位移及群桩效应不可忽略;英国、澳大利亚的离心试验也验证了填方侧移与桩基响应之间的联系。

第三,刚性隔离并非万能。日本桥台侧移治理重视减载、软基改良与施工控制;新西兰实测案例提示,即使设置高刚度排桩,深厚软土的范围性侧移也未必被完全阻断。国外成熟经验主要来自软土地基桥台,迁移到陡坡弃渣场必须核查地层、滑动界面与施工扰动。

四、分类处置:山区桥墩宜以控源、稳坡和独立防护为主

对附加应力主导型, 应优先调整弃渣场位置、堆高及坡脚边界,尽量避开桥墩基础影响区。受山谷空间限制无法避让时,可考虑分台阶填筑、设置独立挡渣结构,控制新增荷载向桩基传递。

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调整弃渣位置、控制堆高、分台阶填筑、完善排水。日本国土交通省对倾斜地基上的填土提出施工要求

对软弱层侧移型, 应重点识别残坡积层、崩坡积层及强风化层的变形范围。可采用独立隔离排桩、地下连续墙或局部地基加固,必要时结合排水措施控制侧移。隔离结构应有可靠的稳定地层作为支承,并防止土体从桩间、墙底及两端绕流。已建桩基附近实施预压应慎重,避免反而增加附加荷载。

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对应措施:设置独立排桩或挡墙,控制土体侧移。

对整体滑移型, 应首先查明弃渣体内部、原坡面接触带及深层岩土中的潜在滑动面,采取削方减载、截排水、独立抗滑桩或锚索等措施。对于半山腰桥墩,抗滑结构应尽量布置在桥梁基础受力影响区之外,不得将原桥桩基直接作为弃渣场抗滑构件。

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对负摩阻力及长期变形型, 应控制弃渣和下卧土体沉降,复核桩基附加轴力及压弯剪承载能力,开展分阶段沉降、深层位移和桥墩变形监测。若已出现结构损伤且难以卸载,再评估增桩、承台联系及基础加固。

对山谷桥墩,还应特别重视沟谷汇水、洪水冲刷、泥石流通道及弃渣堵沟风险。 排水系统不能只考虑弃渣体表面排水,还应保证原有沟谷行洪及坡面地下水排泄条件。所有防护方案均应以坡体整体稳定与既有桥梁桩基安全联合复核为依据。

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五、结语

后期弃渣对桥墩桩基的危害,核心是新增荷载经“应力变化—土体变形—坡体滑移—桩土相互作用”传递。四种机理不必在每个工程中同时成立,也不能简单叠加为四份水平力。应依据地层、坡形、弃渣时序和实测变形判断控制机理,分阶段完成坡体稳定及桩基承载、变形联合验算,再选用减载、隔离、抗滑或基础加固措施。

主要依据与文献

[1] JTG 3363—2019,《公路桥涵地基与基础设计规范》,第6章、第9.3节。

[2] JTG/T 5431—2025,《公路桥梁加固设计规范》,第14.2.2条。

[3] Dirección General de Carreteras. Guía de cimentaciones en obras de carretera. 2002: §§5.6.2–5.6.5

[4] Bauer J, Reul O. Lateral pressure on pile foundations in cohesive soils due to horizontal soil movements. Acta Geotechnica, 2024, 19:6375–6390. DOI:10.1007/s11440-024-02319-7

[5] Stewart D P, Jewell R J, Randolph M F. Design of piled bridge abutments on soft clay for loading from lateral soil movements. Géotechnique, 1994, 44(2):277–296.

[6] 日本土木研究所:《橋台の側方移動対策ガイドライン策定に関する検討》,土木研究所资料第4124号,2009。

 

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