烏溪江大橋拱座基礎(chǔ)加固

張紅星 古海東

（浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006）

烏溪江大橋拱座基礎(chǔ)加固

張紅星 古海東

（浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006）

烏溪江大橋主橋?yàn)?60m的上承式鋼管混凝土拱橋，3號(hào)拱座位于陡坡上，基巖為中風(fēng)化花崗巖，節(jié)理發(fā)育，對(duì)基礎(chǔ)邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。通過有限元強(qiáng)度折減法從理論上探討采用錨筋樁加固拱座基礎(chǔ)方案的可行性。研究結(jié)果表明：采用錨筋樁加固后能大幅度提高邊坡的整體穩(wěn)定安全系數(shù)。為確保工程安全，實(shí)際施工中采用了錨筋樁與基底壓漿、錨索組合形式對(duì)拱座基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。實(shí)踐表明，加固效果明顯，可為類似橋梁基礎(chǔ)加固提供參考。

拱橋；拱座；基礎(chǔ)加固；錨筋樁

1 概況

1.1 橋梁總體設(shè)計(jì)

烏溪江大橋位于浙江省遂昌縣西部烏溪江庫區(qū)，采用二級(jí)公路雙向雙車道的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為60 km／h，橋梁全寬12 m，主橋?yàn)橛?jì)算跨徑260 m上承式鋼管混凝土拱橋（見圖1）。

圖1 烏溪江大橋總體圖(單位:m)

烏溪江水庫一年中水位變化劇烈，最大可超過30 m，根據(jù)最近30 a水文資料，最高水位約230 m，最低水位約189 m。主橋拱座位于約60°的陡坡上，基底設(shè)計(jì)高程217 m，持力層為中風(fēng)化花崗巖。

1.2 拱座基礎(chǔ)地質(zhì)情況

拱座開挖到設(shè)計(jì)高程后，現(xiàn)場情況表明3號(hào)拱座基巖臨水側(cè)節(jié)理發(fā)育（見圖2），按照節(jié)理發(fā)育程度及性質(zhì)，將3號(hào)拱座基礎(chǔ)及影響區(qū)域劃分為5個(gè)區(qū)（見圖3）。

圖2 3號(hào)拱座基巖節(jié)理實(shí)景

圖3 3號(hào)拱座基礎(chǔ)及影響區(qū)域劃分圖

A1（拱座外側(cè)臨江處）：該區(qū)域巖體較完整，呈塊狀體結(jié)構(gòu)，主要發(fā)育三組節(jié)理，分別是262°∠86°，305°∠84°，197°∠40°，節(jié)理間距大于1 m，但局部巖體被這三組節(jié)理切割形成楔形體，爆破松動(dòng)后易滑塌。

A2（拱座基礎(chǔ)88%的區(qū)域）：該區(qū)域巖體主要發(fā)育產(chǎn)狀為262°∠86°的長大節(jié)理，與岸坡小角度相交，陡傾于江心，節(jié)理發(fā)育密集，整體上扭曲，呈S形，經(jīng)擠壓，巖體破碎，節(jié)理間距2～5 cm，節(jié)理面上有氧化膜，局部微張，巖體呈片狀結(jié)構(gòu)。拱座88%面積上位于該區(qū)域，巖體節(jié)理密集發(fā)育，且受擠壓，極破碎。

A3（拱座東南角上）：該區(qū)域巖體主要發(fā)育產(chǎn)狀為262°∠86°的長大節(jié)理，與岸坡小角度相交，陡傾于江心，節(jié)理發(fā)育密集，節(jié)理面平直，閉合，為硬質(zhì)結(jié)構(gòu)面，節(jié)理間距5～8 cm，巖體呈片狀結(jié)構(gòu)，巖體性質(zhì)略好于A2區(qū)。

A4（拱座后緣）：該區(qū)域主要發(fā)育產(chǎn)狀為265°∠87°的長大節(jié)理，與岸坡小角度相交，陡傾于江心，節(jié)理較密集，節(jié)理面平直，閉合，為硬質(zhì)結(jié)構(gòu)面，一般節(jié)理間距10～15 cm，局部間距30 cm，節(jié)理面上有氧化膜，巖體呈片狀結(jié)構(gòu)。

A5：該區(qū)域主要發(fā)育產(chǎn)狀為265°∠87°的長大節(jié)理，與岸坡小角度相交，陡傾于江心，節(jié)理面平直，閉合，為硬質(zhì)結(jié)構(gòu)面，節(jié)理間距20～30 cm，局部間距較寬，裂隙面上有氧化膜，巖體呈中層厚結(jié)構(gòu)。

3號(hào)拱座地質(zhì)鉆探孔內(nèi)電視成像圖顯示，在高程207.35～205.95 m發(fā)育11條外傾節(jié)理（坡面傾向237°），傾向251°，傾角50°；在高程202.35 m處發(fā)育1條外傾節(jié)理，傾向271°，傾角24°，均為硬質(zhì)結(jié)構(gòu)面。

1.3 研究內(nèi)容

3號(hào)拱座基巖裂隙發(fā)育，對(duì)拱座基礎(chǔ)下邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而危及到整座拱橋的安全。因此，需要弄清3號(hào)拱座基礎(chǔ)邊坡穩(wěn)定性是否滿足規(guī)范要求。若不滿足，應(yīng)采用怎樣的加固方案是該項(xiàng)目的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文擬通過有限元強(qiáng)度折減法[1]從理論上分析3號(hào)拱座基礎(chǔ)邊坡穩(wěn)定性，并研究采用錨筋樁[2]對(duì)橋梁拱座基礎(chǔ)進(jìn)行加固的可行性；最后，結(jié)合工程實(shí)測結(jié)果，探討錨筋樁對(duì)橋梁拱座基礎(chǔ)的加固效果。

2 計(jì)算模型的建立

2.1 計(jì)算方法

本文采用有限元軟件ABAQUS基于有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。有限元強(qiáng)度折減技術(shù)的原理是通過利用式（1）和式（2）調(diào)整巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)c和φ，其中Ft為折減系數(shù)，ct和φt分別為折減后的巖土體粘聚力和內(nèi)摩擦角，然后對(duì)巖土體進(jìn)行有限元分析，通過不斷增加折減系數(shù)，反復(fù)分析土坡，直至達(dá)到臨界破壞，此時(shí)得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù)。強(qiáng)度折減法的優(yōu)點(diǎn)是安全系數(shù)可以直接給出，不需要事先假設(shè)滑裂面的形式和位置，并且滑裂面的范圍更加直觀。

目前有限元強(qiáng)度折減法中破壞標(biāo)準(zhǔn)的判斷主要有以下3種標(biāo)準(zhǔn)：（1）有限元計(jì)算不收斂作為失穩(wěn)依據(jù)，對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)作為安全系數(shù)；（2）邊坡塑性區(qū)貫通作為失穩(wěn)依據(jù)，對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)作為安全系數(shù)；（3）邊坡坡頂位移發(fā)生突變作為失穩(wěn)依據(jù)，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)作為邊坡安全系數(shù)。文獻(xiàn)[3]中指出，采用標(biāo)準(zhǔn)（2）和（3）得出的安全系數(shù)比較接近，且都比標(biāo)準(zhǔn)（1）得出的安全系數(shù)要小。本文有限元分析中的安全系數(shù)主要采用以上3種判定方法中得出的最小安全系數(shù)作為邊坡的最終安全系數(shù)。

2.2 計(jì)算模型與參數(shù)取值

利用ABAQUS有限元軟件建立烏溪江大橋3號(hào)拱座基礎(chǔ)邊坡的平面應(yīng)變計(jì)算模型如圖4所示。巖土體采用實(shí)體單元模擬，錨筋樁采用梁單元模擬，錨筋樁與巖土體的接觸采用embed嵌入接觸模擬，巖土體的本構(gòu)模型根據(jù)巖石節(jié)理發(fā)育情況分別采用節(jié)理材料模型與摩爾庫倫模型。

圖4 有限元計(jì)算模型簡圖

模型計(jì)算參數(shù)取值：A1～A3區(qū)域按節(jié)理材料模型計(jì)算,節(jié)理結(jié)構(gòu)面黏聚力分別取170 kPa、130 kPa、170 kPa，摩擦角均取33°；A4和A5區(qū)域按四級(jí)巖石抗剪強(qiáng)度取黏聚力500 kPa，摩擦角30°；基底外傾節(jié)理面：黏聚力170 kPa，摩擦角33°。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 未采用錨筋樁加固

計(jì)算結(jié)果見圖5所示，3號(hào)拱座基礎(chǔ)未加固時(shí)下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)僅為1.10，不滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）中公路路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.2的要求。

3.2 采用錨筋樁加固

計(jì)算結(jié)果見圖6所示，采用錨筋樁加固后邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.76，滿足規(guī)范中安全系數(shù)不小于1.2的要求。

采用錨筋樁加固后，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)提高了約60%，說明錨筋樁對(duì)拱座基礎(chǔ)的加固效果非常明顯。

4 拱座基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)

理論計(jì)算表明：采用錨筋樁對(duì)3號(hào)拱座基礎(chǔ)加固的方案是可行的，加固后拱座基礎(chǔ)所在邊坡整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。實(shí)際施工中，為確保工程安全，在實(shí)施錨筋樁作為主要加固方案的同時(shí)，還綜合采用基底壓漿與錨索對(duì)3號(hào)拱座基礎(chǔ)進(jìn)行輔助加固處理。

圖5 未采用錨筋樁加固時(shí)邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果圖示

圖6 采用錨筋樁加固后邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果圖示

4.1 錨筋樁設(shè)計(jì)

在基底范圍豎直向下鉆孔，孔徑φ130 mm，平面布置為橫橋向共10排，間距2 m，順橋向6排，間距1.5～2.5 m；孔底位于基底外傾節(jié)理面以下不小于2m，孔深12～20 m。每個(gè)鉆孔內(nèi)放入3根直徑28 mm的HRB400束筋，作為基巖抗滑動(dòng)剪切的主要受力構(gòu)件。孔內(nèi)采用M40水泥漿進(jìn)行壓漿。

4.2 基底壓漿設(shè)計(jì)

用水泥漿液灌入巖體裂隙或破碎帶，以增強(qiáng)基巖的整體性，提高巖層面之間的粘聚力。壓漿孔位平面間距為1.5 m～2.0 m，按梅花形布置，順橋向共布置6排合計(jì)62個(gè)壓漿孔。鉆孔孔徑90 mm，深度10.5 m。壓漿管采用DN25型鋼管，漿液采用M40水泥漿，壓漿壓力0.5～1.0 MPa。

4.3 錨索設(shè)計(jì)

拱座基底以下設(shè)兩排預(yù)應(yīng)力錨索，防止臨水側(cè)基巖側(cè)向失穩(wěn)。錨索傾角15°，長度為32 m，錨固段范圍位于A5區(qū)，穿過了節(jié)理發(fā)育帶（見圖7）。錨索采用壓力分散型，錨固段長度為9m，設(shè)計(jì)錨固力為600kN。錨索壓漿采用從孔底到孔口返漿式壓漿，壓漿材料為M40水泥砂漿。

圖7 基底錨索設(shè)計(jì)圖

5 實(shí)測結(jié)果

在拱座頂面設(shè)置了6個(gè)位移觀測點(diǎn)，采用全站儀進(jìn)行高程測量，測量精度為±1 mm±1 ppm。從拱座施工完成開始觀測記錄，至全橋施工完成投入運(yùn)營，各測點(diǎn)位移變化量均未超過1 mm。結(jié)合測量精度分析，拱座基礎(chǔ)穩(wěn)定，未發(fā)生異常沉降。

6 結(jié)語

本文計(jì)算時(shí)重點(diǎn)研究錨筋樁的加固效果，拱座基底壓漿和邊坡坡體錨索加固僅作為安全儲(chǔ)備，有限元分析計(jì)算時(shí)并未考慮基底壓漿和坡體側(cè)向錨索的加固作用。理論計(jì)算和工程實(shí)踐都表明：通過錨筋樁、基底壓漿、錨索三項(xiàng)加固措施，3號(hào)拱座基礎(chǔ)完整性得到了提高，基礎(chǔ)下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算滿足規(guī)范要求，為類似橋梁基礎(chǔ)加固提供了參考。

[1]連鎮(zhèn)營,韓國城,孔憲京.強(qiáng)度折減有限元法研究開挖邊坡的穩(wěn)定性.[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2001,23(4):407.

[2]陳勝宏，汪衛(wèi)明，楊志明.筱溪水電站重力壩壩基錨筋樁加固研究[J].巖土力學(xué)，2010，31(4):1151-1156.

[3]劉金龍,欒茂田,關(guān)于強(qiáng)度折減有限元方法中邊坡失穩(wěn)判據(jù)的討論[J].巖土工程學(xué)報(bào),2005,26(8):1346.

U443.23

B

1009-7716（2017）04-0104-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.030

2017-01-09

張紅星（1978-），男，安徽蚌埠人，高級(jí)工程師，研究方向：橋梁設(shè)計(jì)。