香溪長江大橋南岸邊坡防護(hù)方案評價與優(yōu)化*

董一鳴 王同民 鄭宏偉

(1.武漢輕工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 武漢 430040； 2.中鐵大橋局集團(tuán)第七工程有限公司 武漢 430050；3.湖北秭興長江大橋建設(shè)開發(fā)有限公司 宜昌 443600)

1 工程概況

香溪長江大橋在兵書寶劍峽上游峽口處由南向北從郭家壩鎮(zhèn)跨越長江至香溪鎮(zhèn)胡家坪，其主橋設(shè)計橋型為主跨(主橋交界墩間距)531.2 m的中承式鋼箱桁架推力拱橋[1]。大橋拱肋施工采用纜索吊裝法施工，工程施工期間，單幅纜塔基礎(chǔ)所承擔(dān)的最大荷載約7×104kN[2]。

南岸拱座分上、下游側(cè)單獨設(shè)置，挖基順橋向邊坡大于60 m，屬典型高邊坡，距離拱頂高約40 m處設(shè)有橋墩，并作為扣纜塔基礎(chǔ)，拱座頂面以上3級坡面需進(jìn)行特殊加固防護(hù)及邊坡抗滑設(shè)計。經(jīng)過方案比選，初步擬定邊坡防護(hù)如下。

方案一：15 m承臺+18根樁+錨索。

方案二：9 m承臺+12根樁+錨索，見圖1。

圖1 拱座邊坡防護(hù)方案簡圖(單位：m)

2 橋址區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)實地地質(zhì)調(diào)查與鉆探勘察結(jié)果，橋址區(qū)南岸橋頭邊坡上部覆蓋層主要為第四系雜填土(Q4ml)、殘坡積成因的碎石土層(Q4el+dl)，出露基巖主要為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組第三段(T1j3)白云質(zhì)灰?guī)r。

南岸岸坡主要為橫向坡，整體穩(wěn)定，表部存在一定厚度的卸荷巖體，主要構(gòu)造形跡為小型褶曲、溶洞、斷層及裂隙[3-4]。表部巖體中順層發(fā)育的相對軟弱的含有角礫狀灰?guī)r的J-1#，J-2#夾層以及沿軟弱層發(fā)育的f1，f2小斷層，上述順層軟弱帶局部臨空，f1與f2斷層順J-1#，J-2#角礫巖近平行發(fā)育，斷層帶充填斷層泥及碎裂巖，部分為泥質(zhì)膠結(jié)，遇水易崩解、軟化，局部斷面可見擦痕。f1斷層以上的部分在強(qiáng)降雨或地震工況下存在順層面滑移的可能。橋頭邊坡作為橋梁地基，如若失穩(wěn)或變形過大將直接導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)破壞。

3 計算模型及步驟

采用三維有限差分方法研究拱座高邊坡的變形、塑性區(qū)及結(jié)構(gòu)(樁基+錨索)受力。建立三維數(shù)值模型(見圖2)，模型范圍設(shè)置為順橋向(X軸)、橫橋向(Y軸)與垂直向(Z軸)均180 m。模型坐標(biāo)系以橋梁中心線為X軸，向北為正；鉛直方向為Z軸，向上為正；Y軸與X,Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，圖4中斷層產(chǎn)狀為320°∠30°，傾向與橫橋向相近。

圖2 三維計算模型

巖體及結(jié)構(gòu)面采用彈塑性Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，巖體物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)室內(nèi)力學(xué)試驗見表1，其中卸荷帶以外參數(shù)取飽和參數(shù)，卸荷帶以內(nèi)取天然參數(shù)。對邊坡幾何模型設(shè)置邊界條件為左右(X向)、前后(Y向)和底面(Z向)約束[5-6]。其中大直徑挖孔樁采用實體單元模擬，直徑2 m，長38 m，錨索采用結(jié)構(gòu)單元模擬，錨索總長30 m，錨索結(jié)構(gòu)前20 m為自由段，后10 m為錨固段，錨索預(yù)應(yīng)力為600 kN[7-8]。

表1 巖體及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)計算采用值(天然狀態(tài))

由于研究對象位于地表淺層，計算分析時僅考慮自重應(yīng)力作用。

邊坡開挖加載分析采用以下計算步驟：①天然邊坡自重平衡；②自重位移清零，模擬承臺以上邊坡的開挖；③位移清零，模擬樁基礎(chǔ)的開挖建造；④承臺下4級邊坡開挖與支護(hù)；⑤拱座開挖；⑥扣纜塔荷載加載，單個承臺荷載7×104kN，通過集中力施加在樁頂。

4 計算結(jié)果分析

建立方案一與方案二的三維數(shù)值模型，增加無支護(hù)模型。采用相同步驟和參數(shù)開展邊坡開挖及加載模擬，得到各方案承臺中心點位移隨施工步發(fā)展曲線，見圖3，由此可知：

1) 當(dāng)前狀態(tài)下樁基施工以及1階施工曲線平緩，對邊坡擾動較小。

2) 與f1斷層相交的2、3階開挖后，承臺順橋向位移相對增速較快；2～4階及基座開挖后，邊坡橫橋向位移相對增速較快，最大位移為拱座基礎(chǔ)開挖后，位移不足0.25 mm。

3) 扣纜塔加載產(chǎn)生水平位移量值均不大，有支護(hù)的方案中位移值均小于0.1 mm。

4) 15 m平臺方案優(yōu)于9 m平臺方案，在支護(hù)和未支護(hù)方案中，15 m平臺方案位移均小于9 m 平臺，且位移增速較平緩。

5) 相對無支護(hù)方案，樁錨支護(hù)能進(jìn)一步減小位移發(fā)展。

圖3 承臺中心位移隨施工步序發(fā)展曲線

考慮到實際施工中樁基施工采用人工開挖，成孔較慢，對工程進(jìn)度影響較大。根據(jù)上述結(jié)論，由于樁基施工以及1階開挖施工對邊坡擾動較小，可提出樁基與1階邊坡同步開挖施工，后安裝錨索和建造樁基的施工工序，此優(yōu)化工序施工完成后邊坡順橋向及橫橋向最大位移與原方案相當(dāng)，見圖4，而錨索索力相比15 m平臺方案在初始應(yīng)力600 kN的基礎(chǔ)上變化更小，主要表現(xiàn)在2，3，4階開挖后，均比15 m平臺錨索索力小0.4 kN。

圖4 優(yōu)化后承臺中心位移隨施工步序發(fā)展曲線

5 結(jié)語

1) 三維數(shù)值模擬結(jié)果表明橫橋向和順橋向位移均小于0.5 mm，巖體中未形成拉裂面，因此錨索應(yīng)力基本未發(fā)展。

2) 在15 m平臺方案、9 m平臺方案及對應(yīng)未施加樁錨方案中，15 m平臺方案邊坡變形及結(jié)構(gòu)受力最小。

3) 當(dāng)前狀態(tài)下樁基施工及1階施工對邊坡擾動較小。提出樁基與1階邊坡同步開挖施工，后安裝1階錨索和建造樁基的施工步序，該步序施工完成后相比原方案位移增大0.02 mm，后續(xù)開挖步序新增位移基本未變化。

綜上，拱座高邊坡在未開挖及開挖未支護(hù)工況下有安全風(fēng)險，15 m平臺方案較9 m平臺方案施工位移較小，能更好地達(dá)到穩(wěn)定性要求。

[1] 詹建輝，張銘，張家元.宜昌香溪長江公路大橋主橋設(shè)計[J].橋梁建設(shè)，2017(3)：7-12.

[2] 肖開乾，鄭宏偉，王同民，等.湖北香溪長江公路大橋具備拱肋吊裝條件[J].世界橋梁，2017(3)：94-95.

[3] 羅明明，肖天昀，陳植華,等.香溪河巖溶流域幾種巖溶水系統(tǒng)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2014(6)：13-19，25.

[4] 賈洪彪，馬淑芝，唐輝明，等.巴東長江公路大橋橋址區(qū)斜坡穩(wěn)定性有限元分析[J].測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報，2013(5)：456-460.

[5] 馮濤，王春雷，張友誼.邊坡穩(wěn)定性分析的FLAC數(shù)值模擬法[J].路基工程，2006(6)：89-91.

[6] 杜宇本，鄭光，蔣良文，等.大瑞鐵路瀾滄江大橋工程邊坡穩(wěn)定性三維數(shù)值模擬分析[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，2010(1)：108-114.

[7] 張恩峰，周健，宋修廣，等.預(yù)應(yīng)力錨索錨固效應(yīng)的三維數(shù)值模擬及工程應(yīng)用研究[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，2006(2)：166-173.

[8] 董必昌,舒陶浪,安新強(qiáng),等.邊坡抗滑樁優(yōu)化設(shè)計[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版),2010,34(6):1138-1140,1145.