公路高陡滑坡橋墩穩(wěn)定性分析及其防護(hù)措施研究

姬同旭， 李昌龍

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司， 貴州 貴陽 550081)

隨著貴州省高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，為了滿足公路線形和保護(hù)自然環(huán)境，在高陡斜坡地區(qū)常采用橋梁結(jié)構(gòu)跨越，使得部分橋墩不得不在高陡邊坡地段修建。相比常規(guī)布置的橋墩來說，布置在高陡邊坡地段的橋墩不僅承擔(dān)著橋面上部荷載，也承擔(dān)著高陡邊坡在自重或外部荷載的作用下產(chǎn)生的下滑推力。對于高陡邊坡橋墩的受力問題及其防護(hù)措施，近年來國內(nèi)外學(xué)者也取得了一系列有價值的成果。劉建華等[1]根據(jù)現(xiàn)場試驗提出適用于高陡邊坡橋梁基樁內(nèi)力及位移分析方法。鄭建強(qiáng)[2]采用數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗的方法對高陡橫坡段高墩雙排樁的受力情況進(jìn)行分析并推導(dǎo)出樁身彈性壓縮量的計算公式。姬同旭[3]借鑒抗滑樁單樁內(nèi)力計算方法，推導(dǎo)出了棄土場橋墩在棄土場下滑推力作用下整個橋身的內(nèi)力計算公式。張燁[4]以宜萬鐵路分香溪中橋右側(cè)岸坡為例，提出了高陡邊坡橋墩的防護(hù)思路。曹立[5]以黔張常鐵路長灣澧水大橋2號墩大型基礎(chǔ)深切順層山坡為依托提出了防護(hù)該類型橋墩的治理措施。

橋梁橋墩的穩(wěn)定不僅會改變橋墩本身的幾何形態(tài)、受力狀態(tài)，甚至?xí)?dǎo)致橋墩開裂、坍塌進(jìn)而危及整座橋的施工運營安全。由此可見高陡邊坡橋墩的穩(wěn)定是關(guān)系到橋梁安全的一個關(guān)鍵性問題。為此，本文以貴州省大興至思南高速公路某特大橋為工程實例，充分考慮邊坡和橋墩的相互作用，對高陡邊坡橋墩的穩(wěn)定性進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的防護(hù)措施。

1 工程概況

該大橋左線全長1 016.8 m，右線全長1 020.1 m，是全線主要控制性工程之一。該橋思南側(cè)11—18號橋墩位于一陡斜坡地帶，該段斜坡高66 m，該滑坡區(qū)主要為泥質(zhì)砂巖，從上到下依次為全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，基巖為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化作用強(qiáng)烈。施工期受強(qiáng)降雨影響，在調(diào)查期間發(fā)現(xiàn)13號橋墩側(cè)可見2～3 cm沉降，13號橋墩北側(cè)樹林中可見連續(xù)貫通的羽狀剪切裂縫，長約30 m，后緣拉裂縫正在形成，潛在滑坡前緣位于施工便道附近，受施工開挖影響，坡體滑塌嚴(yán)重。在施工便道開挖、橋墩施工平臺開挖及區(qū)內(nèi)連降特大暴雨的影響下，該橋思南側(cè)滑坡上部潛在牽引變形區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)變形，變形區(qū)直接威脅到12—14號橋墩的安全，需要引起重視并采取合理處理措施以確保橋梁安全，本文選取13號橋墩(1#—4#墩)所在的Ⅲ—Ⅲ斷面進(jìn)行公路高邊坡橋墩穩(wěn)定性分析及其防治措施研究。

2 高陡邊坡橋墩穩(wěn)定性分析

2.1 有限元模型建立

高陡邊坡上的橋墩穩(wěn)定性研究是一個類似于樁結(jié)構(gòu)和巖土體相互作用的問題。為充分考慮巖土體與橋墩的相互作用，本文采用數(shù)值模擬方法對高陡邊坡上的橋墩穩(wěn)定性進(jìn)行研究。模型長149 m，寬30 m，高66 m，橋墩采用樁結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬[6]。該滑坡(橋墩、抗滑樁布置位置已在圖中顯示)三維模型如圖1所示。

邊界條件：模型底部固定，頂部自由，前后左右邊界施加水平方向約束，坡體表面垂直方向自由約束；邊坡初始應(yīng)力為自重應(yīng)力。有限元模型如圖2所示。

圖1 邊坡剖面圖及橋墩、防護(hù)措施布置圖

圖2 有限元模型圖

2.2 力學(xué)參數(shù)選取

由于該處滑體主要為受構(gòu)造面切割呈塊狀的泥質(zhì)砂巖，其滑動面為原巖構(gòu)造面，粉質(zhì)粘土含量極少，無法采取土樣進(jìn)行土工試驗，因此本次計算參數(shù)主要采用反算法、地層類比法及經(jīng)驗數(shù)據(jù)法進(jìn)行綜合選取，巖土體參數(shù)(均以飽和工況為準(zhǔn))如表1所示，橋墩、抗滑樁、護(hù)腳墻結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表1 巖土體參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)單元計算參數(shù)表

2.3 高陡邊坡橋墩穩(wěn)定性分析

圖3 飽和工況下邊坡水平方向位移云圖

為反應(yīng)出該邊坡的真實情況，本次模擬僅對飽和工況下的情況進(jìn)行模擬分析[6]。在未加防護(hù)措施的情況下，該段邊坡處于不收斂狀態(tài)。邊坡水平方向位移云圖如圖3所示，橋墩樁身水平向位移值如圖4所示，橋墩樁身彎矩如圖5所示。

圖4 未施加防護(hù)措施橋墩水平位移圖

圖5 未施加防護(hù)措施橋墩彎矩圖

由圖4、圖5可知，在飽和工況未加防護(hù)的情況下1#—4#橋墩樁身最大位移為8.817、9.722、11.274、13.849 cm，橋墩樁身最大彎矩為4.85×103、1.57×103、1.38×104、9.1×103kN·m。

2.4 橋墩穩(wěn)定性驗算

通過已有研究成果[9-10]計算出橋墩能承受的最大彎矩為6.94×103kN·m。從圖5得出的1#—4#墩的樁身最大彎矩值可見，3#、4#墩樁身最大彎矩值大于該限值。

3 高陡邊坡橋墩防護(hù)措施

從以上分析可見，在不加防護(hù)措施、邊坡處于飽和工況的情況下，13號墩1#—4#墩樁身最大水平位移值均大于規(guī)范要求值，且3#、4#墩樁身最大彎矩值大于橋墩的抗彎強(qiáng)度最大值。在此種情況下需采取合理的措施來對邊坡進(jìn)行防護(hù)，邊坡的治理措施如下：

(1)削方減載與回填反壓；

(2)為保護(hù)橋墩安全，在橋墩外側(cè)布置一排2.5 m×3.5 m的抗滑樁進(jìn)行支擋；

(3)設(shè)置護(hù)腳擋墻。

施加防護(hù)措施后邊坡的水平位移情況如圖6所示，橋墩樁身位移及彎矩如圖7和圖8所示。

圖6 施加防護(hù)措施邊坡的水平位移云圖

圖7 施加防護(hù)措施后橋墩水平位移圖

圖8 施加防護(hù)措施橋墩彎矩圖

由分析結(jié)果可知，在飽和工況施加防護(hù)的情況下1#—4#橋墩樁身最大位移分別為0.963、1.179、1.458、1.572 cm，滿足規(guī)范關(guān)于橋墩水平位移限值的要求。橋墩樁身最大彎矩為1.44×103、5.68×102、2.85×103、2.03×103kN·m，均小于橋墩能承受的最大彎矩。且由邊坡位移云圖可知邊坡區(qū)域處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 論

本文以貴州省大興至思南高速公路某特大橋為工程實例對高陡邊坡橋墩的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究，并針對性地提出了防治措施，得到以下結(jié)論：

(1)在施工過程中，邊坡滑動產(chǎn)生的下滑推力是橋墩產(chǎn)生變形傾斜的主要原因。

(2)在飽和工況條件下，橋墩頂部水平向位移超過規(guī)范要求限值；3#、4#橋墩的樁身最大彎矩值遠(yuǎn)大于橋墩的抗彎強(qiáng)度，并導(dǎo)致橋墩產(chǎn)生一定的傾斜度，因而繼續(xù)進(jìn)行加固處理。

(3)為防止橋墩傾斜的進(jìn)一步加大，綜合以上分析，施工單位對該段邊坡采取了削方減載、回填反壓、抗滑樁支擋和設(shè)置護(hù)腳擋墻相結(jié)合的治理措施。經(jīng)過加固后邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)且橋墩頂部位移值和樁身最大彎矩均滿足要求。鑒于該大橋是整段線路的控制性工程，建議在施工完后對重點部位進(jìn)行監(jiān)測。