卸荷裂隙及順層岸坡雙重控制下特大橋主塔選址研究*

高 楊 曾 耀 汪育慶

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

深切峽谷區(qū)修建特殊結(jié)構(gòu)大跨徑橋梁，主塔選址決定了橋型方案、孔跨布置及工程造價(jià)。安全、經(jīng)濟(jì)的主塔選址常受到岸坡穩(wěn)定性的控制，對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)和論證極具必要性和重要性[1]。穩(wěn)定性評(píng)價(jià)應(yīng)采用綜合的評(píng)價(jià)方法，并遵循定性分析與定量計(jì)算相結(jié)合的評(píng)價(jià)思路[2]。烏江特大橋是遵余高速公路重點(diǎn)控制性工程，峽谷區(qū)地形、地質(zhì)條件極為復(fù)雜，余慶岸主塔選址受縱橋向卸荷裂隙發(fā)育的高陡岸坡、橫橋向夾有軟弱夾層的長(zhǎng)大順層岸坡穩(wěn)定性雙重控制，合理選擇主塔位置難度極大。本文在充分調(diào)研和分析橋區(qū)岸坡工程地質(zhì)條件、變形破壞模式的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了工程地質(zhì)分析[3]，結(jié)合定量計(jì)算[4-7]，以為余慶岸主塔選擇安全、經(jīng)濟(jì)的選址位置，以期為地形地質(zhì)條件復(fù)雜的峽谷區(qū)其他特大橋主塔選址和優(yōu)化提供思路和參考。

1 工程概況

烏江特大橋?yàn)榭缭綖踅癠”形峽谷而設(shè)，橋型方案為主跨680 m的懸索橋，橋梁全長(zhǎng)2 009 m，橋型布置圖見圖1。河谷切割深度達(dá)300余m，地層巖性為三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(T1m)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁(yè)巖，巖性組合復(fù)雜，巖層產(chǎn)狀231°∠20°。橋區(qū)未發(fā)育大型活動(dòng)斷裂，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，地震動(dòng)峰值加速度值為0.05g，地震基本烈度為VI度。余慶岸主塔坐落于陡崖之上，陡崖前緣發(fā)育有多條深大卸荷裂隙，形成卸荷裂隙帶，控制縱向岸坡穩(wěn)定性及主塔選址；地形三面臨空，橫橋向形成長(zhǎng)約300 m順層岸坡，層間夾鈣質(zhì)頁(yè)巖，其力學(xué)性質(zhì)差，控制了橫橋向長(zhǎng)大岸坡穩(wěn)定性。余慶岸全貌圖見圖2。

圖1 橋型布置圖

圖2 余慶岸全貌

2 主塔選址主控因素

縱橋向高陡巖質(zhì)岸坡、橫橋向長(zhǎng)大順層岸坡穩(wěn)定性雙重控制是余慶岸主塔選址的難點(diǎn)與顯著特點(diǎn)。

2.1 縱橋向高陡巖質(zhì)岸坡

巖層傾向231°，為切向巖質(zhì)邊坡，巖性為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁(yè)巖。在較硬/硬質(zhì)巖陡崖區(qū)，卸荷裂隙是常見的地質(zhì)現(xiàn)象，裂縫往往切穿巖體，并在風(fēng)化、溶蝕等進(jìn)一步作用下，導(dǎo)致巖體崩塌、錯(cuò)落，這種破壞模式作用下，縱橋向高陡巖質(zhì)岸坡發(fā)生破壞而形成危巖體、堆積體及錯(cuò)落體等不良地質(zhì)。因此，主塔選址應(yīng)避開卸荷裂隙帶且留有一定的距離作為安全儲(chǔ)備，以保障橋梁主塔的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

采用地質(zhì)調(diào)繪、實(shí)測(cè)地表裂縫、槽探及物探等手段，查明卸荷裂隙發(fā)育特征見表1，其分布范圍見圖3。地表可見裂隙發(fā)育方向基本與河流走向一致，發(fā)育深度20～50 m不等，張開度0.2～1.5 m，一般為黏土充填并伴有溶蝕現(xiàn)象。

表1 地表裂縫統(tǒng)計(jì)表

圖3 卸荷裂隙分布范圍

2.2 橫橋向長(zhǎng)大順層岸坡

臨空巖體傾角20°，臨空條件與層間力學(xué)性質(zhì)是控制順層岸坡穩(wěn)定性的主要因素。前緣臨空巖體沿軟弱夾層拉裂破壞，逐步牽引后緣巖體，這種牽引式的漸進(jìn)破壞是橫橋向順層岸坡變形破壞的主要模式。

1) 臨空條件分析

左側(cè)沖溝切割是產(chǎn)生臨空條件和軟弱夾層出露的關(guān)鍵因素，實(shí)測(cè)水下地形和對(duì)比水庫(kù)蓄水前地形，該沖溝存在明顯的分界；K48+305前緣溝谷深切，出露多層鈣質(zhì)頁(yè)巖；K48+305后緣淺切，軟弱夾層出露層數(shù)減少，對(duì)應(yīng)里程K48+280已無(wú)軟弱夾層出露。沖溝分界位置見圖4，不同里程樁號(hào)沖溝切割深度與出露鈣質(zhì)頁(yè)巖夾層對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

圖4 沖溝分界及層間鈣質(zhì)頁(yè)巖照片

里程樁號(hào)切割深度/m軟弱夾層層數(shù)K38+3801246K38+3601195K38+3401064K38+320803K38+305672K38+290601K38+280550

2) 關(guān)鍵層位(鈣質(zhì)頁(yè)巖)力學(xué)性能

順層巖體發(fā)生破壞往往沿薄弱的結(jié)構(gòu)面發(fā)生，因此，鈣質(zhì)頁(yè)巖的力學(xué)性質(zhì)是進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算和評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。在自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下各進(jìn)行3組現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)，試件尺寸為50 cm×50 cm×40 cm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)成果，鈣質(zhì)頁(yè)巖力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)見表3。

表3 鈣質(zhì)頁(yè)巖直剪試驗(yàn)峰值

3 岸坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與主塔選址

3.1 縱向高陡巖質(zhì)岸坡

巖體發(fā)生破壞一般是沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的，特別是張性結(jié)構(gòu)面，它破壞了巖體的完整性，且為降雨入滲提供了有利的通道，加速了巖體的風(fēng)化。采用以巖石塊體、結(jié)構(gòu)面為基本單元的離散元法進(jìn)行數(shù)值分析，得到自重應(yīng)力作用下張節(jié)理分布特征，巖塊和結(jié)構(gòu)面均采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，取值見表4、表5，根據(jù)中軸線工程地質(zhì)斷面圖(見圖5)建立離散元計(jì)算模型見圖6。

表4 巖塊物理力學(xué)參數(shù)取值

表5 結(jié)構(gòu)面參數(shù)取值

圖5 中軸線工程地質(zhì)縱斷面

圖6 離散元計(jì)算模型

模型計(jì)算收斂后，張節(jié)理分布特征見圖7。

圖7 張開結(jié)構(gòu)面分布特征

由圖7可知，陡崖崖口至K48+360區(qū)域巖體節(jié)理面明顯張開，貫通率高，易形成深大貫穿性卸荷裂隙。結(jié)合實(shí)測(cè)地表裂縫發(fā)育范圍和物探資料，綜合判定橋軸線方向K48+360至陡崖崖口區(qū)域?yàn)樾逗闪严稁?，該區(qū)域巖體易發(fā)生崩塌、錯(cuò)落等形式的變形破壞，長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，主塔選址應(yīng)避開該區(qū)域。

3.2 橫向長(zhǎng)大順層岸坡

臨空條件、軟弱夾層出露情況及其力學(xué)性質(zhì)控制了橫橋向長(zhǎng)大順層岸坡的穩(wěn)定性。計(jì)算采用以巖塊、結(jié)構(gòu)面為基本單位的離散元強(qiáng)度折減法，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)面主控條件下的岸坡穩(wěn)定性，同時(shí)采用剛體極限平衡法(Bishop法、Sarma法)相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，得到巖體完整性主控條件下岸坡穩(wěn)定性。計(jì)算所用參數(shù)見表4、表5及表6。

表6 中風(fēng)化巖體物理力學(xué)參數(shù)

分別對(duì)K48+380、K48+360、K48+320、K48+305、K48+290、K48+280及K48+270共7個(gè)斷面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。根據(jù)不同里程樁號(hào)工程地質(zhì)橫斷面建立相應(yīng)的穩(wěn)定性計(jì)算模型，以K48+360樁號(hào)為例，計(jì)算斷面、計(jì)算模型見圖8～10。

圖8 工程地質(zhì)橫斷面圖

圖9 剛體極限平衡法計(jì)算模型

圖10 離散元計(jì)算模型

離散元強(qiáng)度折減法、剛體極限平衡法(Bishop法、Sarma法)計(jì)算得橫橋向長(zhǎng)大順層岸坡穩(wěn)定性系數(shù)見表7。由表7可見，離散元法計(jì)算得軟弱夾層和規(guī)律性節(jié)理控制條件下長(zhǎng)大順層岸坡穩(wěn)定性系數(shù)從K48+360-K48+270出露軟弱夾層層數(shù)減少，穩(wěn)定性系數(shù)呈逐步增大趨勢(shì)。剛體極限平衡法計(jì)算得軟弱夾層和巖體完整性控制條件下長(zhǎng)大順層岸坡穩(wěn)定性系數(shù)，選取最低庫(kù)水位590 m、最高庫(kù)水位630 m共2種極端水位作為靜水位邊界條件，計(jì)算得從K48+360-K48+270穩(wěn)定性系數(shù)同樣呈增大的趨勢(shì)，且由于庫(kù)水提供的抗力，高水位工況下岸坡穩(wěn)定性系數(shù)高于低水位工況。

表7 長(zhǎng)大順層岸坡穩(wěn)定性系數(shù)一覽表

注：工況1-荷載組合：自重+橋梁荷載;工況2-荷載組合：自重+橋梁荷載+暴雨;工況3-荷載組合：自重+橋梁荷載+地震。

3.3 主塔選址

余慶岸主塔選址從安全、經(jīng)濟(jì)方面考慮，受縱橋向卸荷裂隙發(fā)育的高陡巖質(zhì)岸坡、夾有軟弱夾層的橫橋向長(zhǎng)大順層岸坡穩(wěn)定性雙重控制，故應(yīng)同時(shí)滿足以下2個(gè)條件：①縱橋向避開卸荷裂隙發(fā)育帶；②橫橋向順層岸坡穩(wěn)定性系數(shù)滿足安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)。

為滿足條件①，主塔應(yīng)選址于K48+360之后。

為滿足條件②，選取自然工況Fs=1.35、暴雨工況Fs=1.25及地震工況Fs=1.10作為安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)[8-9]，則主塔應(yīng)選址于K48+290之后。

主塔平面尺寸為軸向長(zhǎng)×橫向?qū)?17 m×40.2 m，考慮主塔平面構(gòu)造大小，且同時(shí)滿足條件1、條件2，主塔中心樁號(hào)應(yīng)設(shè)置于K48+280。

4 結(jié)論

1) K48+360至陡崖崖口區(qū)域?yàn)樾逗闪严栋l(fā)育帶，卸荷裂隙切割巖體，易導(dǎo)致巖體發(fā)生崩塌、錯(cuò)落等變形破壞，主塔選址應(yīng)避開該區(qū)域。

2) K48+380-K48+290范圍縱橋向雖避開了卸荷裂隙發(fā)育帶，但橫橋向長(zhǎng)大順層岸坡穩(wěn)定性不滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，不適宜主塔建設(shè)。

3) 主塔選址于K48+280(中心樁號(hào))，縱橋向已完全避開卸荷裂隙帶，同時(shí)橫橋向長(zhǎng)大順層岸坡穩(wěn)定性系數(shù)滿足安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)，是安全、經(jīng)濟(jì)的主塔選址位置。