高陡邊坡橋臺穩(wěn)定性分析及處治

李曉旭

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

山嶺重丘區(qū)建設(shè)高速公路，橫跨較大沖溝時，通常以橋梁形式通過。為減小橋梁規(guī)模，節(jié)約工程投資，高速公路在設(shè)計選線后，通常將橋梁及橋頭側(cè)挖方段設(shè)置為單坡，導(dǎo)致挖方段排水只能通過橋臺邊坡排至溝底。由于排水?dāng)嗝娌蛔慊蚺潘O(shè)施施工質(zhì)量較差帶來較多病害。臨縣至離石高速公路棗林互通1號橋3號臺高陡邊坡受雨水沖刷，橋臺側(cè)壁土體不斷坍塌，存在安全隱患，本文分析了邊坡的穩(wěn)定性，提出了對邊坡的處治措施，為日后類似的高陡邊坡處治設(shè)計、施工提供一定的參考依據(jù)。

1 工程概況

臨縣至離石高速公路棗林互通1號橋位于棗林收費站臨縣方向的E匝道與主線銜接處，整座橋梁跨沖溝而過，橋下凈高約30～50 m，橋位左側(cè)為陶家莊2號主線橋，橋位右側(cè)臨近棗林溝河道，橋面與河床高差約65 m。橋址位于黃土覆蓋基巖山區(qū)，微地貌為黃土沖溝、陡坎、斜坡及基巖斜坡、陡坎，地勢起伏較大，溝底基巖出露。地層主要由第四系全新統(tǒng)（Q3）黃土（粉土）、中更新統(tǒng)（Q2）黃土（粉土、粉質(zhì)黏土）、太古界奧家灘組（Ar2a）花崗片麻巖構(gòu)成。

a）Q3地層巖性為黃土（粉土），黃褐色，稍密結(jié)構(gòu)，稍濕狀態(tài)，厚3.0～6.0 m。

b）Q2地層巖性為黃土（粉土、粉質(zhì)黏土），黃土（粉土）為褐黃色，中密結(jié)構(gòu)，稍濕-濕狀態(tài)；黃土（粉質(zhì)黏土），褐紅色，硬塑狀態(tài)，厚16.0～20.0 m。

c）Ar2a地層巖性為花崗片麻巖，強-中風(fēng)化，肉紅色，強風(fēng)化層厚約2.0～6.5 m，巖芯較破碎，中風(fēng)化層巖芯呈5～10 cm短柱狀，粒狀變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，厚30～45 m。

連年雨水沖刷造成3號臺臺前土壁較?。ㄗ蠓? m，右幅1 m），黃土溝壁臨空面坡較陡，坡率為1∶0.6～1∶0.65，落差較大，約65 m，隨時有被雨水沖垮、塌落的危險，影響橋臺樁基，且橋梁上游由于堆放棄渣對橋梁存在安全隱患。

圖1 3號橋臺高陡邊坡水毀全貌

圖2 3號橋臺側(cè)邊坡

2 邊坡水毀成因分析

a）地質(zhì)條件 橋臺邊坡地層上覆第四系Q3、Q2黃土，垂直、柱狀節(jié)理較發(fā)育，易受大氣降水的沖蝕而滑塌，易產(chǎn)生落水洞。3號臺側(cè)壁邊坡不斷發(fā)生坍塌，在橋臺底發(fā)現(xiàn)落水洞。

b）地形條件 橋位位于棗林溝河道側(cè)以上，地形呈陡坡狀，橋臺路基設(shè)計標(biāo)高1 158.94 m，河道原地面標(biāo)高1 094.00～1 096.43m，高差64 m。由于地形較陡，橋頭邊坡急流槽極難施工至坡腳，導(dǎo)致橋頭挖方路基邊溝匯水通過3號橋臺側(cè)邊坡流出，易對邊坡產(chǎn)生沖刷。

c）降雨條件 2016年臨縣降雨量為70年一遇，降雨量較大，加快了對3號橋臺邊坡的沖刷導(dǎo)致不斷坍塌。

3 邊坡處治設(shè)計

特殊的地形、地質(zhì)以及降雨條件造成3號橋臺邊坡持續(xù)沖刷，影響邊坡穩(wěn)定性及橋臺安全，經(jīng)過地質(zhì)勘察及分析論證，高陡邊坡為欠穩(wěn)定狀態(tài)。

由于現(xiàn)狀溝壁及橋臺外側(cè)自然邊坡較陡，需將下游及溝口回填，同時應(yīng)避免壓占河道。錨拉式樁板墻為新型的邊坡加固結(jié)構(gòu)，代替高大的重力式擋墻具有良好的加固效果[1]，造價相對較低。為了保證邊坡穩(wěn)定及橋臺安全，對邊坡采用錨拉式樁板墻支擋，加筋路堤回填土方反壓邊坡，橋下虛填土灰土擠密樁處理，坡面護坡防護，并完善綜合排水系統(tǒng)。

具體方案為下游溝口設(shè)置錨拉式樁板式擋土墻，布設(shè)長度90 m，設(shè)計參數(shù)見表1。對橋臺外側(cè)邊坡拓寬5 m回填土反壓，邊坡坡率1∶1.5，樁頂以上20.0 m處設(shè)2.0 m寬平臺，同時在樁頂以上20.0 m范圍，每2.0 m鋪設(shè)一層土工格柵與原地面結(jié)合部采用倒坡為4%的2.0 m臺階搭接，樁板墻墻背采用砂礫回填，砂礫回填至樁頂以上2.0 m的位置，以上部分采用橋梁上游堆放虛渣回填。對1號和2號橋墩范圍內(nèi)的虛填土采用擠密處理，坡面采用護坡+拱形骨架+植草綠化防護，坡頂砂礫部分邊坡采用護坡防護，以上采用拱形骨架+植草綠化防護，平臺、坡面設(shè)置排水溝、急流槽等設(shè)施完善綜合排水系統(tǒng)。

表1 錨拉式樁板墻設(shè)計參數(shù)

高陡邊坡處治平面設(shè)計圖見圖3，高陡邊坡處治斷面設(shè)計圖見圖4。

圖3 高陡邊坡處治平面設(shè)計圖

圖4 高陡邊坡處治斷面設(shè)計圖

4 邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 有限元計算模型的建立及計算

基于強度折減法原理[2-3］，利用Plaxis有限元軟件，根據(jù)工程地質(zhì)實際按照平面應(yīng)變問題建立邊坡的計算模型，模擬分析邊坡處治前后穩(wěn)定性，并檢驗邊坡處治效果。

選取邊坡主方向及地質(zhì)勘察資料建立有限元模型。邊坡高度60 m，水平距離153 m，共3層，巖層1為粉土層，厚度3～6 m，巖層2為粉質(zhì)黏土層，厚度16～20 m，巖層3為花崗片麻巖，厚度54～60 m。

采用理想彈塑性模型，莫爾-庫倫準(zhǔn)則，樁板墻采用板單元模擬，與土體之間作用采用界面單元模擬，錨索自由端采用點對點錨桿單元模擬，錨固段及土層之間土工格柵采用土工格柵單元模擬，土模型邊界下部為固定邊界，兩側(cè)為水平約束，上部為自由邊界。有限元計算模型網(wǎng)格劃分示意圖見圖5。

圖5 有限元計算模型網(wǎng)格劃分示意圖

根據(jù)巖層出露情況，原位測試結(jié)果及室內(nèi)土工試驗成果，邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)表

4.2 有限元計算結(jié)果分析及評價

自重應(yīng)力作用下的邊坡最大主應(yīng)力等值線如圖6所示，從圖中可知，應(yīng)力值隨著深度的增大而增大，分布從上到下由疏到密，應(yīng)力集中現(xiàn)象位于邊坡變化點處，但不明顯。

圖6 自重應(yīng)力作用下的邊坡最大主應(yīng)力等值線

邊坡處治后邊坡最大主應(yīng)力等值線及位移云圖如圖7所示，從圖中可知，邊坡處治后導(dǎo)致邊坡最大主應(yīng)力重新分布，應(yīng)力集中區(qū)域主要位于錨拉式樁板墻與地面相交處。位移最大值出現(xiàn)在土工格柵以上邊坡坡面，最大值為5.6 cm，而原邊坡位移量明顯減小，說明邊坡坡面采用回填土反壓對原邊坡治理有效，同時鋪筑土工格柵部分土體位移明顯小于未鋪筑土工格柵部分，說明鋪筑土工格柵對減小填土沉降有顯著作用。同時，從錨拉式樁板墻內(nèi)力計算彎矩為零點及剪力最大值出現(xiàn)在地面偏下處，驗證了下滑力作用在錨拉式樁板墻受荷載段，通過錨固段傳遞至基巖的加固機理。

圖7 邊坡處治后邊坡最大主應(yīng)力等值線及位移云圖

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，自重作用下邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.05，邊坡處治后穩(wěn)定系數(shù)為1.88，較處治前有較大程度的提高，達(dá)到了邊坡處治的預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)語

以臨縣至離石高速公路棗林互通1號橋3號臺高陡邊坡橋臺處治為背景，對邊坡穩(wěn)定性進行了深入分析，采取了有效的處治措施，得出以下結(jié)論：

a）在勘察設(shè)計階段，當(dāng)采用橋梁跨越黃土沖溝時，應(yīng)合理布設(shè)跨徑，適量增加高陡邊坡側(cè)橋梁長度。要注重橋頭路基排水設(shè)計，特別是橋臺兩側(cè)為高陡邊坡。橋頭路基為路塹邊坡時，路線縱坡盡量采用人字坡，減少路基邊溝匯水從橋臺處排出。

b）在不能采用放緩邊坡的情況下，采用反壓+支擋+綜合排水工程是提高高陡邊坡穩(wěn)定性的有效措施。

c）錨拉式樁板墻作為一種新型輕型支擋結(jié)構(gòu)，在邊坡治理方面經(jīng)濟、有效。