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        香溪長江大橋南岸邊坡防護方案評價與優(yōu)化*

        2018-03-08 05:41:59董一鳴王同民鄭宏偉
        交通科技 2018年1期
        關鍵詞:步序橫橋錨索

        董一鳴 王同民 鄭宏偉

        (1.武漢輕工大學土木工程與建筑學院 武漢 430040; 2.中鐵大橋局集團第七工程有限公司 武漢 430050;3.湖北秭興長江大橋建設開發(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,單幅纜塔基礎所承擔的最大荷載約7×104kN[2]。

        南岸拱座分上、下游側(cè)單獨設置,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處設有橋墩,并作為扣纜塔基礎,拱座頂面以上3級坡面需進行特殊加固防護及邊坡抗滑設計。經(jīng)過方案比選,初步擬定邊坡防護如下。

        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 拱座邊坡防護方案簡圖(單位:m)

        2 橋址區(qū)地質(zhì)結(jié)構特征

        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致橋梁結(jié)構破壞。

        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(樁基+錨索)受力。建立三維數(shù)值模型(見圖2),模型范圍設置為順橋向(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軸構成右手坐標系,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)構面采用彈塑性Mohr-Coulomb本構模型,巖體物理力學參數(shù)根據(jù)室內(nèi)力學試驗見表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)構單元模擬,錨索總長30 m,錨索結(jié)構前20 m為自由段,后10 m為錨固段,錨索預應力為600 kN[7-8]。

        表1 巖體及結(jié)構面力學參數(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,模擬樁基礎的開挖建造;④承臺下4級邊坡開挖與支護;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,在支護和未支護方案中,15 m平臺方案位移均小于9 m 平臺,且位移增速較平緩。

        5) 相對無支護方案,樁錨支護能進一步減小位移發(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,見圖4,而錨索索力相比15 m平臺方案在初始應力600 kN的基礎上變化更小,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,因此錨索應力基本未發(fā)展。

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

        3) 當前狀態(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工況下有安全風險,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計[J].橋梁建設,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].測繪科學技術學報,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)力學學報,2010(1):108-114.

        [7] 張恩峰,周健,宋修廣,等.預應力錨索錨固效應的三維數(shù)值模擬及工程應用研究[J].地質(zhì)力學學報,2006(2):166-173.

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

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