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(zhǎng)江大橋建設(shè)開發(fā)有限公司 宜昌 443600)
香溪長(zhǎng)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(zhǎng)江至香溪鎮(zhèn)胡家坪,其主橋設(shè)計(jì)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(dú)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(jí)坡面需進(jìn)行特殊加固防護(hù)及邊坡抗滑設(shè)計(jì)。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(tái)+18根樁+錨索。
方案二:9 m承臺(tái)+12根樁+錨索,見圖1。
圖1 拱座邊坡防護(hù)方案簡(jiǎn)圖(單位:m)
根據(jù)實(shí)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(duì)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。
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?yàn)閆軸,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(jì)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(yàn)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(duì)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(shí)體單元模擬,直徑2 m,長(zhǎng)38 m,錨索采用結(jié)構(gòu)單元模擬,錨索總長(zhǎng)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(jì)算采用值(天然狀態(tài))
由于研究對(duì)象位于地表淺層,計(jì)算分析時(shí)僅考慮自重應(yīng)力作用。
邊坡開挖加載分析采用以下計(jì)算步驟:①天然邊坡自重平衡;②自重位移清零,模擬承臺(tái)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(tái)下4級(jí)邊坡開挖與支護(hù);⑤拱座開挖;⑥扣纜塔荷載加載,單個(gè)承臺(tái)荷載7×104kN,通過集中力施加在樁頂。
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(tái)中心點(diǎn)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(duì)邊坡擾動(dòng)較小。
2) 與f1斷層相交的2、3階開挖后,承臺(tái)順橋向位移相對(duì)增速較快;2~4階及基座開挖后,邊坡橫橋向位移相對(duì)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(tái)方案優(yōu)于9 m平臺(tái)方案,在支護(hù)和未支護(hù)方案中,15 m平臺(tái)方案位移均小于9 m 平臺(tái),且位移增速較平緩。
5) 相對(duì)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(tái)中心位移隨施工步序發(fā)展曲線
考慮到實(shí)際施工中樁基施工采用人工開挖,成孔較慢,對(duì)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(duì)邊坡擾動(dòng)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(tái)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(tái)錨索索力小0.4 kN。
圖4 優(yōu)化后承臺(tái)中心位移隨施工步序發(fā)展曲線
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(tái)方案、9 m平臺(tái)方案及對(duì)應(yīng)未施加樁錨方案中,15 m平臺(tái)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(duì)邊坡擾動(dòng)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(xiǎn),15 m平臺(tái)方案較9 m平臺(tái)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(zhǎng)江公路大橋主橋設(shè)計(jì)[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(zhǎng)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(zhǎng)江公路大橋橋址區(qū)斜坡穩(wěn)定性有限元分析[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào),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(bào),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(bào),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(jì)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2010,34(6):1138-1140,1145.