姬同旭， 李昌龍

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)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(yàn)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(yàn)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(jì)算公式。姬同旭[3]借鑒抗滑樁單樁內(nèi)力計(jì)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(jì)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(yùn)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?yàn)楣こ虒?shí)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(yàn)，因此本次計(jì)算參數(shù)主要采用反算法、地層類比法及經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(shí)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(yàn)算

通過已有研究成果[9-10]計(jì)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?yàn)楣こ虒?shí)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(diǎn)部位進(jìn)行監(jiān)測。