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        松坎特大橋棄土場穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

        2021-06-18 01:33:18李春峰
        青海交通科技 2021年5期
        關(guān)鍵詞:樁基橋梁變形

        何 健 李春峰 劉 剛

        (貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 貴陽 550001)

        既有棄土場自身穩(wěn)定性對處于其范圍內(nèi)的擬建橋梁工程結(jié)構(gòu)的變形及安全至關(guān)重要。本文以其作為研究對象,結(jié)合工程實例進(jìn)行研究。擬建松坎特大橋為分幅橋,左幅起止樁號為ZK11+134.7~ZK13+071.8,全長1937.1m;右幅起止樁號為YK11+103.353~YK13+024.453,全長1921.1m。上部結(jié)構(gòu)為:左幅6×30m T梁+(73+135+73)m連續(xù)剛構(gòu)+(8×40+20×40.5)m T梁+2×70m鋼混組合梁+6×30m T梁;右幅6×30m T梁+(73+135+73)m連續(xù)剛構(gòu)+(8×40+20×40.5)m T梁+2×70m鋼混組合梁+6×30m T梁;下部構(gòu)造為:雙肢薄壁空心墩、薄壁空心墩、柱式墩、門式墩,樁基礎(chǔ)。橋臺采用重力式實體橋臺和樁柱式橋臺,樁基礎(chǔ)和擴大基礎(chǔ)。擬建特大橋10#~12#墩位于某高速施工棄土場內(nèi),橋梁墩臺位置與棄土場空間位置關(guān)系見圖1。

        圖1 橋梁墩臺與棄土場空間位置

        為確保擬建特大橋建設(shè)施工及運營安全,應(yīng)系統(tǒng)分析棄土場穩(wěn)定性及其變形對橋梁墩臺的影響 ,并針對性的提出工程處治措施,本文首先對棄土場場區(qū)工程地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)勘察。在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建棄土場穩(wěn)定性計算模型,分析棄土場整體穩(wěn)定性,隨后針對棄土場提出二種工程處治方案,基于有限元理論,采用Midas GTS建立處治措施數(shù)值模擬模型[1-2],綜合評價各措施處治效果,并選取最優(yōu)方案,以期為工程建設(shè)提供指導(dǎo)。

        1 棄土場基本特征

        某高速施工棄土場位于擬建特大橋里程樁號ZK11+592(YK11+561)~ZK11+720(YK11+687)左76~右160m范圍,該棄土場長約240m,寬約140m,平面面積約3.3萬m2,最大填深約25m,最大填高46m,填方體積約34萬m3。

        據(jù)鉆探揭露其成分為為黏土、碎石、塊石,碎塊石,母巖為泥質(zhì)白云巖、白云巖等,最大厚度約25m。下部原土為殘坡積黏土,呈可塑狀。根據(jù)2017年8月13日地形斷面實測資料,松坎特大橋10#~12#墩位于棄土場上,該棄土為新近堆積的素填土,因棄土厚度分布不均,中前部厚、后部較薄,存在固結(jié)沉降差,造成棄土場后部形成裂縫,此外,裂縫寬度會隨著沉降的增大而加寬、加深,利于降雨入滲,導(dǎo)致棄土場穩(wěn)定性整體降低。施工擾動及暴雨作用下易發(fā)生垮塌。

        2 整體穩(wěn)定性評價

        2.1 計算模型及方法

        棄土場自然狀態(tài)下坡體后緣有局部開裂現(xiàn)象,據(jù)現(xiàn)場實測斷面資料,本文以沿橋軸線方向(潛在主滑面C-C')作為穩(wěn)定性分析計算斷面,采用Midas GTS構(gòu)建地質(zhì)模型,以強度折減法作為棄土場穩(wěn)定性計算理論[3],計算分析棄土場穩(wěn)定及變形狀況[4-6],棄土場斷面及計算模型見圖2和圖3。

        圖2 穩(wěn)定性分析計算地質(zhì)斷面 圖3 數(shù)值分析計算模型

        2.2 巖體力學(xué)參數(shù)

        根據(jù)工程地質(zhì)勘察、室內(nèi)外試驗、工程地質(zhì)類比及反演計算分析等方法綜合確定巖體力學(xué)參數(shù)取值,見表1。

        表1 巖土體力學(xué)參數(shù)取值表

        2.3 計算結(jié)果

        棄土場自然狀態(tài)下穩(wěn)定性計算結(jié)果見表2,計算云圖見圖4、圖5。

        表2 巖土體力學(xué)參數(shù)取值表

        圖4 正常工況計算結(jié)果 圖5 暴雨工況計算結(jié)果

        由計算結(jié)果可知,棄土場穩(wěn)定性不滿足邊坡安全控制標(biāo)準(zhǔn),自然狀態(tài)下棄土場處于欠穩(wěn)定狀態(tài),暴雨狀況下則處于失穩(wěn)狀態(tài)。

        此外,該棄土場為新近堆填而成,由圖6、圖7對棄土場沉降變形計算可知,該棄土場沉降固結(jié)后將產(chǎn)生約42cm的位移變形,其中水平向位移約40cm左右,若不及時對該棄土場變形及其穩(wěn)定性進(jìn)行控制,其對橋梁樁基的建設(shè)勢必產(chǎn)生巨大影響,嚴(yán)重威脅橋梁建設(shè)安全。

        圖6 固結(jié)沉降變形(水平向) 圖7 固結(jié)沉降變形(總變形)

        3 處治措施數(shù)值模擬分析

        由前述計算分析可知,該棄土場目前處于欠穩(wěn)定狀態(tài),暴雨條件下處于失穩(wěn)狀態(tài),且其固結(jié)沉降變形較大,需對棄土場進(jìn)行工程處治[7-8],以保證橋梁工程安全建設(shè)。

        綜合考慮棄土場環(huán)境位置、清方轉(zhuǎn)運條件、特大橋建設(shè)施工情況以及變形控制要求,擬采用方案1:部分削方減載+抗滑樁;方案2:部分削方減載+抗滑樁+錨索二種工程防護(hù)設(shè)計方案對該棄土場進(jìn)行工程處治,并采用數(shù)值模擬分析評價各方案處治效果[9-10]。

        3.1 部分削方減載數(shù)值模型計算及結(jié)果分析

        棄土場部分削方減載后,采用有限元數(shù)值分析其穩(wěn)定性及變形,計算模型見圖8所示,穩(wěn)定性計算結(jié)果見圖9,土體變形計算結(jié)果見圖10、圖11。

        圖8 部分削方減載計算模型 圖9 穩(wěn)定性計算結(jié)果

        圖10 固結(jié)沉降變形(水平向) 圖11 固結(jié)沉降變形(總體)

        數(shù)值模擬計算表明,對棄土場進(jìn)行部分削方減載后,棄土場整體穩(wěn)定性系數(shù)為1.112,不滿足邊坡穩(wěn)定性安全控制標(biāo)準(zhǔn)(1.35);土體固結(jié)沉降變形從最大42cm減小到15cm,水平變形從40cm減小到10cm左右,雖然沉降變形得到較大程度的控制,但對于特大橋工程建設(shè)來說,其變形并不能滿足橋梁建設(shè)要求,須對棄土場作進(jìn)一步的處治措施。

        3.2 處治方案數(shù)值模型計算及結(jié)果分析

        棄土場進(jìn)行部分削方減載后其穩(wěn)定性及變形均不滿足安全控制要求,經(jīng)對該棄土場潛在主滑面下滑推力進(jìn)行分析計算,見下滑推力曲線圖12,擬于A、B兩處布設(shè)抗滑樁,抗滑樁規(guī)格為2×3m,其中,A型抗滑樁樁長22m,B型抗滑樁樁長30m,并擬采用方案1:部分削方減載+抗滑樁;方案2:部分削方減載+抗滑樁+錨索兩種設(shè)計方案對該棄土場進(jìn)行工程處治,并采用有限元數(shù)值模擬方法評價各處治方案的治理效果。

        (1)削方減載+抗滑樁方案

        方案1有限元計算模型見圖13所示,穩(wěn)定性計算結(jié)果見圖14,棄土場土體變形計算結(jié)果見15。

        圖12 下滑推力曲線圖 圖13 方案1計算模型

        圖14 方案1穩(wěn)定性計算結(jié)果 圖15 方案1土體固結(jié)沉降變形變形 (水平向)

        采用方案1進(jìn)行工程處治后,棄土場穩(wěn)定性系數(shù)為2.23,滿足邊坡安全控制標(biāo)準(zhǔn),且棄土場變形已控制在合理范圍;抗滑樁施工后,棄土場土體作用下,A型抗滑樁最大水平位移為4.0cm,B型抗滑樁最大水平位移為4.2cm,其變形滿足抗滑樁變形控制要求,橋梁樁基施工后,由10#、11#墩最大水平位移曲線可知,10#墩最大水平位移為1.6mm,11#墩最大水平位移為2.7mm,滿足特大橋變形控制要求(6mm)(圖16~20)。表明削方減載+抗滑樁方案處治效果較好。需要說明的是,部分削方減載后,12#墩已在棄土場范圍之外。

        圖16 A型抗滑樁水平位移

        圖18 方案1橋梁樁基水平位移云圖

        圖19 10#墩樁基水平位移曲線 (方案1)

        (2)削方減載+抗滑樁+錨索方案

        采用削方減載+抗滑樁+錨索方案對棄土場進(jìn)行工程處治,錨索為預(yù)應(yīng)力錨索(6束),錨固段長8m,施加預(yù)應(yīng)力為300KN,其數(shù)值計算模型見圖21,計算結(jié)果見圖22~26所示。

        圖20 11#墩樁基水平位移曲線(方案1)

        圖22 方案2穩(wěn)定性計算結(jié)果

        圖23 方案2土體固結(jié)沉降變形變形

        圖24 方案2橋梁樁基水平位移云圖

        圖25 10#墩樁基水平位移曲線 (方案2)

        圖26 11#墩樁基水平位移曲線(方案2)

        采用方案2進(jìn)行工程處治后,在預(yù)應(yīng)力錨索的作用下,棄土場穩(wěn)定性得到進(jìn)一步的提高,達(dá)到2.45,對于棄土場土體及橋梁樁基而言,采用方案1治理后,土體水平向最大變形為4.1mm,橋梁樁基施工后最大水平位移為2.7mm;采用方案2治理后,土體水平向最大變形為4.0mm,橋梁樁基最大變形為2.4mm。對比分析可知,采用方案2治理后,其對于棄土場土體位移變形、橋梁樁基變形等控制效果并不明顯。

        綜合考慮方案1、方案2處治效果,在滿足棄土場穩(wěn)定及橋梁結(jié)構(gòu)變形控制要求的前提下,從技術(shù)、經(jīng)濟、安全方面考慮,方案1優(yōu)于方案2。

        4 結(jié)論

        本文通過系統(tǒng)分析棄土場穩(wěn)定性及土體變形對橋梁樁基的影響,提出部分削方減載+抗滑樁、削方減載+抗滑樁+錨索兩種方案對棄土場進(jìn)行工程處治,并對處治效果進(jìn)行數(shù)值模擬,得出以下結(jié)論:

        (1)棄土場自然狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定狀態(tài),暴雨條件下處于失穩(wěn)狀態(tài),土體固結(jié)沉降后其水平變形達(dá)42cm。

        (2)棄土場部分削方減載后其穩(wěn)定性有所增加,固結(jié)沉降變形得到一定程度的控制,但總體而言不滿足特大橋安全控制標(biāo)準(zhǔn)。

        (3)采用方案1部分削方減載+抗滑樁進(jìn)行工程處治后,棄土場整體穩(wěn)定性為2.23,滿足邊坡安全控制標(biāo)準(zhǔn);抗滑樁最大水平位移為4.2cm,其變形滿足抗滑樁變形控制要求,橋梁樁基施工后,樁基最大位移變形為2.7mm,滿足特大橋變形控制要求(6mm)。

        (4)采用方案2部分削方減載+抗滑樁+錨索進(jìn)行工程處治后,棄土場穩(wěn)定性為2.45,土體水平向最大變形為4.0mm,橋梁樁基最大變形為2.4mm。其對于棄土場土體位移變形、橋梁樁基變形等控制效果相較于方案1來說并不明顯。

        綜合比較方案1、方案2治理效果,方案1從技術(shù)、經(jīng)濟、安全方面均優(yōu)于方案2。本研究可為相類似的工程建設(shè)施工提供一定的參考與借鑒。

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