曹 俊 姜 波 彭宇肸

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

山區(qū)公路建設(shè)中,高速公路常采用大跨徑特殊結(jié)構(gòu)橋梁跨越落差較大的深切峽谷地帶,岸坡穩(wěn)定性制約著主墩基礎(chǔ)的位置及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此,合理確定主墩位置是確保工程安全及工程造價(jià)的關(guān)鍵因素。羅勇[1]系統(tǒng)研究了深切峽谷大跨徑橋梁岸坡穩(wěn)定性影響因素及評(píng)價(jià)方法,李春峰等[2]結(jié)合抵母河特大橋岸坡工程實(shí)例,建立穩(wěn)定性計(jì)算模型,采用剛體極限平衡法計(jì)算各種工況下岸坡的穩(wěn)定性;潘慶等[3]基于離散元建立江凱河特大橋岸坡數(shù)值模型,模擬各種工況下岸坡巖體的位移及張開裂縫的分布;方健等[4]基于經(jīng)濟(jì)性和安全性優(yōu)化橋位,綜合區(qū)域穩(wěn)定性和工程穩(wěn)定性對(duì)綠汁江大橋最優(yōu)橋位進(jìn)行了分析。

河谷下切過程中,岸坡表生改造伴隨著應(yīng)力分異與重分布,形成平行于坡面方向的卸荷裂隙,并持續(xù)發(fā)生時(shí)效變形。在自重應(yīng)力及風(fēng)化作用下,淺表部巖體產(chǎn)生松弛,致使原有結(jié)構(gòu)面拉張及產(chǎn)生新的次生裂隙,形成卸荷帶,其沿臨空面表部裂隙張開至坡后一定范圍趨于閉合[5],巖體受節(jié)理裂隙切割而表現(xiàn)出各向異性,巖體強(qiáng)度參數(shù)受巖體完整程度及結(jié)構(gòu)面條件共同影響。因此,巖體強(qiáng)度參數(shù)取值及合理避開卸荷裂隙帶是橋基岸坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵因素。

本文以某特大橋主墩選址為背景,在地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上獲取巖體非線性強(qiáng)度參數(shù)取值,結(jié)合剛體極限平衡與離散元數(shù)值分析方法,進(jìn)行岸坡的穩(wěn)定性計(jì)算,結(jié)合經(jīng)濟(jì)性與安全性對(duì)橋基位置進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況

貴州某特大橋橋位橫跨V形河谷,軸線段高程相對(duì)高差341.1 m,兩岸橋臺(tái)縱坡較陡,橋梁設(shè)計(jì)主跨600 m。設(shè)計(jì)橋型為雙塔雙索面鋼桁梁斜拉橋;下部結(jié)構(gòu)為薄壁空心花瓶形索塔、群樁基礎(chǔ)、重力式橋臺(tái)及樁柱式橋臺(tái),主墩承臺(tái)設(shè)計(jì)軸力為150×104kN,彎矩為130×104kN·m,剪力為5×104kN。

2 岸坡穩(wěn)定性影響因素分析

2.1 橋區(qū)工程地質(zhì)條件

橋區(qū)下伏基巖為三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(T1m)薄～中厚層狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r角礫巖及鈣質(zhì)頁巖,臨河側(cè)巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較破碎。橋區(qū)地層巖體呈單斜產(chǎn)出,產(chǎn)狀:152°∠14°,主要發(fā)育4組節(jié)理,J1:322°∠79°、J2:232°∠81°,J3:290°∠85°,J4:53°∠82°。兩岸強(qiáng)風(fēng)化節(jié)理裂隙呈張開狀,溶蝕-卸荷裂隙發(fā)育,裂隙張開度10～300 mm,表面較平直,泥質(zhì)充填,結(jié)合差,發(fā)育深度多數(shù)控制在3～5 m范圍內(nèi),中風(fēng)化層內(nèi)結(jié)構(gòu)面膠結(jié)良好,結(jié)合好。小樁號(hào)岸卸荷裂隙發(fā)育范圍距河谷向約30 m,大樁號(hào)岸卸荷裂隙發(fā)育范圍距河谷向約40 m。

兩岸巖體沿陡壁分布有13條明顯卸荷裂隙,平均延伸長度為5～8 m,最長可達(dá)20 m,頂部可見張開度約100～350 mm。裂隙切割巖體控制著巖體的整體穩(wěn)定性,在橋基選址時(shí),應(yīng)合理避開巖體中的溶蝕-卸荷裂隙發(fā)育帶。

2.2 岸坡巖體結(jié)構(gòu)特征

小樁號(hào)岸縱向?yàn)榫弮A外的切向坡,橫向?yàn)榫弮A順層坡,大樁號(hào)岸為緩傾內(nèi)切向坡,為典型的上硬下軟結(jié)構(gòu)類型岸坡。

兩岸岸坡表層巖體風(fēng)化程度較高,巖體破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,下部風(fēng)化程度低,巖石較為致密堅(jiān)硬,除臨空面出露的巖體風(fēng)化程度較高外,其余巖體基本未風(fēng)化。岸坡上部的灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r結(jié)構(gòu)面特征較相似,表面具溶蝕現(xiàn)象,結(jié)構(gòu)面較粗糙、較平直,局部節(jié)理有銹蝕現(xiàn)象,含少量泥質(zhì)充填,不易敲碎,節(jié)理跡長1～6 m,節(jié)理間距20～50 cm,節(jié)理裂隙寬度1～5 mm;橋基下伏60～70 m含一層厚約1.5 m的鈣質(zhì)頁巖夾層,巖體內(nèi)節(jié)理較發(fā)育,巖體破碎,呈裂隙碎塊狀結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)面較平直、光滑、連續(xù),含泥質(zhì)充填,風(fēng)化程度高,敲擊易碎,節(jié)理跡長0.5～1 m,節(jié)理間距1～3 cm,節(jié)理裂隙寬度0.5～2 mm。

2.3 岸坡潛在的變形失穩(wěn)模式

岸坡中部的鈣質(zhì)頁巖夾層易風(fēng)化剝落形成巖腔,導(dǎo)致上部巖體局部產(chǎn)生崩塌,兩岸縱坡巖體易沿著不利結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生解體或整體下滑;小樁號(hào)岸橫坡下伏軟弱夾層具備臨空條件,在風(fēng)化剝蝕及雨水軟化作用下,軟弱夾層面的強(qiáng)度不斷降低,在橋梁荷載作用下可能發(fā)生長大順層滑坡的可能。

3 基于廣義H-B強(qiáng)度準(zhǔn)則巖體參數(shù)取值

3.1 廣義H-B強(qiáng)度準(zhǔn)則

E.Hoek, E.T.Brown.1980年首次提出了Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則,通過地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI來表征巖體強(qiáng)度,后又提出了修正后的mb、s取值,得到廣義H-B強(qiáng)度準(zhǔn)則,使其可同時(shí)應(yīng)用于巖石和巖體,E.Hoek在2002年引入了擾動(dòng)因子D,提出考慮巖體擾動(dòng)情況的H-B強(qiáng)度準(zhǔn)則[6]。

(1)

(2)

式中:σ1、σ2分別為巖體破壞時(shí)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力;σc為巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度;mb為巖體H-B強(qiáng)度準(zhǔn)則參數(shù),表征巖體的軟硬程度,與完整巖塊的mi相關(guān),mi為完整巖塊的H-B常數(shù),可通過查表獲取;s表征巖體的破碎程度;a為針對(duì)不同巖體量綱的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

3.2 構(gòu)建新GSI量化取值表

根據(jù)國標(biāo)中對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的劃分,將巖體結(jié)構(gòu)分為整體、較完整、較破碎、破碎和極破碎,其劃分依據(jù)見表1。

表1 巖體結(jié)構(gòu)劃分表

Bieniawski提出的Jcond89對(duì)結(jié)構(gòu)面等級(jí)劃分的取值評(píng)分表見表2?；赗MR89分類法中考慮地下水對(duì)結(jié)構(gòu)面條件評(píng)分的影響,當(dāng)結(jié)構(gòu)面狀態(tài)由整體干燥變?yōu)闈駮r(shí),評(píng)分由15分降為7分。根據(jù)Hoek建立GSI=RMR89-5(RMR89>23)的線性關(guān)系式。

表2 結(jié)構(gòu)面條件評(píng)分表(Jcond89)

因此建議對(duì)巖體在飽水狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)面條件評(píng)分進(jìn)行折減,折減系數(shù)取值0.92。構(gòu)建出新的GSI量化取值表見圖1。

圖1 新構(gòu)建的GSI量化取值表

3.3 巖體參數(shù)取值

1980年提出H-B強(qiáng)度準(zhǔn)則時(shí),給出了巖石mi參數(shù)取值的初步指南,E.Hoek于1997年基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)再次提出比較全面且可以包含更多種巖石的mi取值方法,根據(jù)前文新構(gòu)建的GSI量化取值表,采用RocData巖土不連續(xù)體強(qiáng)度分析軟件,計(jì)算不同巖體在不同應(yīng)力條件下的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值,見表3。

表3 巖體強(qiáng)度力學(xué)參數(shù)取值

4 岸坡穩(wěn)定性計(jì)算分析

4.1 不同橋基位置下的岸坡穩(wěn)定性計(jì)算

小樁號(hào)岸設(shè)計(jì)主墩位于K39+010,大樁號(hào)岸位于K39+610。根據(jù)控制主墩位置的主要因素為臨河谷兩側(cè)發(fā)育的卸荷裂隙帶的穩(wěn)定狀況,考慮主墩以10 m為間隔向臨河岸側(cè)移動(dòng),采用Jianbu法分別計(jì)算不同墩位情況下的岸坡穩(wěn)定性。工況及控制標(biāo)準(zhǔn)見表4,計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 岸坡穩(wěn)定性分析工況及控制標(biāo)準(zhǔn)

表5 兩岸岸坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表5計(jì)算結(jié)果顯示,當(dāng)小樁號(hào)岸主墩位置位于K39+030之前,以及大樁號(hào)岸主塔位置位于K39+580后時(shí),岸坡穩(wěn)定性系數(shù)均滿足控制標(biāo)準(zhǔn),符合修建橋梁的要求。

4.2 數(shù)值模擬分析

兩岸巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,還需分析岸坡巖體在橋梁主墩荷載條件下的變形情況?；赨DEC離散元數(shù)值分析方法,將巖體看作被裂隙切割而成的非連續(xù)介質(zhì)體,塊體間按照不同的切割形式相互鑲嵌排列組成集合體,研究塊體集合體的運(yùn)動(dòng)特性,開展兩岸岸坡在不同工況條件下的變形特性分析。選取K39+030、K39+580分別作為兩岸主墩位置進(jìn)行分析,節(jié)理裂隙由層面與J1、J3控制,兩岸模型節(jié)理間距取10 m,軟弱夾層處加密為1 m,模型見圖2。模型左、右邊界施加水平向約束,底面邊界施加豎向約束,上邊界為自由邊界。針對(duì)工況二與工況三進(jìn)行模擬分析。

圖2 數(shù)值分析計(jì)算模型

小樁號(hào)主墩位于K39+030時(shí),2種工況條件下岸坡橋基處豎向位移最大約為7 mm(見圖3),岸坡安全系數(shù)大于1.23,2種工況下均滿足安全控制性標(biāo)準(zhǔn),從位移矢量圖見圖4。

圖3 工況二位移云圖 圖4 工況三位移矢量圖

由圖4可見,岸坡發(fā)生明顯位移部位離橋基較遠(yuǎn),表明橋基位于此樁號(hào)情況時(shí)對(duì)岸坡穩(wěn)定性無影響,可以修筑橋基。

大樁號(hào)主墩位于K39+580時(shí),2種工況條件下岸坡橋基處豎向位移最大約為8 mm(見圖5),岸坡安全系數(shù)大于1.23,2種工況下均滿足安全控制性標(biāo)準(zhǔn),位移矢量圖見圖6。由圖6可見,橋梁荷載作用下,橋基部分巖體有產(chǎn)生臨空向位移趨勢(shì),但此時(shí)岸坡穩(wěn)定性具有一定的安全儲(chǔ)備,表明橋基位于此樁號(hào)情況時(shí)對(duì)岸坡穩(wěn)定性基本無影響,可以修筑橋基。

兩岸計(jì)算結(jié)果顯示,小樁號(hào)岸主墩位于K39+030、大樁號(hào)主墩位于K39+580時(shí),岸坡整體穩(wěn)定,適宜修筑橋基。較原設(shè)計(jì)方案,可優(yōu)化跨徑50 m,節(jié)約工程造價(jià)千萬余元。

5 結(jié)論

1) 根據(jù)國標(biāo)中巖體結(jié)構(gòu)的劃分及Jcond89結(jié)構(gòu)面等級(jí)劃分方法,結(jié)合RMR89分類法中考慮地下水對(duì)結(jié)構(gòu)面條件評(píng)分的影響,構(gòu)建新的GSI量化取值表,可獲取巖體在一定埋深條件下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值。

2) 根據(jù)Jianbu法與UDEC離散元數(shù)值分析方法計(jì)算岸坡在橋梁荷載作用下的穩(wěn)定性,當(dāng)主墩位于K39+030與K39+580時(shí),兩岸岸坡穩(wěn)定性均滿足安全控制標(biāo)準(zhǔn),且橋基處豎向位移均為毫米級(jí)別,適宜橋基修筑。

3) 較橋梁原設(shè)計(jì)方案,可優(yōu)化跨徑50 m,節(jié)約工程造價(jià)千萬余元。