橋基邊坡的變形與穩(wěn)定性

1橋基邊坡變形破壞機(jī)制中國(guó)西南部橫跨河谷的許多大橋基礎(chǔ)位于河谷的河岸上。與自然邊坡不同,墩臺(tái)、樁基和邊坡組成了復(fù)雜橋基結(jié)構(gòu)體系。橋載荷通過墩臺(tái)和樁基傳遞給邊坡,增加的載荷可能造成邊坡失穩(wěn),而邊坡的過大變形將可能導(dǎo)致橋體結(jié)構(gòu)破壞,因此,邊坡變形需要嚴(yán)格控制。當(dāng)橋基置于邊坡上時(shí),其變形穩(wěn)定性分析既不同于基于半無限空間的“承載力”穩(wěn)定性驗(yàn)算,也不僅僅限于自然邊坡的穩(wěn)定性分析。西南某特大橋橋址區(qū)為深切“V”形河谷,主墩高137m,橋墩地面相對(duì)河谷底面高差約90m(圖1)。橋基位于邊坡臨空面的邊緣,由9根樁徑《2.50m、樁長(zhǎng)38~40m的嵌巖樁組成。橋基承受水平載荷3561kN、豎向載荷542379kN。在主墩樁基礎(chǔ)施工過程中,產(chǎn)生了新的卸荷拉張裂縫,橫貫墩址區(qū),如邊坡失穩(wěn),將危及大橋施工及運(yùn)行安全。由于橋基邊坡變形破壞機(jī)制復(fù)雜,需要結(jié)合數(shù)值模擬和極限平衡分析方法對(duì)橋基邊坡變形穩(wěn)定性和加固措施進(jìn)行研究。重點(diǎn)對(duì)橋載荷作用下邊坡破壞模式、預(yù)應(yīng)力錨桿加固對(duì)限制水平位移的作用、利用基樁作為抗滑樁以節(jié)省加固工作量的可行性分析以及重點(diǎn)加固部位與加固措施等問題進(jìn)行了深入分析。2橋基邊坡破壞模式分析2.1結(jié)構(gòu)面發(fā)育的影響橋基邊坡巖性主要為灰?guī)r,夾有薄層狀泥灰?guī)r或鈣質(zhì)泥巖,巖層傾向165°~200°,傾角60°~75°。坡向263°,坡角45°~50°。墩臺(tái)區(qū)結(jié)構(gòu)面主要發(fā)育有5組,對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響見表1。圖2為三維地質(zhì)概化模型有限元網(wǎng)格圖。2.2潛在破壞模式采用數(shù)值模擬分析中的強(qiáng)度折減法,結(jié)合結(jié)構(gòu)面組合分析方法,研究橋載荷作用下邊坡破壞模式。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查,橋基邊坡主要結(jié)構(gòu)面除層面為長(zhǎng)大結(jié)構(gòu)面外,其他節(jié)理裂隙為短小結(jié)構(gòu)面。為此,先按等效均質(zhì)巖體對(duì)自然邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析,后進(jìn)行加載工況數(shù)值模擬分析,分別用底滑面參數(shù)、弱風(fēng)化巖體參數(shù)和微新巖體參數(shù),按強(qiáng)度折減法搜尋最大剪應(yīng)變區(qū)。塑性區(qū)分布見圖3,最大剪應(yīng)變區(qū)(潛在滑動(dòng)面)見圖4,對(duì)自然邊坡最大剪應(yīng)變區(qū)、橋載荷作用下最大剪應(yīng)變區(qū)和塑性區(qū)分布形態(tài)以及結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進(jìn)行綜合分析,確定邊坡潛在破壞模式為沿傾向坡外的節(jié)理面DM1作為底滑面滑動(dòng)。傾向坡外的陡傾角結(jié)構(gòu)面P1構(gòu)成后緣拉裂面,層面CM構(gòu)成兩側(cè)切割面。根據(jù)底滑面傾角又具體分為2種潛在破壞模式:一是考慮橋墩樁底高程與坡角位置以及數(shù)值模擬分析結(jié)果“最可能的滑動(dòng)面主要分布在樁端上下附近部位”,潛在破壞底滑面傾角取18°(底滑面通過樁底);二是由于底滑面傾角越陡邊坡穩(wěn)定性越低,根據(jù)數(shù)值模擬分析方法搜尋潛在破壞底滑面結(jié)果,以及傾向坡外的緩傾角結(jié)構(gòu)面最大傾角為25°,潛在破壞底滑面傾角取25°(底滑面通過樁身)。3橋基邊坡變形結(jié)構(gòu)模型數(shù)值模擬方法采用巖土工程分析軟件FLAC3D,分別模擬自然邊坡、錨桿加固以及施加橋荷后(運(yùn)行期間)橋基邊坡變形及穩(wěn)定性。采用模型共剖分94483個(gè)單元、27822個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算域內(nèi)模擬了橋基邊坡強(qiáng)、弱風(fēng)化帶與微新巖體、底滑面、后緣拉裂面以及巖層層面,依據(jù)設(shè)計(jì)資料,模型中還模擬了9根樁基以及承臺(tái),均采用彈塑性Mohr?Coulomb實(shí)體單元,樁與巖體之間采用薄層單元,錨桿、錨索采用桿單元。由于橋墩位于山體淺層,巖體初始應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮,巖體與結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)以及混凝土與錨固參數(shù)采用值見表2。4邊坡穩(wěn)定分析與加固能力的確定4.1邊坡滑面參數(shù)概化模型由底滑面、后緣拉裂隙和兩側(cè)陡傾角巖層層面切割構(gòu)成,計(jì)算時(shí)巖層傾角取90°,考慮橋基混凝土承臺(tái)寬20.8m,加固范圍必須大于橋基橫向?qū)挾纫约板^索橫向加固布置需要,滑體橫向?qū)挾热?2m,即兩側(cè)巖層橫向距離為42m。后緣拉裂面貫通,且豎向載荷全部作用在底滑面上,不考慮巖層層面的抗滑作用,滑體失穩(wěn)模式為單面滑動(dòng)。在非正常工況(邊坡處于暴雨或連續(xù)降雨?duì)顟B(tài)下的工況)下,滑面出露處水壓力為零,兩滑面交點(diǎn)處水壓力最大,滑面上水壓呈線性分布。由于坡體在自然暴雨?duì)顩r時(shí)是穩(wěn)定的,故該條件下邊坡安全系數(shù)取為1.05,進(jìn)行等效地下水位反算,以下各方案相同。邊坡受力如圖5所示。參數(shù)取值根據(jù)表2采用加權(quán)平均方法確定滑動(dòng)面的綜合參數(shù)。按下式計(jì)算下滑力:N=(W+Q)sinθ+Tcosθ+P水側(cè)cosα。Ν=(W+Q)sinθ+Τcosθ+Ρ水側(cè)cosα。按下式計(jì)算抗滑力:M=[(W+Q)cosθ?Tsinθ?P水側(cè)sinα?P水底]×tanφ+cS1。Μ=[(W+Q)cosθ-Τsinθ-Ρ水側(cè)sinα-Ρ水底]×tanφ+cS1。上兩式中:W為邊坡巖體重力;Q為豎向橋荷載;T為水平向橋荷載;S1為底滑面面積;θ為底滑面夾角;α為后緣面水推力與底滑面夾角;P水側(cè)為后緣面水推力,P水側(cè)=12Pl22Ρ水側(cè)=12Ρl22;P水底為底滑面水推力,P水底=12Pl21Ρ水底=12Ρl12,其中l(wèi)1,l2分別為底滑面和后緣面長(zhǎng)度;φ為底滑面摩擦角;c為底滑面粘結(jié)力。4.2穩(wěn)定安全系數(shù)采用《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD30-2004)推薦的剩余推力法計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)和加固力。穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式為Ei=WQisinαi?1FS(cili+WQicosαitanφi)+Ei?1Ψi?1Ei=WQisinαi-1FS(cili+WQicosαitanφi)+Ei-1Ψi-1;Ψi?1=cos(αi?1?αi)?tanφiFSsin(αi?1?αi)Ψi-1=cos(αi-1-αi)-tanφiFSsin(αi-1-αi)。式中:WQi為第i土條的重力與外加豎向荷載之和;αi,αi-1為第i土條底滑面的傾角;ci,φi分別為第i土條底滑面的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角;li為第i土條底滑面的長(zhǎng)度;Ei-1為第i-1土條傳遞給第i土條的下滑力;FS為穩(wěn)定性系數(shù)。根據(jù)上式逐條計(jì)算,直到最后一條的剩余推力為零,由此確定穩(wěn)定安全系數(shù)。結(jié)合邊坡的實(shí)際情況,將橋基劃分為2個(gè)塊體進(jìn)行計(jì)算(如圖6所示)?？紤]地下水壓力和滑體橫向?qū)挾?2m,由安全系數(shù)遞推公式可得下列計(jì)算公式:E1=W1sinα1?1FS[42c1l1+W1cosα1tanφ1?P1tanφ1]E1=W1sinα1-1FS[42c1l1+W1cosα1tanφ1-Ρ1tanφ1],第2條塊剩余下滑力E2=W2sinα2+Qsinα2+Tcosα2?1FS[42c2l2+W2cosα2tanφ2?P2tanφ2?Tsinα2tanφ3]+E1[cos(α1?α2)?tanφ2sin(α2?α1)/FS]E2=W2sinα2+Qsinα2+Τcosα2-1FS[42c2l2+W2cosα2tanφ2-Ρ2tanφ2-Τsinα2tanφ3]+E1[cos(α1-α2)-tanφ2sin(α2-α1)/FS]式中:Q為橋豎向荷載;T為橋水平向荷載;P1為側(cè)滑面水推力,P1=12pl21Ρ1=12pl12;P2為側(cè)滑面水推力,P2=12Pl22Ρ2=12Ρl22;α1,α2分別為底滑面的傾角。4.3橋荷載對(duì)樁抗滑力的影響根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD30-2004),安全系數(shù)正常工況取1.30,暴雨工況取1.20。極限平衡分析方法和剩余推力傳遞法計(jì)算結(jié)果分別見表3和表4。由上述分析結(jié)果可見:底滑面傾角為18°時(shí),暴雨工況要達(dá)到1.20的安全系數(shù),需要提供阻滑力70000kN。底滑面傾角為25°時(shí),正常工況下要達(dá)到1.30的安全系數(shù),需要提供阻滑力219000kN;暴雨工況達(dá)到1.20的安全系數(shù)需提供阻滑力220000kN。為了節(jié)省加固工程量,需要對(duì)基樁作為抗滑樁可行性進(jìn)行分析。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,施加橋載荷后,樁部位豎直應(yīng)力變化情況如圖7所示,樁頂部最大豎直應(yīng)力量值為15.7MPa,橋載荷對(duì)樁豎直應(yīng)力影響范圍在樁上部25m以內(nèi)。樁周接觸單元塑性區(qū)僅限于樁上部10m范圍,樁身水平位移小于1.5mm。由于橋載荷主要由基樁上部承擔(dān)且樁身水平位移微小,因此可以利用基樁25m以下作為抗滑樁提供抗力,樁提供抗滑力為114864kN。由此將節(jié)省52.2%的加固工程量。考慮樁提供阻滑力114864kN,需要加固力為P抗=P總?P抗樁=220000?114864=105136kN。Ρ抗=Ρ總-Ρ抗樁=220000-114864=105136kΝ。經(jīng)綜合比較分析,并考慮橋基邊坡的重要性,按最大加固力105136kN進(jìn)行邊坡加固處理設(shè)計(jì)。5關(guān)于加固方案的研究5.1預(yù)應(yīng)力錨索加固措施加固部位按數(shù)值模擬塑性區(qū)范圍確定。數(shù)值模擬結(jié)果表明(圖2):施加橋載荷后承臺(tái)下部坡頂、坡腳部位、后緣拉裂面與底滑面塑性區(qū)增加,由此可以確定橋基坡頂處以及坡腳部位為重點(diǎn)加固部位。綜合分析數(shù)值模擬分析以及極限平衡分析成果,得出:第一,由于坡腳具有成片的塑性區(qū)且水平位移最大,同時(shí)為了減小水流沖刷的影響,需要加強(qiáng)坡腳塑性區(qū)巖體并限制水平位移,因此采用預(yù)應(yīng)力錨索和錨桿聯(lián)合加固措施;第二,承臺(tái)下部坡頂處為拉張塑性區(qū),施工過程中已有拉張裂隙產(chǎn)生,為了加固塑性區(qū)并限制水平載荷作用下的水平位移,采用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固。加固設(shè)計(jì)方案總體考慮如下:(1)橋墩樁基提供抗滑力。底滑面傾角為25°時(shí),樁穿過滑動(dòng)面約12m,有限元計(jì)算樁水平位移很小(<1mm),考慮樁提供抗滑力114864kN。(2)承臺(tái)下部坡頂為拉張塑性區(qū)(施工過程中已有拉張裂隙產(chǎn)生),另外為了限制水平位移,采用1000kN壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固處理。(3)加固基腳,采用錨索+錨桿聯(lián)合方案,加強(qiáng)塑性區(qū)并限制水平位移?？够τ缮喜垮^索、下部錨索和錨桿的聯(lián)合提供加固力105136kN。具體布置為:承臺(tái)下部布置3排共30根1000kN預(yù)應(yīng)力錨索;坡腳采用14排共180根3×《32錨桿和30根1000kN預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合提供加固力,錨索安設(shè)角取為30°。5.2預(yù)應(yīng)力錨索等加固措施后邊坡位移特征對(duì)未經(jīng)加固的橋基邊坡施加橋載荷進(jìn)行數(shù)值模擬。水平位移趨勢(shì)為沿坡腳向上遞減,方向指向坡外,最大水平位移出現(xiàn)在坡腳部位,位移量值為2.16mm,橋基處巖體水平位移值小于1mm。橋基處最大垂直位移為15mm。采用預(yù)應(yīng)力錨索等加固措施后,最大水平位移在邊坡表面錨索端頭部位,位移量值為0.35mm。位移趨勢(shì)為從坡表錨索端頭部位沿錨索方向向坡內(nèi)遞減,位移方向指向坡內(nèi),樁部位因施加錨索引起的水平位移值在0.1mm之內(nèi),表明錨索加固對(duì)橋基影響是有限的,見圖8。采取加固措施后施加橋載荷,位移值相對(duì)于未經(jīng)加固的橋基邊坡有所減小,坡腳最大水平位移量值2.01mm,橋基處最大垂直位移11mm。對(duì)于滑面,加固后水平位移減小約8.9%~18.6%,表明加