烏溪江大橋拱座基礎加固

張紅星 古海東

（浙江省交通規劃設計研究院，浙江 杭州 310006）

烏溪江大橋拱座基礎加固

張紅星 古海東

（浙江省交通規劃設計研究院，浙江 杭州 310006）

烏溪江大橋主橋為260m的上承式鋼管混凝土拱橋，3號拱座位于陡坡上，基巖為中風化花崗巖，節理發育，對基礎邊坡穩定產生不利影響。通過有限元強度折減法從理論上探討采用錨筋樁加固拱座基礎方案的可行性。研究結果表明：采用錨筋樁加固后能大幅度提高邊坡的整體穩定安全系數。為確保工程安全，實際施工中采用了錨筋樁與基底壓漿、錨索組合形式對拱座基礎進行加固處理。實踐表明，加固效果明顯，可為類似橋梁基礎加固提供參考。

拱橋；拱座；基礎加固；錨筋樁

1 概況

1.1 橋梁總體設計

烏溪江大橋位于浙江省遂昌縣西部烏溪江庫區，采用二級公路雙向雙車道的技術標準，設計速度為60 km／h，橋梁全寬12 m，主橋為計算跨徑260 m上承式鋼管混凝土拱橋（見圖1）。

圖1 烏溪江大橋總體圖(單位:m)

烏溪江水庫一年中水位變化劇烈，最大可超過30 m，根據最近30 a水文資料，最高水位約230 m，最低水位約189 m。主橋拱座位于約60°的陡坡上，基底設計高程217 m，持力層為中風化花崗巖。

1.2 拱座基礎地質情況

拱座開挖到設計高程后，現場情況表明3號拱座基巖臨水側節理發育（見圖2），按照節理發育程度及性質，將3號拱座基礎及影響區域劃分為5個區（見圖3）。

圖2 3號拱座基巖節理實景

圖3 3號拱座基礎及影響區域劃分圖

A1（拱座外側臨江處）：該區域巖體較完整，呈塊狀體結構，主要發育三組節理，分別是262°∠86°，305°∠84°，197°∠40°，節理間距大于1 m，但局部巖體被這三組節理切割形成楔形體，爆破松動后易滑塌。

A2（拱座基礎88%的區域）：該區域巖體主要發育產狀為262°∠86°的長大節理，與岸坡小角度相交，陡傾于江心，節理發育密集，整體上扭曲，呈S形，經擠壓，巖體破碎，節理間距2～5 cm，節理面上有氧化膜，局部微張，巖體呈片狀結構。拱座88%面積上位于該區域，巖體節理密集發育，且受擠壓，極破碎。

A3（拱座東南角上）：該區域巖體主要發育產狀為262°∠86°的長大節理，與岸坡小角度相交，陡傾于江心，節理發育密集，節理面平直，閉合，為硬質結構面，節理間距5～8 cm，巖體呈片狀結構，巖體性質略好于A2區。

A4（拱座后緣）：該區域主要發育產狀為265°∠87°的長大節理，與岸坡小角度相交，陡傾于江心，節理較密集，節理面平直，閉合，為硬質結構面，一般節理間距10～15 cm，局部間距30 cm，節理面上有氧化膜，巖體呈片狀結構。

A5：該區域主要發育產狀為265°∠87°的長大節理，與岸坡小角度相交，陡傾于江心，節理面平直，閉合，為硬質結構面，節理間距20～30 cm，局部間距較寬，裂隙面上有氧化膜，巖體呈中層厚結構。

3號拱座地質鉆探孔內電視成像圖顯示，在高程207.35～205.95 m發育11條外傾節理（坡面傾向237°），傾向251°，傾角50°；在高程202.35 m處發育1條外傾節理，傾向271°，傾角24°，均為硬質結構面。

1.3 研究內容

3號拱座基巖裂隙發育，對拱座基礎下邊坡的穩定性產生不利影響，進而危及到整座拱橋的安全。因此，需要弄清3號拱座基礎邊坡穩定性是否滿足規范要求。若不滿足，應采用怎樣的加固方案是該項目的重點和難點。本文擬通過有限元強度折減法[1]從理論上分析3號拱座基礎邊坡穩定性，并研究采用錨筋樁[2]對橋梁拱座基礎進行加固的可行性；最后，結合工程實測結果，探討錨筋樁對橋梁拱座基礎的加固效果。

2 計算模型的建立

2.1 計算方法

本文采用有限元軟件ABAQUS基于有限元強度折減法進行邊坡穩定性計算。有限元強度折減技術的原理是通過利用式（1）和式（2）調整巖土體的強度指標c和φ，其中Ft為折減系數，ct和φt分別為折減后的巖土體粘聚力和內摩擦角，然后對巖土體進行有限元分析，通過不斷增加折減系數，反復分析土坡，直至達到臨界破壞，此時得到的折減系數即為安全系數。強度折減法的優點是安全系數可以直接給出，不需要事先假設滑裂面的形式和位置，并且滑裂面的范圍更加直觀。

目前有限元強度折減法中破壞標準的判斷主要有以下3種標準：（1）有限元計算不收斂作為失穩依據，對應的折減系數作為安全系數；（2）邊坡塑性區貫通作為失穩依據，對應的折減系數作為安全系數；（3）邊坡坡頂位移發生突變作為失穩依據，對應的安全系數作為邊坡安全系數。文獻[3]中指出，采用標準（2）和（3）得出的安全系數比較接近，且都比標準（1）得出的安全系數要小。本文有限元分析中的安全系數主要采用以上3種判定方法中得出的最小安全系數作為邊坡的最終安全系數。

2.2 計算模型與參數取值

利用ABAQUS有限元軟件建立烏溪江大橋3號拱座基礎邊坡的平面應變計算模型如圖4所示。巖土體采用實體單元模擬，錨筋樁采用梁單元模擬，錨筋樁與巖土體的接觸采用embed嵌入接觸模擬，巖土體的本構模型根據巖石節理發育情況分別采用節理材料模型與摩爾庫倫模型。

圖4 有限元計算模型簡圖

模型計算參數取值：A1～A3區域按節理材料模型計算,節理結構面黏聚力分別取170 kPa、130 kPa、170 kPa，摩擦角均取33°；A4和A5區域按四級巖石抗剪強度取黏聚力500 kPa，摩擦角30°；基底外傾節理面：黏聚力170 kPa，摩擦角33°。

3 計算結果分析

3.1 未采用錨筋樁加固

計算結果見圖5所示，3號拱座基礎未加固時下邊坡穩定安全系數僅為1.10，不滿足《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）中公路路塹邊坡穩定安全系數不小于1.2的要求。

3.2 采用錨筋樁加固

計算結果見圖6所示，采用錨筋樁加固后邊坡的穩定安全系數為1.76，滿足規范中安全系數不小于1.2的要求。

采用錨筋樁加固后，邊坡的穩定安全系數提高了約60%，說明錨筋樁對拱座基礎的加固效果非常明顯。

4 拱座基礎加固設計

理論計算表明：采用錨筋樁對3號拱座基礎加固的方案是可行的，加固后拱座基礎所在邊坡整體穩定性滿足規范要求。實際施工中，為確保工程安全，在實施錨筋樁作為主要加固方案的同時，還綜合采用基底壓漿與錨索對3號拱座基礎進行輔助加固處理。

圖5 未采用錨筋樁加固時邊坡穩定計算結果圖示

圖6 采用錨筋樁加固后邊坡穩定計算結果圖示

4.1 錨筋樁設計

在基底范圍豎直向下鉆孔，孔徑φ130 mm，平面布置為橫橋向共10排，間距2 m，順橋向6排，間距1.5～2.5 m；孔底位于基底外傾節理面以下不小于2m，孔深12～20 m。每個鉆孔內放入3根直徑28 mm的HRB400束筋，作為基巖抗滑動剪切的主要受力構件。孔內采用M40水泥漿進行壓漿。

4.2 基底壓漿設計

用水泥漿液灌入巖體裂隙或破碎帶，以增強基巖的整體性，提高巖層面之間的粘聚力。壓漿孔位平面間距為1.5 m～2.0 m，按梅花形布置，順橋向共布置6排合計62個壓漿孔。鉆孔孔徑90 mm，深度10.5 m。壓漿管采用DN25型鋼管，漿液采用M40水泥漿，壓漿壓力0.5～1.0 MPa。

4.3 錨索設計

拱座基底以下設兩排預應力錨索，防止臨水側基巖側向失穩。錨索傾角15°，長度為32 m，錨固段范圍位于A5區，穿過了節理發育帶（見圖7）。錨索采用壓力分散型，錨固段長度為9m，設計錨固力為600kN。錨索壓漿采用從孔底到孔口返漿式壓漿，壓漿材料為M40水泥砂漿。

圖7 基底錨索設計圖

5 實測結果

在拱座頂面設置了6個位移觀測點，采用全站儀進行高程測量，測量精度為±1 mm±1 ppm。從拱座施工完成開始觀測記錄，至全橋施工完成投入運營，各測點位移變化量均未超過1 mm。結合測量精度分析，拱座基礎穩定，未發生異常沉降。

6 結語

本文計算時重點研究錨筋樁的加固效果，拱座基底壓漿和邊坡坡體錨索加固僅作為安全儲備，有限元分析計算時并未考慮基底壓漿和坡體側向錨索的加固作用。理論計算和工程實踐都表明：通過錨筋樁、基底壓漿、錨索三項加固措施，3號拱座基礎完整性得到了提高，基礎下邊坡穩定性計算滿足規范要求，為類似橋梁基礎加固提供了參考。

[1]連鎮營,韓國城,孔憲京.強度折減有限元法研究開挖邊坡的穩定性.[J].巖土工程學報，2001,23(4):407.

[2]陳勝宏，汪衛明，楊志明.筱溪水電站重力壩壩基錨筋樁加固研究[J].巖土力學，2010，31(4):1151-1156.

[3]劉金龍,欒茂田,關于強度折減有限元方法中邊坡失穩判據的討論[J].巖土工程學報,2005,26(8):1346.

U443.23

B

1009-7716（2017）04-0104-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.030

2017-01-09

張紅星（1978-），男，安徽蚌埠人，高級工程師，研究方向：橋梁設計。