框架錨桿結構加固高速公路橋梁邊坡效果分析研究

楊 濤，譚玉強

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴陽 550081)

0 引 言

隨著我國基礎設施的快速發展，特別是西部山區高速公路建設由于地形地貌及地質條件的限制，使得高速公路的橋隧比重很大，造成多數橋梁橋墩修建在高陡斜坡地帶。為了滿足公路線形，在高陡斜坡地帶常采用橋梁結構跨越。但由于該類橋梁樁基不僅承擔著橋面上部荷載，也承擔著高陡邊坡在自重或外部荷載的作用下產生的下滑推力，所以該類橋梁樁基防護設計不能采用常規平坦路段的設計方法。近年來，針對此類道路橋梁邊坡的受力問題及其防護措施的學術研究取得了一系列有價值的成果。如姬同旭等[1]以實際高速公路建設工程為例，提出削方減載與抗滑支擋相結合的組合式橋梁防護措施。劉建華[2]通過室內模型，分析了巖質邊坡橋梁樁基的受力模式。巨小強[3]以西成高鐵養家河大橋成都側橋基邊坡為例，采用FLAC3D數值分析方法，對其不同工況下的穩定性進行分析，并提出防護該類型橋墩的治理措施。勾婷穎[4]在分析高速公路邊坡橋梁樁基的受力特點中，經過計算提出科學合理的邊坡保護措施，確保橋梁樁基的穩定性。白旭升[5]通過數值模擬分析、理論分析，研究了高陡邊坡狀況下復雜橋梁樁基的受力特性。包婷婷[6]通過現場監測分析及數值模擬方法，分析了高速公路邊坡對臨近橋梁墩臺的影響。姬同旭[7]以仁赤線橋梁邊坡為例，采用抗滑樁單樁內力的計算方法推導出橋梁邊坡橋墩的內力計算方法。上述研究大多針對高速公路橋梁邊坡的橋墩內力計算方面，對于高速公路橋梁邊坡防護設計的研究內容較少。由于高速公路橋梁邊坡防護受地形地貌的限制，不能像高速公路路基邊坡那樣采用大直徑抗滑樁對邊坡進行加固，而且由于高速公路車輛人流密集，涉及公共安全，關系重大，因此開展高速公路橋梁邊坡支護設計研究是十分必要的。為此，本文以貴州省六盤水至威寧高速公路市某大橋為工程實例，充分考慮邊坡和橋墩的相互作用，開展高速公路橋梁邊坡的防護措施加固效果分析研究。

1 工程概況

該大橋全長3 782 m，為全線控制性工程。該橋D號橋墩位于一陡斜坡區域，D號橋墩橋臺右側引道開挖至設計標高后，形成高約34 m巖質坡，該邊坡從上到下依次為素填土、紅黏土、塊石土、強風化白云質灰巖、中風化白云質灰巖，強風化白云巖巖體節理裂隙發育，結合極差，遇水易軟化。施工期受強降雨影響，在調查期間發現D號橋墩前緣可見3～5 cm裂縫，D號橋墩北側草叢中有貫通的剪切裂縫，長約15～17 m，后緣拉裂縫已形成，滑坡前緣位于施工便道前方，變形區直接威脅到D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D號橋墩所在的斷面進行高速公路邊坡橋墩加固效果分析研究。見圖1。

圖1 邊坡剖面圖及橋墩、防護措施布置圖

2 高速橋梁邊坡穩定性分析

2.1 赤平投影分析

挖后形成高約30～34 m之間巖土組合邊坡，開挖后土體部分易發生圓弧滑動；巖體部分根據本次勘察在邊坡范圍內實測統計的節理繪制其赤平投影圖，現根據赤平投影圖進行分析評價(注：開挖面按坡率1∶0.6進行繪制)。根據赤平極射投影圖(圖2)分析可知，巖層傾向與坡向夾角為21°，為順向坡，且傾角小于邊坡坡角，為外傾不利結構面。節理J1與坡向夾角為0°，為順向結構面，但傾角遠大于邊坡坡角，沿J1發生滑動的可能性小。邊坡開挖后，邊坡易沿巖層面發生圓弧滑動。

圖2 赤平投影分析圖

2.2 數值模擬分析

高速公路邊坡上的橋墩穩定性研究類似于樁結構和巖土體相互作用的問題。本文采用數值模擬方法對高速公路高陡邊坡上的橋墩穩定性進行研究[1]。模型長110 m、寬6 m、高34 m，橋墩采用樁結構單元進行模擬[1]。該邊坡(橋墩布置位置已在圖3中顯示)三維模型參見圖3。模型底部固定，頂部自由前后左右邊界施加X方向約束，坡體表面Y方向自由約束；邊坡初始應力為自重應力。

由于該處滑體主要為受構造面切割呈塊狀的白云巖，根據鉆探結果顯示其滑動面為原巖構造面，粉質黏土含量極少，無法采取土樣進行土工試驗。因此，本次計算參數主要采用反算法、地層類比法及經驗數據法進行綜合選取，巖土體參數(均以飽和工況為準)見表1，橋墩結構計算參數見表2、框架梁結構參數見表3、錨桿結構參數見表4。

圖3 有限元模型圖

表1 巖土體參數表

表2 橋墩結構計算參數表

表3 框架梁結構參數

表4 錨桿結構參數

2.3 無支護條件下橋梁邊坡橋墩穩定性分析

為反映出該邊坡的真實情況，本次僅對飽和工況下的情況進行模擬分析[1]。在未加防護措施的情況下，該段邊坡處于不收斂狀態。邊坡X方向位移云圖見圖4、橋墩樁身水平向位移值見圖5、橋墩樁身彎矩見圖6。

由此可知，在飽和工況且未加防護的情況下1#橋墩樁身最大位移為7.083 cm，橋墩樁身最大彎矩為1.82×104kN·m。

圖4 飽和工況下邊坡X方向位移云圖

圖5 未施加防護措施的橋墩水平位移圖

圖6 未施加防護措施的橋墩彎矩圖

2.4 墩身穩定性驗算

通過已有研究成果[7]，計算出橋墩能承受的最大彎矩為7.14×103kN·m。從上圖得出的1#墩的樁身最大彎矩值大于該限值。

3 框架錨桿加固效果分析

從以上分析可見，在不加防護措施、邊坡處于飽和工況的情況下，A號墩1#墩樁身最大水平位移值及樁身最大彎矩值均大于規范要求。在此種情況下，需采取合理的措施來對邊坡進行防護。

鑒于本路段屬于高速公路斜坡路段，用地條件有限，抗滑樁等占地面積較大的支擋結構物在此類工程中使用較少，本文結合現場實際情況選擇框架錨桿結構對該橋梁邊坡進行加固。從上至下第一排錨桿錨固深度為5 m、第二排錨桿錨固深度為5.5 m、第三排錨桿錨固深度為依次為4.5，3，1.5 m?？蚣苠^桿布置見圖7。施加防護措施后邊坡的水平位移情況見圖8，橋墩樁身位移及彎矩見圖9-圖10。

圖7 錨桿結構布置圖

圖8 施加防護措施后邊坡水平位移圖

圖9 施加防護措施后橋墩水平位移圖圖

圖10 施加防護措施后橋墩彎矩圖

由分析結果可知，在飽和工況施加防護的情況下，1#橋墩樁身最大位移為1.417 cm，滿足規范關于橋墩水平位移限值的要求。橋墩樁身最大彎矩為3.21×103kN·m，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域穩定狀態，驗證了框架錨桿結構加固該類型橋梁邊坡的有效性。

4 結 論

本文以貴州省六盤水至威寧高速公路某大橋為工程實例，對錨桿框架結構加固橋梁邊坡的效果進行分析研究，得到以下結論：

1) 施工過程中，邊坡下滑產生的推力是橋墩產生形變的主要原因。

2) 在飽和工況條件下，橋墩頂部水平向位移超過規范要求限值，且橋墩的樁身最大彎矩值遠大于橋墩的抗彎強度，并導致橋墩產生一定的傾斜度，需要進行加固處理。

3) 為防止橋墩傾斜的進一步加大，綜合以上分析，設計單位對該段邊坡采取了框架錨桿加固的治理措施。加固后，邊坡處于穩定狀態，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部位進行監測。