滑坡?lián)p毀在建橋梁臨時加固利用研究

冉隆飛， 李志杰， 張文學(xué)， 陳 浩

( 1.中國鐵建第十二工程局集團(tuán)，海南 海口 570000; 2.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

由于我國西南山區(qū)地勢陡峭，在施工過程中修建臨時便道難度大、費(fèi)用高，即便修建了施工臨時便道也很難滿足運(yùn)梁需求，因此施工時多采用已修建好的公路作為運(yùn)梁通道。如果已架設(shè)的橋梁因地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生損毀不僅自身經(jīng)濟(jì)損失巨大，而且如果采取直接拆除重建方案將直接影響后續(xù)架梁工作，進(jìn)而影響整個過程的建設(shè)工期。如何對因滑坡?lián)p毀橋梁進(jìn)行承載力評估，并提出合理的臨時加固方案，確保損毀橋梁能夠滿足后續(xù)架梁通行，是處理滑坡?lián)p毀橋梁時必須考慮的問題。

1 工程概況

張家那大橋坐落于四川東北部大巴山區(qū)，大橋一側(cè)橋址處位于陳家河左岸山麓斜坡上，斜坡坡度較陡、坡角在20～35°，大橋為雙向四車道雙幅橋。右幅大橋上部結(jié)構(gòu)采用7×25 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T形梁，左幅大橋上部結(jié)構(gòu)采用8×25 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T形梁；下部結(jié)構(gòu)橋墩采用直徑140 cm圓柱式墩、直徑150 cm的挖(鉆)孔灌注樁基礎(chǔ)。大橋右幅立面布置如圖1所示，整體俯視圖如圖2所示。

圖1 右幅立面布置(單位：cm)

圖2 張家那大橋平面布置(單位：cm)

2 滑坡?lián)p毀橋梁病害分析

2.1 災(zāi)害描述

2019年10月份受連續(xù)強(qiáng)降雨影響，山體滑坡導(dǎo)致大橋左幅2號～6號墩向左(下坡方向)橫向移動3～62 cm，其中4號墩4-1#樁基折斷，4-2#墩柱頂部折斷，左幅橋面下沉變形嚴(yán)重；右幅2號～5號墩柱整體向左移動3 ～55 cm，其中3號墩蓋梁與T梁之間發(fā)生明顯錯位變形。現(xiàn)場災(zāi)害狀況如圖3和圖4所示。通過對現(xiàn)場調(diào)查情況和觀測數(shù)據(jù)分析可知，該橋滑坡災(zāi)害特點(diǎn)如下：

圖3 橋墩破壞 圖4 橋面破壞

(1)滑坡體仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨時有整體下滑的危險，因此應(yīng)在正式處置廢棄橋跨結(jié)構(gòu)前予以處置，降低進(jìn)一步滑動的危險。

(2)左線4號橋墩已經(jīng)剪斷，完全失去承載力，左線第4和第5跨T梁不僅嚴(yán)重下沉，且發(fā)生扭曲變形，開裂明顯。

(3)左線2號橋墩和6號橋墩在滑坡災(zāi)害發(fā)生后一周內(nèi)變形仍不收斂，且2號墩存在向3號墩滑移的趨勢，6號墩有向5號墩滑移的趨勢，應(yīng)盡早加以處置。

(4)雖然右線4號墩也發(fā)生了較大橫向變形、擋塊脫落和部分支座脫空，但具備一定的承載能力，為確保滑坡體兩側(cè)施工需求，應(yīng)對右線加以利用。

2.2 災(zāi)害成因分析

該滑坡的誘發(fā)是由自身和環(huán)境共同作用而成。

(1)本橋位區(qū)地層巖性自上而下分別是：黃褐色碎石和灰褐色～黃褐色、稍濕、可塑～硬塑的粉質(zhì)黏土；青灰色風(fēng)化砂巖；紅褐色～青灰色風(fēng)化泥質(zhì)砂巖局部夾有砂質(zhì)泥巖薄層，巖質(zhì)較軟。坡面巖體結(jié)構(gòu)松散，地勢陡峭，且坡腳前緣存在臨空面，為滑坡的產(chǎn)生提供了地質(zhì)地形條件。

(2)連日降水的催發(fā)作用：強(qiáng)降雨持續(xù)多日，并且施工破壞了坡面原有植被，表層排水受限，導(dǎo)致地表水下滲和淤堵。一方面降低了巖(土)體的抗剪強(qiáng)度，另一方面加重了滑坡體的重度。當(dāng)上部巖土體隨雨水的增加其自重達(dá)到某一程度時，而抗剪強(qiáng)度受雨水的作用減小到不能抵御滑坡體下滑推力時，此時滑動力大于抗滑力，上部巖土體在自重作用下將沿著軟弱界面產(chǎn)生蠕變進(jìn)而形成滑坡[1]。

(3)抗滑樁布置不合理：抗滑樁是穿過滑坡體深入于滑床的樁柱，其產(chǎn)生支擋滑體的滑動力，起穩(wěn)定邊坡的作用，適用于淺層和中厚層的滑坡。本橋位抗滑樁深度滿足要求，但抗滑樁距橋墩的距離為13 m，在設(shè)計時只考慮了整體滑坡，未考慮局部滑坡，導(dǎo)致本橋位發(fā)生了上層覆蓋土局部滑坡。考慮局部滑坡，抗滑樁設(shè)計位置應(yīng)距橋墩不超過6 m。

利用簡化畢肖普條分法對滑坡區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定計算分析。根據(jù)橋區(qū)地質(zhì)情況，對上部覆蓋土進(jìn)行計算，穩(wěn)定性計算結(jié)果如下：主滑剖面天然狀態(tài)下K=1.18，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨作用下主滑剖面K=0.79，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。與實際情況相符合。

2.3 滑坡災(zāi)害對橋梁墩基影響分析

橋梁受滑坡影響的典型斷面如圖5所示，滑坡對該橋梁的影響主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：

圖5 梁橋墩臺受滑坡影響的典型斷面

(1)沖擊。滑坡發(fā)生后，滑體重量大，速度快，給橋梁極大的沖擊。沖擊作用下本橋左幅4號墩4-2#墩柱頂剪斷，左幅第4和5跨T梁向外側(cè)移，橋面變形嚴(yán)重，左幅5號墩橫向位移最大為5-1#(24.3 cm)、5-2#(26 cm)；右幅3號墩柱橫向位移最大為3-1#(47.3 cm)、3-2#(55 cm)，蓋梁整體側(cè)移導(dǎo)致防落梁擋塊擠裂。橋址周圍地面沿橫向、縱向大面積開裂。

(2)堆載。滑坡穩(wěn)定后，在樁基周圍形成較厚的堆積層，造成樁基單側(cè)堆載，使樁基產(chǎn)生了不均勻沉降，滑坡一周后觀測右幅3-2#沉降為-40 cm、左幅5-1號墩沉降-18.6 cm。樁身撓曲以及樁的水平方向位移過大，造成上部結(jié)構(gòu)發(fā)生偏移，最大偏移落差為20 cm，致使橋梁不能正常通車。

3 臨時加固方案設(shè)計

張家那大橋位于巴萬公路的K165+860位置，線路地形起伏較大，修建運(yùn)梁通道難度極大。滑坡事故發(fā)生前張家那大橋剛剛完成架梁和橋面防水混凝土鋪裝施工，其前方的張家山1號、2號大橋和李家河大橋的預(yù)制梁需要從張家那大橋運(yùn)送。如果將這次滑坡?lián)p毀的張家那大橋左右幅同時拆除重建，將嚴(yán)重影響前方橋梁的架設(shè)工作，進(jìn)而影響整個項目的工期。因此及時對滑坡?lián)p毀較輕的右幅橋進(jìn)行臨時加固，以確保架梁道路暢通具有非常重要的意義。

通過對滑坡施工現(xiàn)場地質(zhì)情況、橋梁損毀情況、變形移位情況的綜合評估，提出首先對損毀較輕的右幅橋梁進(jìn)行臨時加固，確保滿足前方架梁需求，然后對橋墩已經(jīng)折斷的左幅橋梁實施拆除重建。右幅橋具體加固方案如圖6所示。

圖6 橋墩加固斷面布置(單位：cm)

(1)利用右側(cè)原有未被破壞的抗滑樁：將抗滑樁周圍土體開挖至頂面以下1.5 m位置，對表面混凝土鑿除至露出鋼筋。在抗滑樁周圍設(shè)置100 cm×50 cm的C30混凝土圈梁，布置HRB400?32 mm的受拉鋼筋和?16@20 mm的箍筋。通過圈梁將右幅2號、3號橋墩和對應(yīng)位置的抗滑樁剛性連接成整體。

(2)采用DN142鋼抱箍將2-1#墩頂和3-1#墩頂鎖住，然后采用4束鋼絞線錨索將2-1#和3-1#墩頂錨固在對應(yīng)的抗滑樁上，使之與鋼筋混凝土圈梁形成三角形受力結(jié)構(gòu)。

(3)在2-2#和3-2#墩柱周圍打入4根?630 mm壁厚10 mm的鋼管支墩，其距墩柱間距為橫橋向0.8 m、順橋向1.2 m，兩鋼支墩的間距要滿足最小樁間距要求；鋼管支墩打入深度23 m，其頂上設(shè)置雙拼I40工字鋼橫梁將蓋梁托起。

(4)為加強(qiáng)左右2#墩柱之間的聯(lián)系，防止墩柱不均勻沉降，采用雙拼I40工字鋼沿2-1#(3-1#)墩柱底部與2-2#(3-2#)墩頂蓋梁底部進(jìn)行斜撐加固。

4 加固后承載力驗算

根據(jù)該橋的原設(shè)計文件和加固方案，利用Midas軟件進(jìn)行建模計算，按照破壞情況，對2#～5#墩之間3跨橋梁進(jìn)行建模計算。按照實際工程，4號橋墩兩側(cè)橋梁之間有D160型伸縮縫，1、2跨橋梁為連續(xù)梁。根據(jù)樁基承載力勘查資料，保守的采納3-2#樁完全失去承載力，2-2#、4-2#樁承載力為0.5倍設(shè)計承載力初值。

分別對如下主要工況的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行驗算：①原始橋梁在自重作用下；②原始橋梁在自重+汽車荷載作用下；③橋梁加固后自重作用下；④橋梁加固后自重+汽車荷載作用下，并與未加固情況做對比。未加固模型如圖7所示，墩底固結(jié)，主梁各T梁通過橫向連接形成整體；加固模型如圖8所示，墩底固結(jié)，主梁各T梁通過橫向連接形成整體，鋼管樁與地面固結(jié)，因抗滑樁剛度大看成與地面一體，3-2#墩破壞失去承載力按懸空布置。兩個模型的布載情況均為自重二期和汽車荷載，每個集中力為(運(yùn)梁車自重+T梁自重)/2，即735 kN。強(qiáng)度驗算結(jié)果見表1。

圖7 橋墩未加固模型 圖8 橋墩加固模型

表1 不同工況下各構(gòu)件的強(qiáng)度驗算結(jié)果 MPa

(1)未加固橋梁在自重作用下系梁的實際拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均大于允許值，增大了近3倍；變形為橫橋向23 mm，豎向25 mm，系梁遭到開裂破壞，與現(xiàn)場實際損壞情況一致。樁基礎(chǔ)的極限承載力為6 111.26 kN，原始橋梁所需承載力為8 728 kN，不滿足要求。與原橋因樁基承載力不足，橋梁產(chǎn)生不均勻沉降、樁基斷裂結(jié)論一致。

(2)未加固橋梁在運(yùn)梁荷載作用下：系梁的實際拉壓應(yīng)力均大于允許值，系梁與橋墩結(jié)合處產(chǎn)生裂縫，但較自重作用下的壓應(yīng)力有一定的減小；樁基極限承載力6 111.26kN，小于橋梁所需承載力9 354 kN；橋梁發(fā)生不均勻沉降，最大相對位移為30.5 mm，因此未加固橋梁不滿足運(yùn)梁車通行要求。

(3)橋梁采用抗滑樁+錨索+混凝土圈梁+鋼支墩+斜撐的加固方案后：自重作用下以及自重+運(yùn)梁車共同作用下，錨索、鋼支墩和I40鋼均符合要求，系梁和圈梁的壓應(yīng)力符合要求，拉應(yīng)力可與其內(nèi)部鋼筋共同承擔(dān)，亦滿足要求；加固后樁基最大承載力為5 751 kN，小于極限承載力6 111.26 kN，橋墩最大彎矩為3 695 kN·m，小于極限彎矩5 310.69 kN·m；橋墩最大軸力為8 728.3 kN，小于極限軸力18 651 kN，因此滿足承載力要求，運(yùn)梁車可以通行。橋梁加固后現(xiàn)場運(yùn)梁情況如圖9所示。

橋梁加固后與未加固橋梁對比可知：蓋梁應(yīng)力有小幅度降低，系梁應(yīng)力減小了78%～89%，相對位移由30.5 mm減小到4.5 mm、減少近67%，樁基內(nèi)力亦減小2 977 kN，因此該加固方案效果顯著，可以采納。

5 結(jié)論

(1)張家那大橋位于滑裂帶上，本次滑坡災(zāi)害是由不利的地形地勢條件、長時間降雨的催發(fā)和設(shè)置不合理抗滑樁共同作用造成，滑坡的沖擊和偏載作用導(dǎo)致張家那大橋部分墩柱頂剪斷，部分T梁向外側(cè)移，橋面變形。未加固橋梁在自重作用下和自重+運(yùn)梁車共同作用下，系梁和樁基礎(chǔ)遭到破壞，系梁應(yīng)力和樁基承載力不滿足要求，橋梁位移過大，無法允許運(yùn)梁車通行。

圖9 橋梁加固后運(yùn)梁現(xiàn)場

(2)建立空間橋梁分析模型，在對災(zāi)害損傷程度進(jìn)行初步分析的基礎(chǔ)上，制定抗滑樁+錨索+混凝土圈梁+鋼支墩+斜撐的加固方案。加固后橋梁在自重作用下和自重+運(yùn)梁車共同作用下各構(gòu)件強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足要求。與未加固橋梁相比，其內(nèi)力和位移響應(yīng)得到大幅度的減小，加固效果顯著，可以滿足運(yùn)梁車的正常通行，確保了整條線路建設(shè)運(yùn)梁通道的暢通。