古滑坡路段橋梁設(shè)計(jì)防護(hù)措施研究

徐金華

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司 太原市 030032)

0 引言

隨著全國“縣縣通高速”建設(shè)的推進(jìn)，山區(qū)高速公路受地形、采空區(qū)、自然保護(hù)區(qū)等限制路線無法避讓穩(wěn)定狀態(tài)下的古滑坡體，為避免自然外力和人為因素造成古滑坡復(fù)活，古滑坡體段落常以橋梁形式通過，如何保證古滑坡體段落橋梁結(jié)構(gòu)的安全是橋梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。唐洪祥等[1]以云南省某高速公路為例，分析滑坡體特征，提出了確保橋墩安全的綜合處治措施；盧三平[2]基于玉溪至磨憨鐵路那蘇河大橋設(shè)計(jì)實(shí)踐，綜合分析了橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)承載能力情況及滑坡特征，總結(jié)了滑坡體上橋梁設(shè)計(jì)的防護(hù)措施。陳玉欣等[3]以小河至安康高速公路某橋?yàn)橐劳校_展了現(xiàn)場滑坡體上橋梁病害調(diào)查，揭示了滑坡體致災(zāi)機(jī)制；楊艷[4]以316 國道劉家坡村滑坡為例，提出了抗滑墩設(shè)計(jì)理念；尹平保[5]深入研究了陡坡段樁柱式橋梁樁基承載機(jī)理、受力與變形計(jì)算以及穩(wěn)定分析等問題，推導(dǎo)了陡坡段樁柱式橋梁樁基變形及穩(wěn)定計(jì)算的理論解。以昔榆高速胡家溝滑坡為工程研究背景，分析滑坡體特征，利用條分法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，擬定確保橋墩安全的綜合處治措施；提出了鋼護(hù)筒抗滑樁設(shè)計(jì)理念和工程方案，運(yùn)用MIDAS 有限元軟件對其進(jìn)行了數(shù)值模擬，闡述了抗滑墩應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，驗(yàn)證了鋼護(hù)筒抗滑墩的安全可行性，為類似工程設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)。

1 工程地質(zhì)

胡家溝滑坡體位于構(gòu)造侵蝕剝蝕中山區(qū)，微地貌為斜坡及沖溝，坡體三面臨空。地形總體上南高北低，地面高程1180～1230m間，相對高差50m，路線沿滑坡體前緣通過，地表植被以草叢、灌木為主。

滑坡體西緣主要為上石盒子組P2s及石千峰組P2sh強(qiáng)～中風(fēng)化砂泥巖組成的基巖陡坡；東側(cè)緣為基巖沖溝，溝東側(cè)上石盒子組P2s基巖完整，溝西側(cè)底部可見上石盒子組P2s完整基巖，上部主要為石千峰組P2sh強(qiáng)風(fēng)化紫紅色砂質(zhì)泥巖，與東側(cè)巖層分布差異很大，極不連續(xù)，石千峰組P2sh砂質(zhì)泥巖垂直位移很大，大約在20～30m以上。

圖1 胡家溝古滑坡體平面圖

2 滑坡體成因機(jī)制及穩(wěn)定性分析

2.1 滑坡體成因機(jī)制

胡家溝滑坡體三面臨空，后緣與基巖山體相連，山體陡立，坡體與基巖山體接觸面較大，約70°左右，高差約30m，滑坡輪廓明顯，周界清晰。滑坡年代久遠(yuǎn)，滑動(dòng)面已固結(jié)壓密，但仍可見較清晰的擦痕，顯示是一處古老滑坡。坡體前緣巖層反翹，巖層角度約50°，局部能明顯看到巖層滑動(dòng)的擦痕。從坡體地貌特征、物質(zhì)組成及滑動(dòng)跡象等方面可以推斷該滑坡體的成因機(jī)制，后緣山體巖性主要為砂泥巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，前緣臨空，受降雨及自重作用影響，山體內(nèi)部豎向節(jié)理裂隙貫通，巖體發(fā)生滑塌，在巖體下滑過程中，運(yùn)動(dòng)一定距離后能量逐漸減弱，前緣受阻，巖層反翹，前緣局部巖體受擠壓后，應(yīng)力集中，局部巖體崩解，呈碎裂狀構(gòu)造，前緣停止運(yùn)動(dòng)，后部巖體在慣性作用下，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，一部分超覆于前緣巖體上，故坡體前緣局部地形凸起，一部分巖體在前緣受阻的條件下，向側(cè)緣移動(dòng)，在坡體中后部形成了低洼地貌，隨著地質(zhì)年代的推移，自中更新世以來在坡體低洼部分沉積了土體，形成了當(dāng)前的滑坡的地貌形態(tài)。表面該古滑坡體自中更新世以來整體沒有發(fā)生過滑動(dòng)，處于穩(wěn)定狀態(tài)，依次推斷該古滑坡體形成于中更新世以前。

2.2 穩(wěn)定性分析

經(jīng)過對滑坡體進(jìn)行挖探取樣，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)、反算及工程類比等手段綜合選取滑體的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)。其中滑體土的容重(γ)和滑動(dòng)面(帶)土的粘聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)為穩(wěn)定性計(jì)算的主要參數(shù)。該滑坡體長期處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，因此K>1.15。該古滑坡原地表覆蓋物主要為泥巖、砂巖風(fēng)化殘積物，物質(zhì)組成主要為含碎石黏土類物質(zhì)，滑面傾角φ=8°，滑體綜合重度γ=23kN/m3，經(jīng)過反算，黏聚力c=9.5kPa。通過挖探采取古滑坡底部代表性土體，通過室內(nèi)試驗(yàn)，取得滑坡體殘余強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為黏聚力c=29.8kPa、內(nèi)摩擦角φ=14.9°，殘余強(qiáng)度試驗(yàn)最低值黏聚力c=27.3kPa、內(nèi)摩擦角φ=12.4°。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)綜合考慮，天然工況下采用巖土體強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c=20.8kPa、內(nèi)摩擦角φ=10.3°，土體綜合重度γ=23 kN/m3；暴雨工況下采用巖土體強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c=18.7kPa、內(nèi)摩擦角φ=9.3，土體綜合重度γ=25 kN/m3。按條分法計(jì)算不同情況下的穩(wěn)定系數(shù)K，采用“傳遞系數(shù)法”計(jì)算滑坡推力,其參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 穩(wěn)定系數(shù)及滑坡推力計(jì)算表

由表1可知，該滑坡體在自然狀態(tài)下、連續(xù)降雨工況及地震工況E1地震作用下處于穩(wěn)定狀態(tài); 在地震工況E2地震作用下處于欠穩(wěn)定狀態(tài);滑坡前緣臨空局部穩(wěn)定性差，隨著時(shí)間的發(fā)展以及地震、降雨的影響，滑坡前緣的穩(wěn)定性將進(jìn)一步降低，滑坡體可能復(fù)活，對橋梁建設(shè)和行車安全造成危害，故需對該滑坡進(jìn)行治理。

3 橋梁設(shè)計(jì)及防護(hù)措施

3.1 橋梁設(shè)計(jì)

胡家溝大橋上部結(jié)構(gòu)采用15-40m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，先簡支后連續(xù)，橋梁中心樁號(hào)為K47+070，右前夾角為90°，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、柱式臺(tái)，墩臺(tái)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋址區(qū)K47+150～K47+400之間發(fā)育一古滑坡堆積體，路線從滑坡體前緣通過，其中9-12號(hào)墩位于坡體上，其平立面圖如圖2所示。

圖2 胡家溝大橋平立面圖

3.2 鋼護(hù)筒抗滑樁設(shè)計(jì)

由計(jì)算可知，本橋所處胡家溝滑坡在自然狀態(tài)下、連續(xù)降雨工況及地震工況E1地震作用下處于穩(wěn)定狀態(tài); 在地震工況E2地震作用下處于欠穩(wěn)定狀態(tài);滑坡前緣臨空局部穩(wěn)定性差，存在外界因素誘發(fā)下喪失自身穩(wěn)定性而發(fā)生滑移的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合滑坡剩余下滑力不大計(jì)算結(jié)果，基于“經(jīng)濟(jì)、適用、安全”的原則，采用鋼護(hù)筒抗滑樁方案，鋼護(hù)筒抗滑樁既作為橋墩的樁基，又兼具抗滑樁作用，節(jié)約工程造價(jià)，具體設(shè)計(jì)方案如下，對位于滑坡堆積體范圍內(nèi)的橋墩樁基采用鋼護(hù)筒抗滑樁方案，樁基采用大直徑雙排束筋，并在樁基外側(cè)設(shè)置2cm鋼護(hù)筒進(jìn)行永久防護(hù)，鋼護(hù)筒設(shè)置范圍為地系梁頂至滑坡體滑動(dòng)面以下2m。

3.3 鋼護(hù)筒抗滑樁受力分析

根據(jù)其受力特點(diǎn)，可對抗滑樁受力情況進(jìn)行簡化，其組合荷載包括樁頂豎向荷載N，偏心彎矩M、水平荷載F、樁后滑坡體的剩余下滑力、樁周巖(土)體抗力，為了精確模擬樁側(cè)巖土的抗力，采用只受壓的彈簧進(jìn)行模擬，其簡化受力模型如圖3所示。

圖3 抗滑樁簡化受力模型圖

采用有限元軟件midas/civil建立三維空間有限元模型，對邊界條件、荷載均進(jìn)行了精細(xì)化模擬，其設(shè)計(jì)參數(shù)為：樁徑D為2.4m；其中，堆積體樁長23.0m，嵌固段長26m；樁身重度均為25kN/m3，樁身C30彈性模量均為30GPa；上部結(jié)構(gòu)傳遞到樁頂?shù)暮奢d水平荷載為350kN，豎向荷載為12000kN，偏心彎矩為2868kN.m。樁側(cè)抗力采用m法進(jìn)行計(jì)算，堆積體的地基抗力比例系數(shù)m0=30MN/m4，穩(wěn)定砂巖的地基抗力比例系數(shù)m0=80MN/m4。

鋼護(hù)筒抗滑樁在組合荷載作用下，其柱頂水平位移計(jì)算結(jié)果如圖4所示。基于大量試驗(yàn)和大量工程實(shí)踐表明m法適用于樁在水平荷載作用下的內(nèi)力計(jì)算，根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG 3363—2019要求，其地面處的水平位移X0不宜大于10mm，由計(jì)算結(jié)果可知樁頂最大位移為4.6mm；滿足規(guī)范要求，說明鋼護(hù)筒抗滑樁可有效保障大橋運(yùn)營階段的安全穩(wěn)定。

圖4 抗滑樁樁頂位移

4 綜合治理措施

胡家溝滑坡體前緣臨空、局部穩(wěn)定性差。在自然外力和人為因素的作用下，容易引起古滑坡體復(fù)活，產(chǎn)生整體蠕變，危及橋梁安全。為消除胡家溝滑坡體潛在的蠕變危害，擬在滑坡體前緣進(jìn)行大面積反壓回填，并確保橋梁水平投影外10m范圍內(nèi)的反壓回填壓實(shí)度不少于93%。地表水滲透潤滑滑動(dòng)面是導(dǎo)致滑坡體復(fù)活的關(guān)鍵因素之一。如何防止地表水滲入是防止滑坡體滑動(dòng)的關(guān)鍵。結(jié)合橋梁地形特點(diǎn)，為防止地表水滲入，于反壓回填體上設(shè)置0.3m厚的粘土封層進(jìn)行封水處理，并在橋墩上游設(shè)置縱橫向截排水溝保障排水通暢。

橋梁施工應(yīng)避免擾動(dòng)滑坡體，施工用水和廢水不能排入滑坡體。嚴(yán)禁在滑坡體上堆土，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)滑坡體監(jiān)控量測工作，如監(jiān)測異常，應(yīng)及時(shí)采取措施及時(shí)處置。

5 結(jié)論

為避免不良地質(zhì)影響橋梁結(jié)構(gòu)安全，在路線選線時(shí)最好繞避不良地質(zhì)地段；受地形、采空區(qū)、自然保護(hù)區(qū)等限制路線無法避讓時(shí)，也應(yīng)避開規(guī)模大、危害嚴(yán)重、治理困難的滑坡體，選擇在穩(wěn)定狀態(tài)下的滑坡體通過，并采取可靠措施確保橋梁工程的安全。通過昔榆高速胡家溝古滑坡為例，綜合分析滑坡體特征，擬定確保橋墩安全的綜合處治措施。通過對胡家溝大橋的設(shè)計(jì)研究， 總結(jié)出以下結(jié)論：

(1)滑坡體處治以“消除隱患，經(jīng)濟(jì)節(jié)約”為原則，應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)勘察，在對滑坡體進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，對其安全隱患綜合處治。

(2)對通過古滑坡體段落橋梁結(jié)構(gòu)，基于“經(jīng)濟(jì)、適用、安全”的原則，提出了鋼護(hù)筒抗滑樁設(shè)計(jì)理念和工程方案，對鋼護(hù)筒抗滑樁組合受力情況進(jìn)行了數(shù)值分析，研究了抗滑墩應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，驗(yàn)證了鋼護(hù)筒抗滑墩的安全可行性，為類似工程提供了參考和借鑒。

(3)采取反壓回填、加強(qiáng)整體防排水、局部封水等綜合處治措施，可有效避免滑坡體發(fā)生蠕滑。