橋梁荷載作用下巨型巖溶洞穴頂板穩定性研究

廖廷周 田學軍 劉 黔 唐家輝

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

貴州是全國主要巖溶分布區之一,伴隨公路、鐵路等基礎設施建設迅猛發展,線路不可避免地通過巖溶區,越來越多的橋梁位于強巖溶發育區[1-2]。針對在巨型巖溶洞穴上建設高墩橋梁,現有的規范、規程均未給出有效的評價方法,在工程地質選線中,均建議采用繞避或加大橋梁跨徑的方式通過,選線過程中若盲目保守繞避、跨越,將大大增加工程造價;而當洞穴穩定性不能確保橋梁安全時,若直接把墩臺置于其上,將帶來很大的安全隱患[3]。因此,加強巨型巖溶洞穴上高墩橋梁穩定性研究,可以為巖溶區公路選線及橋梁方案比選提供技術依據[4],有利于保障公路工程施工、營運安全,節省投資,具有明顯的經濟和社會效益。

本文依托在建的某特大橋,橋長1.4 km,為單跨40 m連續T梁,其中19號墩高45～49 m,樁基為4×180 cm,單樁豎向荷載13 000 kN。其19號墩基礎完全置于巨型溶腔上部,在大型橋梁荷載作用下,巖溶洞穴頂板穩定性將決定該橋梁方案是否可行。

1 橋區巖溶發育特征

1.1 巖溶發育特征

19號墩下方巖體發育巨型溶腔,溶腔位于ZK57+134.7-ZK57+191.7左20.8～右32.6 m處,沿線路走向長32～44 m、寬90～106 m、高24～42 m。溶洞覆巖厚度18.5～42 m,溶洞與橋梁位置關系圖見圖1。

圖1 溶洞與橋墩的平面位置關系圖(單位:m)

溶洞與橋梁的斷面位置關系圖見圖2、圖3。

圖2 1-1′工程地質縱斷面圖(單位:m)

圖3 3-3′工程地質橫斷面圖

橋梁左幅19號橋墩樁基頂部設計高程為1 267.3 m,樁長23.3 m;右幅19號橋墩樁基頂部設計高程為1 263.0 m,樁長18～22.2 m。其中左19a-0樁樁底距離溶洞頂板11.7 m;左19a-1樁樁底距離溶洞頂板9.2 m;右19a-0樁樁底距離溶洞頂板5.4 m;右19a-1樁樁底距離溶洞頂板0.5 m;左19b-0樁樁底距離溶洞頂板14.0 m;左19b-1樁樁底距離溶洞頂板18.7 m;右19b-0樁樁底距離溶洞頂板7.2 m;右19b-1樁樁底距離溶洞頂板2.7 m。

1.2 頂板巖體物理力學參數

根據工程地質調繪、鉆探、取樣試驗,結合工程類比及JTG 3363-2019 《公路橋涵地基與基礎設計規范》[5]進行綜合分析,推薦各巖(土)層物理力學指標見表1。

表1 推薦巖土體物理力學指標

巖體為白云巖,節理裂隙不發育,圍巖巖質較堅硬(Rc=39 MPa),巖體體積節理Jv(4～5條/m3),巖體較完整(Kv=0.7),巖質基本質量指標BQ=100+3Rc+250Kv=100+3×39+250×0.7=392。雨季易產生淋雨狀出水,地下水影響修正系數K1=0.2,主要軟弱結構面產狀影響修正系數K2=0.2,地下工程巖體基本質量指標[BQ]=352,巖體基本質量等級為III級。

2 橋基溶洞頂板穩定性評價

2.1 定性分析

根據現場地質調繪,溶洞頂板完整性見圖4,結合鉆探揭露溶洞的各項邊界條件,參照《工程地質手冊》第5版[6],考慮各項評價因素,對巖溶頂板進行地質分析,判斷是否有利于頂板穩定性,分析結果見表2。

表2 巖溶洞穴(III區)頂板穩定性地質分析

圖4 溶洞頂板全貌圖

2.2 半定量評價

根據定性分析,結合巖溶洞穴成拱形式,主要從縱橋向分析巖溶洞穴頂板的穩定性。19號墩溶洞頂板最小厚度為18.5～31 m,頂板巖體一定范圍內受裂隙切割但整體完整性較好,視其為較完整頂板,采用厚跨比法及結構力學近似分析法[7]對溶洞頂板穩定性進行評價。

2.2.1頂板厚跨比法

根據近似的水平投影跨度L和頂部最薄處厚度h,求出厚跨比h/L作為安全厚度評價依據,不考慮頂板形態、荷載大小和性質。

19號墩最小頂板厚度為h=17.2～27.4 m,隱伏溶洞水平投影最大投影跨度為L=40.9～41.7 m,斷面頂板厚跨關系見圖5、圖6,得:h/L=0.41～0.67。

圖5 1-1′斷面頂板厚跨示意圖(單位:m)

圖6 4-4′ 斷面頂板厚跨示意圖(單位:m)

2.2.2結構力學近似分析法

經過綜合勘察,橋梁19號墩處縱橋向溶洞頂板巖層產狀平緩,強度高、跨度大,彎矩是其主要控制條件,因此按結構力學近似分析法驗算溶洞抗彎強度,由結構力學計算模型可知,“構件”抗彎強度σ和構件彎矩的關系如式(1)。受力示意圖見圖7。

圖7 結構力學近似分析法受力示意圖

(1)

1) 按兩端固定梁驗算溶洞頂板最大彎矩。

(2)

h≥{6×[(1/8)×26 000×41.7+(1/12)(18.5×25.96)×41.72]1/2·[1.0×(1/8)×39 850]-1/2=15.7 m

2) 按簡支梁驗算溶洞頂板最大彎矩。

M=(1/8)PL2

(3)

3) 按懸臂梁驗算溶洞頂板最大彎矩。

M=(1/2)PL2

(4)

h≥{6×(1/2)×[(18.5×25.96+(26 000/41.7))×20.852]}1/2·[1.0×(1/8)×39 850]-1/2=17.2 m

式中:M為彎矩,kN·m;p為頂板所受總荷載,kN·m;為頂板的巖體自重、頂板上覆的土體重和附加荷載之和;L為溶洞跨度,m;σ為巖體計算抗彎強度(石灰巖一般為允許抗壓強度的1/8),kPa;fs為支座處的剪力,kN;S為巖體計算抗剪強度(石灰巖一般為允許抗壓強度的1/12),kPa;b為梁板的寬度(取單位寬度1),m;H為頂板巖層厚度,m。

通過3種模型的抗彎強度驗算,溶洞頂板厚度均滿足“結構力學近似分析法”的相關要求。

2.3 定量評價

定量計算采用離散元FLAC3D進行,采用莫爾-庫侖彈塑性模型,荷載考慮自重及橋梁荷載(單樁13 000 kN),橋梁荷載按照樁基平面尺寸均勻分布,一次性施加,模型尺寸為溶洞洞徑最大邊長的3倍,即500 m×500 m,巖土體物理力學參數參見表1,建立的三維計算模型見圖8。

圖8 三維計算模型圖

2.3.1自然地基穩定性

在自重作用下,計算溶洞頂板的穩定性,計算結果見圖9。

結果顯示,巖溶頂板地基穩定性安全系數Fs=2.29,場地自然狀態下處于穩定狀態。由位移云圖可以看出,塑性變形量均較小,為毫米級,變形主要集中在天窗(I區)和巖溶拱(II區)交匯附近,因此處巖體厚度最為薄弱,穩定性相對較差。

2.3.2橋梁荷載作用下地基穩定性

在橋梁荷載作用下的溶洞頂板的穩定性見圖10,結果顯示安全系數Fs=1.90。不平衡力和塑性區位移云圖見圖11,由圖11可見,場區塑性變形量整體較小,為毫米級。

圖10 橋梁荷載作用下溶洞頂板穩定性計算結果

圖11 橋梁荷載作用下不平衡力和塑性區云圖

順橋向(4-4′斷面)位移云圖見圖12。

圖12 順橋向(4-4′斷面)位移云圖

由圖12可見,在橋梁荷載作用下,順橋向(4-4′斷面)位移云圖和塑性變形區變形量整體較小,均為毫米級,受荷載影響此斷面塑性變形區主要集中右幅19號橋墩溶洞頂板附近。

橫橋向(7-7′斷面)位移云圖見圖13。如圖13所示,在橋梁荷載作用下,橫橋向(7-7′斷面)位移云圖和塑性變形區變形量整體較小,均為毫米級,因橫向橋梁巖溶寬度達到42 m,上部巖體臨空,在橋梁荷載作用下塑性變形區主要集中在溶洞頂板上部。

圖13 橫橋向(7-7′斷面)位移云圖

3 施工監測數據分析

施工期間對溶腔頂板進行地表變形監測,監測點布置見圖14,溶洞頂上監測點位移-時間變化曲線見圖15,監測數據顯示,施工期間受到施工擾動和施加的橋梁荷載,巖溶頂板最大豎向變形量約5 mm,施工完成后頂板變形量趨于穩定。

圖14 溶洞頂上位移-時間變化監測點布置示意

圖15 溶洞頂上監測點位移-時間變化曲線

4 結語

1) 本文通過定性分析﹑半定量計算及三維數值模擬19號墩溶洞頂板整體穩定,確定了橋型方案,節約了工程造價,具有明顯的經濟和社會效益。

2) 施工期間監測數據顯示巖溶頂板最大豎向變形量約5 mm,施工完成后頂板變形量趨于穩定,驗證穩定性綜合評價方法的合理性,可為今后巖溶區橋基下洞穴的穩定性評價提供借鑒。