曹康建，陳爭玉，蔣文鵬，尹小濤

(1.云南交投公路建設(shè)第二工程有限公司， 云南 昆明 650118；2.云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司， 云南 昆明 650041；3.云南大漾云高速公路有限公司， 云南 大理 671000；4.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室， 湖北 武漢 430071)

山區(qū)交通工程建設(shè)經(jīng)常采用橋梁、路基、路塹等不同的方式通過溝谷和斜坡地形，不同分項工程的穩(wěn)定性評價方法和安全控制技術(shù)往往也不同，涉及到多環(huán)節(jié)或者組合類型的變更工程更是如此，需要綜合方法才能涵蓋所有技術(shù)細節(jié)，否則容易造成疏漏和隱患。山區(qū)公路建設(shè)中，常遇到橋梁改成路基的情況，一方面是為了節(jié)約造價和維護成本，另一方面往往是為了土石方平衡，再有就是為了獲取寶貴的平整土地。那么橋梁通過的小環(huán)境擾動，改為對原始地形改變較大的填筑工程，由此帶來了地基承載問題、邊坡穩(wěn)定問題和差異變形產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)安全問題等多方面的挑戰(zhàn)。因此，需要研究橋改路基工程的安全組構(gòu)、綜合評價方法、評價標準及系統(tǒng)安全控制等基礎(chǔ)理論、方法和技術(shù)難題。

目前國內(nèi)外對于橋改路基工程的研究主要集中在以下幾個方面：(1) 勘察設(shè)計將橋改路基工程看成路基工程的重新設(shè)計或者變更設(shè)計，常按一般處理，缺乏系統(tǒng)工作，容易造成后期地基失穩(wěn)、路堤邊坡長期穩(wěn)定性問題、橫斷面方向差異變形造成路面結(jié)構(gòu)破損等不同規(guī)模和不同發(fā)育程度的工程隱患[1-3]；(2) 缺乏針對性研究，這部分工作已經(jīng)超出了勘察設(shè)計單位的技術(shù)能力，需要專門的科研單位對其進行深入系統(tǒng)的研究，形成綜合評估和技術(shù)保障體系支撐，也需要相關(guān)單位能重視起來，并將研究成果納入實際工作中，形成綜合保障，使得橋改路基工程的中長期工程安全及耐久性能夠得到有效保證[4-8]；(3) 缺乏相關(guān)管理制度、綜合評價方法和安全控制指南的指導(dǎo)，需要及時總結(jié)遇到的工程技術(shù)難題，形成方法或技術(shù)標準，為類似工作提供指導(dǎo)[9-16]。

針對橋改路基工程，在廣泛調(diào)研橋改路基工程的基礎(chǔ)上，總結(jié)該類工程的共性問題；依托具體工程，形成綜合評價方法、標準等；根據(jù)評估結(jié)果，形成不同方面的技術(shù)保障措施、優(yōu)化設(shè)計及中長期質(zhì)量保證建議，構(gòu)建該類工程穩(wěn)定性綜合評價方法、指標體系和安全控制標準，為類似工程提供指導(dǎo)。

1 橋改路基工程穩(wěn)定性綜合評價方法

1.1 橋改路基工程的共性問題

橋梁經(jīng)常作為山區(qū)跨越溝谷斜坡的重要結(jié)構(gòu)類型，其優(yōu)點在于環(huán)境擾動??；缺點是造價高，運維成本高，對場地要求高。路堤的優(yōu)點是適用性廣泛，起伏不同的地形均可采用，造價相對較低；缺點是環(huán)境改變較大。為了兼顧土石方平衡和山區(qū)用地，經(jīng)常遇到規(guī)模不大的橋梁改成填筑路堤的情況，常見類型見圖1，即斜坡或溝谷填筑和半挖半填兩類。

圖1 典型橋改路基工程

從圖1可知，上述橋梁變?yōu)槁返?，帶來的共性問題如下：

(1) 地基承載問題，原有橋梁為樁基礎(chǔ)，是深基礎(chǔ)類型，主要是深部承載性能良好的地層受力，表層地基受力有限，不存在地基承載安全問題；現(xiàn)在變?yōu)槎烟钍┕ぃ韺映休d性能一般的殘坡積土層成為受力主體，地基承載安全需要引起重視，即填筑高度要依據(jù)地基承載力確定。

(2) 邊坡穩(wěn)定問題，原有橋梁通過方式對自然地形改變不大，對自然斜坡穩(wěn)定性影響有限；路堤方式通過，對原有地形改變較大，極大地影響了邊坡穩(wěn)定性，需要注意邊坡沿填筑體內(nèi)部、填筑體與自然坡體結(jié)合部、自然坡體深部產(chǎn)生滑移的潛在安全風(fēng)險。

(3) 差異變形問題，原有橋梁樁基支撐，承載力足夠，差異變形較??；現(xiàn)在改為路堤形式，填筑土體的厚度差異、填筑質(zhì)量和地基受力變形均可能帶來路面沿線路縱向和橫向產(chǎn)生差異變形，一般橫斷面方向的差異較常見，需要預(yù)先考慮。

(4) 其它問題，填筑施工前需要清表；清表地形整理成一系列高度不一的臺階，增強填筑體和斜坡結(jié)合部的相互作用；厚度較大時分層設(shè)置內(nèi)部集水排水廊道；外部護面，減小降雨或者氣候影響；也可以考慮設(shè)置筋材增強填筑體整體受力或者變形均勻。

1.2 工程穩(wěn)定性綜合評價方法

前面3個問題涉及到評價方法和指標體系，最后一個問題可以作為設(shè)計說明或者細節(jié)在施工組織設(shè)計中得到體現(xiàn)，所以橋改路基工程穩(wěn)定性綜合評價方法、指標和控制標準具體如下：

(1) 地基承載安全評價，主要是填筑造成的附加應(yīng)力不能大于地基容許承載力，具體指標如下：

fa≥γhmax

(1)

式中：fa為地基承載力特征值，kPa；γ為填筑體重度，kN/m3，一般可按19 kN/m3取值；hmax為最大填筑高度，m。如存在軟弱下臥層，則參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[13](GB 50007—2011)的下臥層驗算，荷載分布可以按三角形分布或者三角形與矩形組合形式，按角點或者中心點方式驗算。

(2) 邊坡穩(wěn)定性評價，改變地形下邊坡在正常運行工況(自然)、非正常Ⅰ工況(降雨)、非正常Ⅱ工況(地震)下沿路堤填筑體內(nèi)部、填筑體與斜坡結(jié)合部、斜坡深部等不同滑移模式下的邊坡穩(wěn)定性是否滿足工程穩(wěn)定性要求，具體指標如下：

Fs

(2)

式中：Fs為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，可以通過極限平衡法或者強度折減法計算得到；Fst為路堤邊坡在一定工程等級下前面3個工況下的安全系數(shù)標準，一般可以通過規(guī)范查表確定。

(3) 變形穩(wěn)定性評價，對于路堤等填筑體的變形控制，主要部分是上部荷載造成的地基沉降變形，一般認為填筑質(zhì)量在滿足規(guī)范的壓實要求下產(chǎn)生的工后沉降占比不大，即附加應(yīng)力造成的地基變形為主，填筑質(zhì)量造成的填筑體變形不單獨考慮，主要依據(jù)路基沉降限制值不能超過30 mm進行控制，具體指標如下：

S<30 mm

(3)

式中：S為地基沉降量，mm，可以采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[13](GB 50007—2011)規(guī)定的分層總和法進行計算，也可以利用有限元估算變形值。

上述3個指標，3部分穩(wěn)定性均滿足要求，才能保證橋改路基工程的綜合穩(wěn)定。

2 工程應(yīng)用及檢驗

2.1 工程概況

依托云臨高速公路4標段K54+260青樹塘3號中橋改為路基工程，根據(jù)原設(shè)計，該路段左幅為路塹邊坡，右幅為3孔20 m先簡支后張T型梁橋。根據(jù)水文地質(zhì)、工程環(huán)境評價、成本、質(zhì)量、進度等多方面綜合評估，決定將中橋調(diào)整為路基，并采取樁錨+擋土板加固措施，填筑所用材料主要為隧道石渣，中橋平面布置和立面構(gòu)造如圖2所示。

圖2 青樹塘3號中橋改路基方案圖

(1) 碎石土：褐黃色，稍密狀，骨架顆粒主要由花崗巖全-強風(fēng)化碎塊組成，層厚約0.5 m～2.0 m，地基承載力fa=160 kPa。

(2) 花崗巖：灰白、灰黑色，中-細粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，裂隙發(fā)育，巖質(zhì)堅硬。上部為全風(fēng)化層，巖芯呈砂土狀，厚約8.0 m～10.0 m，地基承載力fa=280 kPa；中部為強風(fēng)化，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，多呈塊狀，層厚3.0 m～4.0 m，地基承載力fa=800 kPa；下部中風(fēng)化，巖體完整，強度較高，地基承載力fa=2 000 kPa。

根據(jù)建設(shè)方提供的勘察設(shè)計資料和參數(shù)建議值表，確定了該區(qū)計算涉及巖土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標，見表1。

表1 各地層計算參數(shù)統(tǒng)計表

2.2 工程穩(wěn)定性綜合評價方案及標準

由橋改路基工程穩(wěn)定性綜合評價方法可知，右幅青樹塘3號中橋改為填筑路堤，采取樁板墻加固方案，左幅仍保持原路塹邊坡方案，這樣形成左挖右填路基方案，評價的三個內(nèi)容及安全控制標準如下：(1) 地基承載安全評價，填筑前清表地基為全風(fēng)化花崗巖，該層地基容許承載力280 kPa；(2) 邊坡穩(wěn)定性評價，該路段為高速公路，所以參考二級路及以上公路一級邊坡工況的安全系數(shù)標準，統(tǒng)計列于表2；(3) 變形穩(wěn)定性評價，路堤沉降總量不大于30 mm。評價部位、內(nèi)容、工況、評價標準等統(tǒng)計列于表2。

表2 左幅路塹和右幅路堤工程穩(wěn)定性綜合評價內(nèi)容及標準

2.3 橋改路堤段工程穩(wěn)定性綜合評價

2.3.1 地基承載安全評價

利用PHASE2D軟件建立考慮施工過程的有限元數(shù)值模型，模擬左幅路塹邊坡開挖和右幅路堤填筑施工過程的應(yīng)力應(yīng)變場變化情況，限于篇幅僅給出了自然和降雨工況路堤填筑部位豎向應(yīng)力云圖，詳見圖3，斜坡結(jié)合部豎向應(yīng)力最大值統(tǒng)計列于表3。

圖3 橋改路基段豎向應(yīng)力云圖

由圖3和表3可知，最不利條件下填筑體與表層地基土之間的豎向應(yīng)力最大值為205 kPa，小于表層全風(fēng)化花崗巖地基容許承載力280 kPa，右幅路堤段地基承載安全。左幅路塹開挖卸荷應(yīng)力遠大于路面荷載，所以不存在地基承載安全問題。綜上，該橋改路基段地基承載安全。

表3 不同工況路塹+路堤邊坡豎向應(yīng)力統(tǒng)計表

2.3.2 變形穩(wěn)定性評價

在上述計算基礎(chǔ)上，不同工況下該路段的水平位移和豎向位移云圖見圖4，路面的最大變位值統(tǒng)計列于表4。

圖4 橋改路基段位移云圖

表4 不同工況路塹+路堤邊坡豎向位移最大值統(tǒng)計表

由圖4和表4可知，豎向位移的最大值出現(xiàn)在路面兩側(cè)，回彈變形最大值60.3 mm位于左幅路塹部位，沉降變形最大值31.5 mm出現(xiàn)在右幅填筑路堤位置。左幅回彈右幅下沉，符合左幅路塹開挖卸荷回彈、右幅路堤沉降的總體規(guī)律；同時降雨工況整體變形大于自然工況；路面荷載施加后左幅變形得到抑制、右幅沉降有所增加，也符合受力特性。降雨+路面荷載施加工況下沉降變形最大值31.5 mm，稍大于變形控制標準30.0 mm，實際工程的填筑路堤部分沒有全部飽水條件，所以實際變形量要小于31.5 mm，在做好地面截排水和填筑體內(nèi)部控水措施的基礎(chǔ)上，可不做特殊處理。

2.3.3 邊坡穩(wěn)定性評價

利用Slide軟件建立邊坡二維極限平衡數(shù)值模型，采用Bishop法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)[14]，邊坡穩(wěn)定性分析主要是評價左幅路塹邊坡和右幅路堤邊坡在正常(自然)、非正常I(降雨)和非正常II(地震)等三個工況下的穩(wěn)定性，穩(wěn)定性計算結(jié)果見圖5和表5。

表5 不同工況路塹和路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)統(tǒng)計表

由圖5和表5可知，開挖+上部路塹邊坡格構(gòu)錨桿索加固+填筑改變地形+下部路堤邊坡樁錨板加固+路面荷載條件下，路塹邊坡和路堤邊坡各工況穩(wěn)定性均滿足工程穩(wěn)定標準。當(dāng)前加固措施下，邊坡穩(wěn)定性評價的結(jié)論是支撐橋改路基方案的，即橋改路基方案下該區(qū)整體邊坡(包括上部路塹邊坡和下部路堤邊坡)的穩(wěn)定性均滿足工程穩(wěn)定性要求。

3 結(jié) 論

依托青樹塘3號中橋改路基方案，檢驗了橋改路基工程穩(wěn)定性綜合評價方法和指標體系的合理性，所得結(jié)論如下：

(1) 依托實際橋改路基工程，構(gòu)建了包括地基承載安全評價、邊坡穩(wěn)定性評價和變形穩(wěn)定性評價的橋改路基工程穩(wěn)定性綜合評價方法和安全控制標準體系。

圖5 邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果圖

(2) 利用該方法，檢驗了青樹塘3號中橋改路基方案的合理性，發(fā)現(xiàn)該路段填筑造成的最大豎向應(yīng)力205 kPa，小于表層全風(fēng)化花崗巖地基容許承載力280 kPa，地基承載安全；左幅路塹邊坡和右幅路堤邊坡各工況下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均滿足工程穩(wěn)定性要求，邊坡整體穩(wěn)定；開挖和填筑造成沉降變形最大值31.5 mm，大于沉降變形控制總量30.0 mm，但考慮到填筑體沒有全部飽水條件，在做好地面截排水和內(nèi)部排水措施下，實際變形量應(yīng)該小于30 mm控制標準，可不做特殊處理。因此，該橋改路基方案整體安全可行。

(3) 該方法可為類似橋改路基工程提供穩(wěn)定性綜合評價方面的指導(dǎo)。