黃承忠

（重慶中煤科工工程技術(shù)咨詢有限公司，重慶 400042）

0 引言

我國西部山區(qū)地形復(fù)雜、峽谷密布、山高坡陡［1］，隨著城市土地資源的日益緊缺，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也面臨越來越復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境問題，原本不適宜建設(shè)的地質(zhì)災(zāi)害場地也面臨因建設(shè)需要而進行開發(fā)利用，尤其是修建橋梁工程等基礎(chǔ)設(shè)施時，地質(zhì)災(zāi)害加固治理設(shè)計顯得尤為重要。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益發(fā)展，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害對橋梁安全影響研究引起了各方面的廣泛關(guān)注，國內(nèi)學(xué)者也進行了相關(guān)研究，取得了具有探索性的成果［2］，但對基于市政橋梁保護下的滑移型庫岸和滑坡加固治理設(shè)計工程案例較少，同時鑒于地質(zhì)災(zāi)害的復(fù)雜性和巖土體的不確定性，導(dǎo)致加固治理措施往往缺少針對性和有效性。重慶市某縣城位于三峽庫區(qū)低山丘陵地帶，地質(zhì)條件復(fù)雜、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，三峽庫區(qū)蓄水更進一步加劇了地質(zhì)災(zāi)害的復(fù)雜性。但由于土地資源的緊缺性，需要在地質(zhì)災(zāi)害體上修建橋梁工程，該工程前期已經(jīng)通過了橋梁建設(shè)活動的地質(zhì)災(zāi)害危險性評估及對地質(zhì)災(zāi)害的影響安全論證。通過工程實例，對基于橋梁保護的地質(zhì)災(zāi)害加固治理設(shè)計過程進行了分析，在分析地質(zhì)災(zāi)害穩(wěn)定性及剩余下滑力的基礎(chǔ)上，提出采用抗滑樁+預(yù)應(yīng)力錨索+截排水系統(tǒng)的加固治理方案，再采用規(guī)范法和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對地質(zhì)災(zāi)害穩(wěn)定性、抗滑樁的內(nèi)力、位移、錨索的軸力及橋梁的變形和安全性進行分析了分析和論證，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)災(zāi)害概況

擬建橋位區(qū)位于整體穩(wěn)定的特大型古滑坡體前緣，且依次通過了該特大型古滑坡前緣的3個地質(zhì)災(zāi)害點，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜。由于篇幅有限，文中以穩(wěn)定的特大型古滑坡前緣的第3個地質(zhì)災(zāi)害體加固設(shè)計作為主要論述對象。

工程地質(zhì)災(zāi)害體為滑移型庫岸地質(zhì)災(zāi)害體，寬約98m，主滑方向長320m，覆蓋層厚度22～32m，破壞模式為上覆土體沿基巖面產(chǎn)生折線滑動破壞。該庫岸地質(zhì)災(zāi)害體于2007年經(jīng)過三峽庫區(qū)三期地質(zhì)災(zāi)害治理，治理方式為削坡+反壓+格構(gòu)錨桿，治理后達到了地質(zhì)災(zāi)害防治Ⅲ級的要求。由于擬建橋梁的修建，地質(zhì)災(zāi)害體防治等級需提高到Ⅱ級，因此需要對該庫岸地質(zhì)災(zāi)害體進行加固。

1.2 擬建橋梁概況

擬建橋梁全長385m，橋面寬度為13m，上部結(jié)構(gòu)為3×（4×30m）預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)為樁柱式墩、肋式臺，其中樁基礎(chǔ)直徑為1.8m、為端承樁，柱直徑為1.6m。

1.3 地形地貌

場地區(qū)域上屬溶蝕-侵蝕淺-中切割河谷低中山地貌，長江是區(qū)內(nèi)最低的侵蝕基準(zhǔn)面。場地微地貌屬于長江庫岸斜坡地貌，最低點位于河床、高程約120m，最高點位于斜坡坡頂?shù)木用駞^(qū)、高程約270m，高差達150m。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

場地地質(zhì)構(gòu)造上位于羅門峽背斜南東翼近軸部，巖層產(chǎn)狀160°∠40°，基巖中發(fā)育兩組構(gòu)造裂隙：裂隙J1產(chǎn)狀300°∠50°，裂隙J2產(chǎn)狀180°∠79。

1.5 地層巖性

場地地層巖性主要為第四系崩坡（Q4col+dl）碎石土及三疊系下統(tǒng)嘉陵江組（T1j）灰?guī)r。碎石土：松散～稍密，塊碎石主要為灰?guī)r、塊徑多為10～50cm，含量50～80%；灰?guī)r：中厚層狀構(gòu)造，強風(fēng)化層巖體破碎，巖芯呈碎塊狀，中風(fēng)化層巖質(zhì)堅硬，大部分基巖有溶蝕蜂窩狀孔隙，巖體較破碎。

1.6 水文地質(zhì)

地下水類型主要為松散類孔隙潛水和基巖孔隙裂隙水。松散層孔隙水：分布于岸坡、河漫灘及河床地段，賦存于碎石土層及松散填土中，受大氣降雨和長江的補給，地下水水位與河水一致，水量豐富。基巖孔隙裂隙水：主要賦存于基巖風(fēng)化網(wǎng)狀裂隙孔隙及構(gòu)造裂隙中，受大氣降水和松散層孔隙水補給，大寧河為本區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面，風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水一般順層面及裂隙面向低洼處排泄。

2 地質(zhì)災(zāi)害加固治理設(shè)計

2.1 巖土計算參數(shù)

巖土力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

2.2 計算工況及安全系數(shù)

結(jié)合三峽庫水位運行特點，庫岸段地質(zhì)災(zāi)害防治等級由原防治等級Ⅲ級提高到Ⅱ級后，其穩(wěn)定性按文獻［3］和文獻［4］進行計算，其中工況①、②、④、⑤為涉水工況，工況⑦、⑧為非涉水工況：

（1） 工況①：自重+建筑荷載+現(xiàn)狀水位；抗滑穩(wěn)定系數(shù)K=1.20。

（2） 工況②：自重+建筑荷載+現(xiàn)狀水位+20年一遇暴雨（非汛期）；抗滑穩(wěn)定系數(shù)K=1.20。

（3） 工況④：自重+建筑荷載+壩前175m降至常年枯水位；抗滑穩(wěn)定系數(shù)K=1.15。

（4） 工況⑤：自重+建筑荷載+壩前175m降至常年枯水位+20年一遇暴雨（非汛期）；抗滑穩(wěn)定系數(shù)K=1.15。

（5） 工況⑦：自重+建筑荷載；抗滑穩(wěn)定系數(shù)K=1.20。

（6） 工況⑧：自重+建筑荷載+20年一遇暴雨；抗滑穩(wěn)定系數(shù)K=1.15。

2.3 現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析

地質(zhì)災(zāi)害體沿主滑動面及2個次級滑動面的現(xiàn)狀穩(wěn)定性計算結(jié)果見表2，滑面位置如圖1所示。

圖1 加固治理方案典型剖面圖

表2 地質(zhì)災(zāi)害體現(xiàn)狀穩(wěn)定性計算成果

由表2可知，該地質(zhì)災(zāi)害體經(jīng)過2007年治理后，沿主滑面和一級滑面滑動時，各工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)；在沿二級滑面滑動時，天然工況下穩(wěn)定系數(shù)均大于1.20，處于穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.12，安全儲備不滿足要求，因此修建擬建市政橋梁工程時需要進行加固治理。

2.4 地質(zhì)災(zāi)害加固治理方案

滑坡通常可采用抗滑樁支擋、減載、反壓，并結(jié)合排水工程進行綜合治理。項目不具備卸載和反壓條件，抗滑樁具有水平剛度較大、施工工藝成熟、有大量成功案例等特點，錨索施加的預(yù)應(yīng)力能較好的控制滑坡體的變形、減小抗滑樁的內(nèi)力。因此加固治理方案采用抗滑樁+預(yù)應(yīng)力錨索+綜合排水系統(tǒng)。

經(jīng)計算地質(zhì)災(zāi)害體沿二級滑面滑動剩余下滑力為1086kN/m。由于擬建橋梁正好位于二級滑面前出口位置，設(shè)計在擬建橋梁上部和下部各設(shè)置一排抗滑樁，如圖1所示。上排抗滑樁截面尺寸為1.8m×2.8m，共設(shè)置22根，平均樁長36.5m，嵌巖深度為8m，每根樁上設(shè)置2排預(yù)應(yīng)力錨索，鑒于場地灰?guī)r相對破碎，因此采用壓力分散型錨索，采用17根1×715.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線。橋梁下部抗滑樁樁截面尺寸為1.4m×2.2m，共設(shè)置20根，嵌入潛在滑面以下不小于10m，平均樁長17.2m。

2.5 工程建設(shè)限制性要求

（1） 擬建橋梁應(yīng)采用樁基礎(chǔ)、以穩(wěn)定的中等風(fēng)化基巖作為持力層，地質(zhì)災(zāi)害體滑面以上的樁基與周邊土層間設(shè)置軟性材料隔離層，使橋梁荷載傳遞至滑面以下穩(wěn)定巖土層。

（2） 遵循先治理、后建設(shè)的原則，即先進行地質(zhì)災(zāi)害加固治理，待達到相應(yīng)的要求后，方可進行擬建橋梁的施工。

（3） 施工和使用期間嚴(yán)禁對地質(zhì)災(zāi)害體進行加載，嚴(yán)禁大開挖。

3 有限元數(shù)值模擬分析

3.1 計算模型的建立

（1） 結(jié)構(gòu)參數(shù)取值。橋梁結(jié)構(gòu)及支擋結(jié)構(gòu)參數(shù)取值見表3。

表3 結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

（2） 概化模型。選擇典型設(shè)計剖面作為計算剖面，計算模型及單元劃分如圖2所示。有限元模型長334m，高166m，單元數(shù)12741，節(jié)點數(shù)12763。

圖2 計算模型

（3） 本構(gòu)模型。地質(zhì)災(zāi)害巖土體采用二維平面應(yīng)變單元，抗滑樁采用梁單元，錨索采用桁架單元，橋梁樁基礎(chǔ)及柱墩采用梁單元，此外抗滑樁嵌固段與周邊巖土體作用采用接觸單元模擬。

（4） 邊界條件。底部采用水平向和豎向固定邊界條件，兩側(cè)采用水平向固定邊界條件，頂部采用自由邊界條件。

（5） 荷載。①擬建橋梁汽車荷載為城-A級、人群荷載為3.5kN/m2；②已建平湖東路車行荷載按20kN/m2考慮，既有建筑荷載按20kN/m2/層考慮；③橋梁基礎(chǔ)采用嵌巖樁，滑面以上采用應(yīng)力隔離措施，因此橋梁荷載不對滑動土體加載；④橋梁支座反力豎向荷載N=9600kN，水平荷載Q=328kN，計算時近似為墩柱荷載。

（6） 計算施工順序。彈塑性材料最終應(yīng)力和變形與加載歷史有關(guān)，為了盡可能地模擬真實狀態(tài)，根據(jù)施工先后，按照以下步驟進行計算：①計算現(xiàn)狀庫岸斜坡原始應(yīng)力狀態(tài)，作為計算的初始應(yīng)力狀態(tài)，對位移進行清零；②實施加固抗滑樁及預(yù)應(yīng)力錨索；③實施擬建橋梁。

3.2 加固治理地質(zhì)災(zāi)害穩(wěn)定性分析

采用Midas GTS4.2的SAM法對加固治理后地質(zhì)災(zāi)害沿二級滑面滑動穩(wěn)定性進行了計算，暴雨工況下的穩(wěn)定性計算結(jié)果及對應(yīng)的塑性分布如圖3所示。從圖中可知，采用抗滑樁加固后地質(zhì)災(zāi)害穩(wěn)定系數(shù)（暴雨工況下）由1.12提高至1.24，滿足安全系數(shù)要求。

圖3 加固治理后穩(wěn)定系數(shù)及塑性區(qū)分布

3.3 加固治理結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

抗滑樁內(nèi)力分布如圖4～圖8所示。采用有限元和理正巖土軟件計算得出的上排抗滑樁樁身內(nèi)力計算結(jié)果對比如表4所示。

表4 上排抗滑樁內(nèi)力對比

圖4 上排加固抗滑樁彎矩圖

圖5 上排加固抗滑樁剪力圖

圖6 上排加固錨索軸力圖

圖7 下排加固抗滑樁彎矩圖

圖8 下排加固抗滑樁剪力圖

從計算結(jié)果可知，上排抗滑樁樁身彎矩、剪力以及錨索軸力的有限元計算結(jié)果與理正巖土軟件計算結(jié)果基本一致，即采取不同手段互為補充、相互印證，進一步提高了加固設(shè)計的可靠性。

3.4 抗滑樁及擬建橋梁結(jié)構(gòu)變形分析

抗滑樁及橋梁基礎(chǔ)的最終變形如圖9、圖10所示。

圖9 抗滑樁及橋梁結(jié)構(gòu)水平位移圖

圖10 抗滑樁及擬建橋梁結(jié)構(gòu)豎向位移圖

從圖中可知，上排抗滑樁（圖中最左側(cè)）樁頂水平位移為1.8mm、豎向位移為1.2mm，下排抗滑樁（圖中最右側(cè)）樁頂水平位移為1.5mm、豎向位移為3.3mm，滿足規(guī)范要求。橋梁左側(cè)樁基礎(chǔ)地表處水平位移為2.8mm、豎向位移為2.7mm，右側(cè)樁基礎(chǔ)地表處水平位移為2.4mm、豎向位移為3.4mm，滿足設(shè)計要求的6mm允許值。計算相鄰橋墩的沉降差變化很小，最大為0.011%，滿足文獻［5］規(guī)定的相鄰墩臺間不均勻沉降值，即不應(yīng)使橋面形成大于0.2%的附加縱坡。

3.5 橋梁施工完成后地質(zhì)災(zāi)害體應(yīng)力分布

橋梁施工完成后地質(zhì)災(zāi)害體水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力分布規(guī)律如圖11、圖12所示。由于上排抗滑樁承擔(dān)了地質(zhì)災(zāi)害體的絕大部分滑坡推力，而傳至橋梁的滑坡推力則大為減少，圖11、圖12中顯示的滑體部位水平應(yīng)力集中區(qū)位于上排抗滑樁及其后部也正好印證這點，這種受力模式對擬建橋梁安全而言是極為重要的。

圖11 水平應(yīng)力分布圖

圖12 豎向應(yīng)力分布圖

4 結(jié)語

通過基于擬建橋梁保護的地質(zhì)災(zāi)害加固治理設(shè)計工程實例分析，可得出結(jié)論如下：

（1） 經(jīng)過2007年治理后，地質(zhì)災(zāi)害體穩(wěn)定系數(shù)均達到了Ⅲ級的要求。但隨著擬建橋梁的修建、防治工程等級提高至Ⅱ級后，地質(zhì)災(zāi)害體安全儲備不足，修建橋梁前需要進行加固治理。

（2） 采用規(guī)范法和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進行地質(zhì)災(zāi)害加固治理設(shè)計，并對抗滑樁的內(nèi)力、位移及橋梁的變形進行分析了分析，進一步確認(rèn)了加固治理設(shè)計方案的合理性和橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。

（3） 鑒于地質(zhì)災(zāi)害的復(fù)雜性和巖土體的不確定性，應(yīng)加強施工期間的變形監(jiān)測和竣工后的效果監(jiān)測，后期應(yīng)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進一步驗證設(shè)計的安全性與合理性。