山區(qū)橋臺基礎(chǔ)加固處理設(shè)計

張長善 王大群

(中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司 武漢 430056)

1 工程概況

山區(qū)某工程立交主線橋為一座左、右分離式橋梁。橋梁上部結(jié)構(gòu)為1孔30 m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁。橋臺為U形橋臺配擴大基礎(chǔ)形式，基礎(chǔ)地層巖性為中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。

該主線橋下有下穿匝道，左幅橋和右幅橋橋臺位置下穿匝道路塹邊坡，原設(shè)計按照1∶1坡率進行放坡，邊坡采用放炮施工，且邊坡巖體開挖后暴露時間長，加上雨水沖刷浸泡，導(dǎo)致巖體風(fēng)化加速，后經(jīng)勘察單位現(xiàn)場重新勘驗，將該處巖層風(fēng)化類型定為強風(fēng)化。

現(xiàn)由于橋臺離下穿匝道道路邊緣線距離較近，且橋臺地基巖層定性為強風(fēng)化、路塹開挖穩(wěn)定性不能保證，嚴(yán)重威脅橋梁運營安全。

工程治理區(qū)位于立交橋主線橋左幅橋和右幅橋下方橋臺位置以下路塹邊坡。巖層傾向125°～130°，傾角60°～12°，發(fā)育2組構(gòu)造裂隙。一組為平行向斜軸部的張扭性裂隙，該組裂隙較發(fā)育，方向為北北西～北西西，代表性裂隙產(chǎn)狀傾向295°～350°，以295°為主，傾角32°～81°，以54°為主，裂隙面平直，裂面粗糙，延伸2～3 m，裂隙寬一般1～2 mm，局部有泥質(zhì)充填；另一組為剪切裂隙，方向為北～南北東，代表性裂隙產(chǎn)狀傾向0°～36°，以25°為主，局部存在翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，傾角68°～84°，以80°為主，裂隙形跡一般平直，裂面粗糙，延伸4～7 m，裂隙寬一般2～3 mm，局部有充填，與現(xiàn)場實測節(jié)理產(chǎn)狀較為一致。

地層出露以侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖為主，主要礦物成分為黏土礦物，泥質(zhì)膠結(jié)。地勘報告提供抗剪強度參數(shù)見表1。

表1 抗剪強度指標(biāo)

地下水類型為第四系松散層孔隙水和碎屑巖類孔隙裂隙水，補給源為大氣降水，地表水不發(fā)育。由于巖層為砂質(zhì)泥巖，屬相對隔水層，富水性弱，無地表徑流和地下水滲出。

2 加固處理計算

橋臺尺寸為寬15.5 m×長3.7 m，作用在地基上的荷載為200 kPa。剩余下滑力的取值需將邊坡失穩(wěn)的形式考慮全面，對不同失穩(wěn)破壞形式的剩余下滑力進行對比，取其中最大值。

強風(fēng)化巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞計算方法主要有3種[1]：①穩(wěn)定性受單一節(jié)理面(如巖層產(chǎn)狀、節(jié)理裂隙)控制的，采用簡單平面穩(wěn)定性計算；②穩(wěn)定性受多個節(jié)理面控制的，采用三維楔形體穩(wěn)定性計算；③碎裂結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性計算采用簡化Bishop法。

1) 簡單平面穩(wěn)定性計算。節(jié)理產(chǎn)狀需要轉(zhuǎn)成視傾角后參與計算。節(jié)理面視傾角計算公式為

tanβ=tanα·cosω

式中：β為視傾角；α為真傾角；ω為剖面方向(即視傾向)與傾向之夾角。

節(jié)理面視傾角計算結(jié)果見表2，結(jié)構(gòu)面組合穩(wěn)定性計算見表3。

表2 節(jié)理面視傾角計算 (°)

注：負(fù)值表示巖層產(chǎn)狀、節(jié)理傾向與坡面傾向相反，有利于邊坡穩(wěn)定；坡面1和坡面2分別為橋臺兩側(cè)面。

表3 結(jié)構(gòu)面組合穩(wěn)定性計算

注：剩余下滑力安全系數(shù)取1.25；c=50 kPa；φ=18°。

2) 三維楔形體穩(wěn)定性計算。三維楔形體穩(wěn)定性計算前，需判斷節(jié)理組合能否在邊坡上形成楔形體，即需要進行赤平投影分析, 分析結(jié)果見表4。

表4 赤平投影分析

注：抗剪強度參數(shù)黏聚力取50 kPa；內(nèi)摩擦角取18°。

由表4可見：①對于坡面1，J1和J2為不利組合；②對于坡面2，巖層產(chǎn)狀和節(jié)理2為不利組合。即只有工況I和VI能夠形成楔形體，其穩(wěn)定性計算結(jié)果見表5。

表5 三維楔形體計算

坡面1在節(jié)理1和節(jié)理2的控制作用下，受橋臺荷載后安全系數(shù)小于1，穩(wěn)定性較差。剩余下滑力安全系數(shù)取1.20，經(jīng)計算得剩余下滑力約74.9 kN/m(楔形體長度8.97 m)。

3) 簡化Bishop法計算穩(wěn)定性。前面2種計算方法適用于堅硬～較堅硬層狀、裂隙結(jié)構(gòu)巖體邊坡，對于強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖適用性較差，宜采用簡化Bishop法計算其穩(wěn)定性。

橋臺均布荷載大小為200 kPa，坡高為2.695 m，荷載寬度為3.7 m(坡面1)，計算結(jié)果見表6。

表6 坡面1下滑力(坡面1方向)

注：剩余下滑力安全系數(shù)取1.20。

由于最危險滑面處安全系數(shù)最小并不一定代表剩余下滑力最大，所以需要進行驗算。

對于2組抗剪強度參數(shù)，按最不利原則取c=35 kPa,φ=15°來計算最大剩余下滑力，計算簡圖見圖1、表7。

圖1 最大剩余下滑力驗算滑面

坡面1為最危險滑面、坡面2為剩余下滑力最大滑面，滑面半徑相同。

表7 坡面1最大下滑力驗算

注：剩余下滑力安全系數(shù)取1.20。

由表7可見,為了得到最大剩余下滑力，工作量較大，也較繁瑣，特別是針對不同半徑、不同圓心位置的滑面進行計算。下面提供了一個簡便的計算方法。

固定滑面后緣點A和前緣點B，AC長度固定為2.8 m，計算不同半徑的圓弧滑面的剩余下滑力(見圖2、表8)。根據(jù)計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滑面半徑越大對應(yīng)的剩余下滑力越大，當(dāng)調(diào)整AC寬度也會得到同樣的結(jié)果，也就是說當(dāng)滑面呈直線時，剩余下滑力達到最大值。這主要是因為直線滑面的接觸面最小，下滑體受到的摩擦抗滑力最小綜合作用導(dǎo)致的。

圖2 不同半徑滑面計算簡圖

半徑/m剩余下滑力/(kN·m-1)5167.3710205.4120216.6350220.77+∞(滑面為直線)222.52

注：剩余下滑力安全系數(shù)取1.20。

基于上述計算規(guī)律，可假設(shè)滑面為直線以計算剩余下滑力最大值，通過調(diào)整坡頂AC寬度得到剩余下滑力。計算結(jié)果表明，最大剩余下滑力為222.52 kN。

坡面1和坡面2的物理模型基本一樣，區(qū)別在于加載區(qū)域?qū)挾炔煌?坡面1荷載寬度3.7 m，坡面2荷載寬度15.5 m)。由于坡面1模型所得安全系數(shù)最小的滑面位置和最大剩余下滑力的滑面位置均位于荷載寬度范圍內(nèi)，故坡面2計算過程類似。

經(jīng)計算，左幅橋橋臺路塹邊坡開挖至匝道設(shè)計標(biāo)高(開挖2.695 m)時剩余下滑力為最大值222.52 kN/m，開挖至匝道路槽底面(開挖3.351 m)剩余下滑力為237.66 kN/m。同理，可以得到右幅橋橋臺路塹邊坡開挖至匝道設(shè)計標(biāo)高(開挖2.253 m)剩余下滑力最大值為179.29 kN/m，開挖至路槽底面(開挖2.813 m)剩余下滑力為180.914 kN/m。

3 加固處理方案

1) 加固方案的確定。從提供支護力與切坡先后順序的角度將加固方法分為主動加固和被動加固2大類。對于路塹邊坡的加固，一般要求進行主動加固防護。

由于橋臺左幅橋下方和右幅橋下方的邊坡施工空間受限，且橋臺對穩(wěn)定和變形的要求高，綜合考慮，加固治理方案綜合采用預(yù)應(yīng)力錨索和鋼軌樁2種加固方法。即對左幅橋主線和右幅橋主線橋下橋臺正面進行錨索加固，側(cè)面邊坡采用鋼軌樁加固[3]。

2) 預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計

①錨固力的確定。為了避免群錨效應(yīng)，錨索布置間距不小于2.5 m[2]?？紤]到加固坡面高度較矮，錨索按一排布置。左、右幅橋橋臺路塹邊坡，均布置錨索一排，水平間距分別為2.5 m和3 m。

經(jīng)計算，左幅橋橋臺路塹邊坡開挖至路槽底面(開挖3.351 m)設(shè)計錨固力為324.65 kN/m，錨索鋼絞線需8根；右幅橋橋臺路塹邊坡開挖至路槽底面(開挖2.813 m)設(shè)計錨固力為261.16 kN/m, 錨索鋼絞線需8根。鋼絞線型號為1 860級無黏結(jié)鋼絞線。

②錨固長度的確定。錨索錨固長度應(yīng)對錨桿體與注漿體的黏結(jié)長度和注漿體與地層間的黏結(jié)長度分別計算，取兩者中的大值作為錨索錨固段長度，見表9。

表9 錨固長度計算

CECS 22：2005 《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》中7.6節(jié)規(guī)定：錨桿自由段長度應(yīng)穿過潛在滑裂面不少于1.5 m，并不應(yīng)小于5.0 m，本工程自由端長度取5.0 m。經(jīng)整體穩(wěn)定性驗算滿足規(guī)范要求。

3) 鋼軌樁設(shè)計。鋼軌抗滑樁是埋于滑體巖層中的抗滑樁，鋼軌與圍巖通過混凝土牢固結(jié)合成一體，在滑動面上下受彎曲產(chǎn)生抗力，計算簡圖見圖3。

圖3 鋼軌樁計算簡圖

經(jīng)計算鋼軌樁需埋入深度至少6.43 m,開挖高度2.695 m,考慮到橋臺基礎(chǔ)不裸露,基礎(chǔ)底面以上鋼軌樁長度至少1 m,最終確定鋼軌長度11 m。

在開挖底面位置每延米土壓力大小為234 kN，每延米彎矩為233 kN·m。鋼軌抗拉強度根據(jù)GB 2585-2007 《鐵路用熱軋鋼軌》[4]選取，同時考慮1.20安全系數(shù)的折減。

鋼軌樁由2根43號鋼軌并排焊接而成，孔徑300 mm，長度11 m，間距1 m，可提供每延米272 kN·m的彎矩抗力，滿足工程要求。

綜上所述，左幅橋橋臺路塹邊坡內(nèi)側(cè)采用預(yù)應(yīng)力錨索加固，錨索由8根1 860級無黏結(jié)鋼絞線組成，錨固長度10 m、孔深15.3 m、孔徑150 mm，一排布置，水平間距2.5 m，共4根；外側(cè)采用鋼軌樁加固，鋼軌樁采用2根43號鋼軌并排焊接而成，樁長11 m、孔深11.5 m、孔徑300 mm、間距1 m，共4根。

右幅橋橋臺路塹邊坡內(nèi)側(cè)采用預(yù)應(yīng)力錨索加固，錨索由8根1 860級無黏結(jié)鋼絞線組成，錨固長度10 m、孔深15.3 m、孔徑150 mm、一排布置，水平間距3 m，共3根；外側(cè)采用鋼軌樁加固，鋼軌樁由2根43號鋼軌并排焊接，樁長11 m、孔深11.5 m、孔徑300 mm、間距1 m，共2根。

4 結(jié)語

該項目于2014年底通車，至今已運行3年,加固處理橋臺基礎(chǔ)工程狀況良好，尚未出現(xiàn)任何工程病害, 橋臺質(zhì)量及其下匝道邊坡工程質(zhì)量安全得到了很好的保證，取得了良好的工程及社會效益。

[1] 公路路基設(shè)計規(guī)范：JTG D30-2004[S].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程：CECS 22∶2005[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[3] 王小萌，艾軍，周儲偉，等.HFRP加固鋼筋混凝土梁抗彎性能研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版)，2012，36(3)：652-656.

[4] 鐵路用熱軋鋼軌：GB 2585-2007[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.