拱形棚洞在公路高邊坡災(zāi)害防治中的應(yīng)用

賈艷領(lǐng), 夏永旭, 韓興博, 周勇狄

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064; 2. 廣西交通科學(xué)研究院有限公司 勘察設(shè)計(jì)事業(yè)部, 廣西 南寧 530007)

在以前的公路工程建設(shè)中,修筑了大量高邊坡路段,嚴(yán)重?cái)_動(dòng)了山體,打破了原有的山體平衡狀態(tài).同時(shí),隨著時(shí)間的推移,原有坡面加固措施逐漸失效,坡面巖體風(fēng)化日益嚴(yán)重,坡面穩(wěn)定性變差,在降雨、地震等作用下,易誘發(fā)滑坡、崩塌、落石、泥石流等自然災(zāi)害,嚴(yán)重影響行車安全.特別是在交通咽喉路段,一旦發(fā)生高邊坡災(zāi)害,嚴(yán)重阻礙救災(zāi)力量及時(shí)到達(dá)災(zāi)區(qū),致使錯(cuò)過黃金救援時(shí)間,造成人民重大生命財(cái)產(chǎn)損失[1-2].鐵路工程中棚洞結(jié)構(gòu)的應(yīng)用早于公路工程,技術(shù)也比較成熟[3].文獻(xiàn)[4]結(jié)合成昆鐵路的實(shí)際情況,論述了棚洞結(jié)構(gòu)在隧道洞口路段及高邊坡路段的災(zāi)害治理中的應(yīng)用.拱形棚洞結(jié)構(gòu)于本世紀(jì)初被蔣樹屏等應(yīng)用于公路隧道中[5],因其諸多優(yōu)點(diǎn)受到關(guān)注,但其在公路高邊坡病害防治中較少采用,且鮮有報(bào)道.文獻(xiàn)[6]結(jié)合汶川Y018公路復(fù)建工程, 從設(shè)計(jì)和施工兩個(gè)方面闡述了棚洞在震后公路復(fù)建工程中的應(yīng)用情況.文獻(xiàn)[7]以重慶萬(wàn)州太白巖南坡旅游公路為研究對(duì)象,從設(shè)計(jì)的角度對(duì)棚洞結(jié)構(gòu)用于防御崩塌落石災(zāi)害的方案進(jìn)行了分析.文獻(xiàn)[8]依托G213二級(jí)公路的災(zāi)后復(fù)建工程中防落石鋼棚洞為工程背景,分析了鋼棚洞的相關(guān)技術(shù)指標(biāo).文獻(xiàn)[9-11]采用數(shù)值計(jì)算或者模型試驗(yàn)方法,對(duì)新建棚洞結(jié)構(gòu)的受力特性、與邊坡之間的相互作用關(guān)系等進(jìn)行了研究.綜上可知,目前相關(guān)研究成果在高邊坡災(zāi)害的防治中難以直接參考借鑒.

筆者以龍勝至資源公路高邊坡路段災(zāi)后復(fù)建工程為依托工程,采用數(shù)值模擬方法,研究拱形棚洞在防治高邊坡病害中的受力特性及設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù),以期對(duì)今后公路高邊坡病害的預(yù)防和處治有所裨益.

1 工程背景

1.1 場(chǎng)地條件分析

龍勝至資源公路是龍勝縣重點(diǎn)旅游公路,建成于20世紀(jì)80年代.路段邊坡陡峭,坡高最高達(dá)120 m,坡面與水平面成65°.該路段經(jīng)歷數(shù)次塌方,多次清理了塌渣,拓寬了路基寬度,坡腳距離潯江江岸擋墻的距離最寬處也僅為20 m,場(chǎng)地非常狹窄.棚洞平面布置圖如圖1所示.龍勝至資源公路建成運(yùn)營(yíng)至今,曾多次發(fā)生滑坡、塌方等高邊坡病害,其中尤以K31+680.0～K31+796.4高邊坡路段最為突出.

圖1 棚洞平面布置圖

該路段左側(cè)緊鄰潯江,右側(cè)緊靠山體.圖2為棚洞場(chǎng)地照片.在路段發(fā)生塌方時(shí)無(wú)法搭建臨時(shí)道路,也無(wú)繞行條件,交通將被中斷,直至清理完塌方體.養(yǎng)護(hù)記錄顯示,該路段因塌方造成的交通堵塞最長(zhǎng)達(dá)2個(gè)月有余,對(duì)沿線居民的生產(chǎn)生活影響較大.

擬建棚洞區(qū)域位于龍勝縣溫泉口景區(qū)出口右側(cè)100 m處,屬于低山-重丘地貌,山體總體走勢(shì)近南北向,地層主要有第四系人工填土(Qml)及震旦系南沱組下段(Zan1)變質(zhì)巖組成.經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng),斷裂發(fā)育,局部擠壓扭曲現(xiàn)象較多見,巖層產(chǎn)狀有一定的變化,伴生的構(gòu)造節(jié)理發(fā)育,傾角較陡.裂隙水量比較豐富,經(jīng)水質(zhì)檢測(cè),場(chǎng)地范圍內(nèi)的水對(duì)構(gòu)造物有輕微腐蝕性.隧址區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),氣候濕潤(rùn),雨量充沛,日照充足,區(qū)域氣候條件和水文地質(zhì)條件會(huì)加速裸露巖石的風(fēng)化,不利于高邊坡路段的邊坡穩(wěn)定和耐久.

圖2 棚洞場(chǎng)地

1.2 工程地質(zhì)

棚洞右側(cè)為巖質(zhì)邊坡,傾向西南,山高坡陡,路基外側(cè)緊鄰潯江,邊坡上主要有碎石土、強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖和弱風(fēng)化變質(zhì)砂巖組成,第四系坡積碎石土厚度較薄.邊坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,路塹邊坡被開挖,邊坡坡腳形成臨空面,原始坡面穩(wěn)定性較差.連續(xù)降雨或偶降暴雨會(huì)加速弱化軟弱結(jié)構(gòu)面的黏結(jié)能力,導(dǎo)致邊坡山體發(fā)生淺層滑塌或崩塌.運(yùn)營(yíng)維修資料顯示,該區(qū)域每次塌方均伴隨降雨,可見降雨對(duì)坡面的影響之大.

場(chǎng)地左側(cè)(靠近河流一側(cè))地層主要由人工填土、強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖和弱風(fēng)化變質(zhì)砂巖組成.其中,人工填土承載能力較差,不適宜作為天然地基持力層;強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖埋深較深,且分布不均勻,同樣不適宜作為棚洞天然地基持力層或天然地基下臥層;弱風(fēng)化變質(zhì)砂巖埋深較深,強(qiáng)度較高,力學(xué)性質(zhì)良好,厚度較大,是良好的樁基基礎(chǔ)持力層.場(chǎng)地右側(cè)(靠近山體一側(cè))地層主要由人工填土和弱風(fēng)化變質(zhì)砂巖組成,弱風(fēng)化變質(zhì)砂巖埋深較淺,厚度較大,適宜采用天然地基.

1.3 高邊坡災(zāi)害分析

龍勝至資源公路K31+680.0～K31+796.4高邊坡路段,右側(cè)挖方邊坡異常陡峭,邊坡高達(dá)120 m,巖面石邊坡呈65°.由于該公路為改革開放初期建設(shè)的項(xiàng)目,資金較少,人們的環(huán)保意識(shí)淡薄,公路建設(shè)技術(shù)力量不足,致使筑路時(shí)沿山傍河路段大挖大填,形成了挖方高邊坡.經(jīng)過二三十年的坡面風(fēng)化和坍塌碎落,原有支護(hù)結(jié)構(gòu)已消失殆盡,現(xiàn)在坡面巖石已經(jīng)完全裸露,坡面上有多處凌亂凸起的風(fēng)化待碎落巖石,坡頂覆蓋層較厚,且為易滲水的碎石土.當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和水文地質(zhì)條件都對(duì)坡面巖石的風(fēng)化碎落起到了催化作用.

表1為1992—2012年K31+680.0～K31+796.4路段塌方情況統(tǒng)計(jì)表.由表1可知:最大塌方量發(fā)生于1998年,平均單次塌方量達(dá)到18 352 m3;其次為2011年,平均單次塌方量為7 715 m3;平均單次塌方量大于1 500 m3的有8個(gè)年份;平均單次塌方量小于1 500 m3的有10個(gè)年份,其中塌方量小于500 m3的有7個(gè)年份.該高邊坡路段幾乎每年都會(huì)發(fā)生塌方災(zāi)害,給沿線居民及公路運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了嚴(yán)重影響.

勘察設(shè)計(jì)期間的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn):在距離坡頂上邊坡20 m的地方,已出現(xiàn)一條滑移錯(cuò)縫,裂縫沿路線方向間隔出現(xiàn),并未貫通,滑動(dòng)體厚度約5 m.該滑動(dòng)體在長(zhǎng)時(shí)間雨水滲透的情況下,隨時(shí)有坍塌的可能.

表1 K31+680.0～K31+796.4路段塌方情況統(tǒng)計(jì)表

2 棚洞設(shè)計(jì)方案

本研究主要以滑動(dòng)體及落石作為病害目標(biāo),并參考以往高邊坡病害記錄情況,在溫泉口路段設(shè)置了棚洞,計(jì)算分析棚洞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化棚洞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù),研究應(yīng)用棚洞結(jié)構(gòu)來(lái)預(yù)防和治理高邊坡病害的相關(guān)技術(shù)難題.該棚洞長(zhǎng)116.4 m,設(shè)置兩處變形縫,分3聯(lián),各聯(lián)長(zhǎng)度合計(jì)為33.5 m+49.4 m+33.5 m=116.4 m.隧道凈寬9.0 m,凈高5.5 m.上部結(jié)構(gòu)采用斜柱曲墻平板結(jié)構(gòu),板厚為0.8 m.靠近山體一側(cè)地層條件較好,表層為人工填土,覆蓋層厚1.0～3.5 m,下伏弱風(fēng)化變質(zhì)砂巖;下部結(jié)構(gòu)采用條形擴(kuò)大基礎(chǔ),寬1.7 m,高1.5 m;靠近河岸一側(cè)地質(zhì)條件較差,表層為人工填土,覆蓋層厚12.5 m,下伏強(qiáng)風(fēng)化至弱風(fēng)化變質(zhì)砂巖;下部結(jié)構(gòu)采用斜柱樁基礎(chǔ)托梁結(jié)構(gòu),整個(gè)隧道縱向共設(shè)置15根鉆孔灌注樁樁基礎(chǔ),樁徑1.5 m,矩形斜柱邊長(zhǎng)1.4 m,托梁高1.2 m.斜柱樁基礎(chǔ)托梁結(jié)構(gòu)與條形擴(kuò)大基礎(chǔ)之間采用矩形連系梁連接,連系梁邊長(zhǎng)0.8 m.洞頂采用級(jí)配碎石+黏土+種植土回填,最薄處厚度為3.0 m.棚洞上、下結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu).棚洞結(jié)構(gòu)橫斷面和縱斷面設(shè)計(jì)示意圖分別如圖3,4所示.

圖3 棚洞橫斷面設(shè)計(jì)示意圖

圖4 棚洞縱斷面設(shè)計(jì)示意圖(單位:cm)

3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

計(jì)算采用通用有限元軟件ANSYS,建立三維數(shù)值模型,進(jìn)行不同工況結(jié)構(gòu)受力模擬計(jì)算.假定:圍巖為均質(zhì)彈塑性材料,采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則;棚洞結(jié)構(gòu)材料的特性遠(yuǎn)優(yōu)于圍巖,計(jì)算中將其假定為彈性體.

3.1 正常使用和滑塌工況

正常使用狀態(tài)數(shù)值計(jì)算模型中,靠近河流一側(cè)的按照實(shí)際選取到河邊,與樁基中心的距離約10 m,靠近山體一側(cè)依照圣維南原理,選取3倍開挖寬度為模擬范圍.模型寬為55 m,高為130 m.參照表1中的邊坡滑塌情況,近10年來(lái),2011年平均單次塌方量最大,超過7 000 m3·次-1.根據(jù)依托工程的高邊坡災(zāi)害記錄,

并參照與依托工程邊坡地質(zhì)相似

的邊坡塌方情況,邊坡滑塌體會(huì)形成坡度約35°的自然坡體.根據(jù)依托工程棚洞結(jié)構(gòu)體的實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)算,棚洞頂部最多可容納約1 500 m3滑塌巖土體,多余滑塌巖土體會(huì)順坡滑塌至河道中.因此,在滑塌工況中,選取1 500 m3的滑塌體作用在棚洞結(jié)構(gòu)上,進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.模型采用3D實(shí)體單元(SOLID65),計(jì)算模型共分607 069個(gè)單元,105 825個(gè)節(jié)點(diǎn).正常使用及滑塌工況棚洞模型如圖5所示.材料參數(shù)取值見表2.

圖5 正常使用及滑塌工況下的棚洞模型

正常使用及滑塌工況棚洞構(gòu)件受力計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示.由表3可知:棚洞在正常使用的情況下,斜柱出現(xiàn)應(yīng)力集中,最大拉應(yīng)力σt在與托梁連接的斜柱頂部外側(cè),為2.17 MPa,同部位內(nèi)側(cè)的壓應(yīng)力σc為6.91 MPa,其中斜柱拉應(yīng)力σt為0.56～1.56 MPa;系梁與斜柱相接的上緣受拉較大,最大拉應(yīng)力σt達(dá)到了2.14 MPa,同部位的下緣受壓較大,最大壓應(yīng)力σc為7.02 MPa;其余結(jié)構(gòu)受力相對(duì)比較小.

表2 材料參數(shù)取值表

表3 不同工況棚洞構(gòu)件受力情況 MPa

由表3可知:棚洞在滑塌工況下,各主要構(gòu)件的應(yīng)力明顯增大;系梁的受力最大,拉應(yīng)力σt為2.36 MPa,最大部位在與斜柱底相連接處,同部位內(nèi)側(cè)的壓應(yīng)力σc為7.27 MPa,其中拉應(yīng)力σt為0.70～1.36 MPa;曲板拱肩內(nèi)側(cè)最大拉應(yīng)力σt為1.74 MPa,下部與條形基礎(chǔ)相接處,最大壓應(yīng)力σc為2.32 MPa,其中曲板最大拉應(yīng)力σt為0.34～1.27 MPa;其余結(jié)構(gòu)受力相對(duì)較小.

由表3可知:各主要構(gòu)件的最大壓應(yīng)力均小于混凝土的抗壓強(qiáng)度.拉應(yīng)力在個(gè)別構(gòu)件中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,系梁拉應(yīng)力極值超過C30混凝土的抗拉極限值2.2 MPa.考慮在建模過程中棚洞構(gòu)件未配置鋼筋,而實(shí)際構(gòu)件配筋率達(dá)到了3%以上,按照文獻(xiàn)[12]所述公式，將鋼筋彈性模量等效換算成混凝土彈性模量.即

(1)

配筋率為3%時(shí),構(gòu)件鋼筋混凝土的彈性模量為35.8～37.3 MPa，大于C50混凝土彈性模量35.5 MPa,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高,各構(gòu)件所受拉應(yīng)力極值遠(yuǎn)小于C50混凝土的抗拉極限值3.1 MPa,且所受拉應(yīng)力主要范圍并未超過C30混凝土的抗拉極限值2.2 MPa,結(jié)構(gòu)安全.

3.2 落石沖擊工況

落石對(duì)棚洞的沖擊效應(yīng)是造成棚洞破壞的又一可能因素.根據(jù)依托工程的地質(zhì)調(diào)查情況:依托工程落石體積一般為0.1～0.5 m3,落石的沖擊速度為8.5～21.0 m·s-1,且10.0 m·s-1左右居多.本研究選取半徑為1 m,速度為10.0 m·s-1,體積約為0.5 m3的球體,作為落石沖擊模型的落石.利用LS-DYNA動(dòng)力學(xué)分析模塊,模擬落石對(duì)棚洞結(jié)構(gòu)的沖擊作用.計(jì)算模型共18 108個(gè)節(jié)點(diǎn),87 780個(gè)單元.棚洞各構(gòu)件的材料參數(shù)如表2所示.落石沖擊計(jì)算模型如圖6所示.落石沖擊工況計(jì)算結(jié)果如表4和表5所示.

圖6 落石沖擊計(jì)算模型

由表4可知:從結(jié)構(gòu)受力時(shí)間上分析,0.03 s時(shí)棚洞構(gòu)件受拉應(yīng)力σt達(dá)到極值3.05 MPa,受力部位為曲板撞擊處下方柱頂,受拉應(yīng)力范圍為0.90～2.55 MPa;0.02 s時(shí)棚洞構(gòu)件受壓應(yīng)力σc達(dá)到極值8.65 MPa,受力部位為曲板撞擊處下方柱底,受壓應(yīng)力范圍為2.59～6.63 MPa.

由表5可知:曲板和托梁最先受到落石的沖擊力,而后傳遞到斜柱和系梁,最后經(jīng)棚洞基礎(chǔ)傳遞給地基.

由表4,5可知:各主要結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力均小于混凝土的抗壓強(qiáng)度.主拉應(yīng)力在斜柱、系梁和曲板等構(gòu)件中出現(xiàn)拉應(yīng)力集中現(xiàn)象,三者的拉應(yīng)力極值分別達(dá)到3.06,3.03和2.97 MPa.構(gòu)件拉應(yīng)力極值已超出C30混凝土的抗拉極限值2.2 MPa,考慮構(gòu)件配筋較多,采用文獻(xiàn)[12]所述將鋼筋彈性模量等效換算成混凝土彈性模量方法,提高混凝土的強(qiáng)度.拉應(yīng)力極值均未超出C50混凝土的抗拉極限值3.1 MPa,結(jié)構(gòu)是安全的,但是安全系數(shù)較低.當(dāng)然,普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)允許出現(xiàn)不超限寬的裂縫,結(jié)構(gòu)安全基本不受影響,但在日常養(yǎng)護(hù)中應(yīng)及時(shí)處理結(jié)構(gòu)裂縫,以免影響結(jié)構(gòu)耐久性.

表4 不同時(shí)刻棚洞受落石沖擊受力情況

表5 單個(gè)主要構(gòu)件受落石沖擊受力情況

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)3種工況數(shù)值模擬結(jié)果,在原設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上,優(yōu)化棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù).曲板、斜柱和系梁等構(gòu)件是拱形棚洞結(jié)構(gòu)受力薄弱處,曲板與斜柱的配筋率由6%增大到9%,優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)將系梁邊長(zhǎng)增大至計(jì)算時(shí)的1.5倍;施工時(shí),該構(gòu)件外表面應(yīng)噴涂水性滲透性防水材料,避免地下毛細(xì)水經(jīng)由系梁中細(xì)小裂縫侵蝕鋼筋,影響棚洞結(jié)構(gòu)的耐久性.斜柱頂部與托梁連接部位增加過度截面;斜柱底部與系梁、樁基連接處應(yīng)增加承臺(tái);消減斜柱頂部和底部拉應(yīng)力集中現(xiàn)象,避免混凝土過早出現(xiàn)裂縫,影響結(jié)構(gòu)安全和耐久性.

優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),曲板頂部回填應(yīng)在原有1.5 m厚的土石回填層基礎(chǔ)之上再增加1.5 m厚度的級(jí)配碎石層,以保護(hù)拱頂棚洞的防水層,并消減落石對(duì)曲板的直接沖擊.

4 結(jié) 論

1) 利用有限元軟件,對(duì)滑塌、落石等高邊坡災(zāi)變時(shí)拱形棚洞結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)行了分析,數(shù)值模擬結(jié)果顯示:初擬的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù),在落石工況下,結(jié)構(gòu)受力未超出混凝土的受力極限值,但安全系數(shù)較低,耐久性受到影響.由此,對(duì)棚洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整,以提高棚洞結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性.

2) 如今高邊坡路段災(zāi)后復(fù)建工程的拱形棚洞已建成運(yùn)營(yíng),在運(yùn)營(yíng)階段發(fā)生滑坡、落石等高邊坡災(zāi)害后,其結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)明顯病害,特別是該路段交通未受影響.