高速鐵路橋梁橋基邊坡穩(wěn)定性及穩(wěn)定坡角研究
——以西成高鐵養(yǎng)家河大橋為例

巨小強

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

高陡巖質(zhì)邊坡在基巖山區(qū)普遍存在，基巖邊坡是在內(nèi)外地質(zhì)應(yīng)力共同作用下形成和發(fā)展的，基巖的自然邊坡是邊坡自身適應(yīng)自然環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境的結(jié)果。西成高鐵穿越秦嶺山區(qū)和大巴山區(qū)，由于高速鐵路建設(shè)標準高，西成高鐵在秦嶺山區(qū)和大巴山區(qū)不可避免地在隧道洞口和橋梁橋臺處遇到高陡巖質(zhì)邊坡問題，目前對高陡巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞的內(nèi)部機制或過程還缺乏更深入的認識，《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)[1]僅適用于邊坡高度在30 m以下(含30 m)的巖質(zhì)邊坡，對于高度大于30 m的高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性和穩(wěn)定坡角的確定，目前相應(yīng)的規(guī)范及手冊沒有明確的規(guī)定?！惰F路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(TB 10093—2017)[2]指出墩臺應(yīng)避開不良地質(zhì)，陡峭山坡上修建墩臺時應(yīng)注意基礎(chǔ)下巖體的穩(wěn)定?！惰F路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB10012—2007)[3]指出，基巖地區(qū)陡立岸坡地段應(yīng)根據(jù)地層巖性、結(jié)構(gòu)面特征、水文地質(zhì)特征及水文條件等進行工程地質(zhì)條件的綜合分析，做出岸坡穩(wěn)定性評價，為工程基礎(chǔ)設(shè)置提供依據(jù)。令人遺憾的是，這些規(guī)范并未對橋基荷載作用下邊坡整體穩(wěn)定性的分析方法給出建議，給工程技術(shù)人員帶來較大的難題。蔣爵光、謝強等根據(jù)對大量道路邊坡的統(tǒng)計和理論分析，建立了邊坡巖體質(zhì)量指標與鐵路巖石邊坡坡度的定量關(guān)系式，提出了鐵路巖石邊坡穩(wěn)定性評價方法[4-6]。此方法基于自然穩(wěn)定高邊坡的統(tǒng)計分析獲得，不宜直接應(yīng)用于承受重大荷載的高陡邊坡的穩(wěn)定坡角確定，其最大的不足是沒有考慮到荷載大小的因素。從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀中可以看出，高陡邊坡穩(wěn)定坡角的確定始終沒有合適的方法，現(xiàn)有的規(guī)范和手冊對高陡邊坡穩(wěn)定坡角的確定基本上未涉及到，采用基于統(tǒng)計手段的穩(wěn)定坡角經(jīng)驗公式法確定穩(wěn)定坡角又存在不足，不能使穩(wěn)定坡角設(shè)計做到安全可靠與經(jīng)濟合理的兩者統(tǒng)一[7-12]。本研究考慮了橋基邊坡的實際荷載和不同工況下的動荷載作用，選取的巖體力學(xué)參數(shù)為現(xiàn)場實際測試所得，通過數(shù)值模擬計算和邊坡體地質(zhì)特征綜合分析所確定的穩(wěn)定坡腳對設(shè)計和施工更有針對性，其合理性也得到了工程的驗證。

1 研究概況

1.1 研究方法和思路

通過對西成高鐵陜西段所穿越的秦嶺山區(qū)和大巴山區(qū)的區(qū)域地質(zhì)情況進行總結(jié)，分析養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡等4個工點的地質(zhì)條件，將這4個邊坡分類為結(jié)構(gòu)面控制型邊坡和巖體強度控制型邊坡[13]。對于巖體強度控制型邊坡，通過輸入邊坡巖體的力學(xué)參數(shù)、邊坡的幾何參數(shù)以及各種工況下的外在影響因素參數(shù)，借助FLAC3D軟件，搜索出可能的潛在破裂面位置，并采用強折減理論，通過軟件反復(fù)分析，借助類似極限平衡法的分析計算方法，計算出邊坡的穩(wěn)定系數(shù)和穩(wěn)定坡角[14-20]。在數(shù)值模擬分析確定穩(wěn)定坡角的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實測的自然邊坡高度、坡度、巖體產(chǎn)狀、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、風(fēng)化情況，綜合確定橋基邊坡的穩(wěn)定坡角。

1.2 研究的現(xiàn)實意義

確定高陡巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定坡角涉及橋梁墩臺安全，是一項復(fù)雜的巖體工程問題，本文結(jié)合實際研究有現(xiàn)實意義。沒有明顯的順坡面的潛在滑移軟弱結(jié)構(gòu)面的高陡巖質(zhì)邊坡，按巖體強度控制，采用強度折減法計算高陡巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)是有益嘗試。本研究考慮了橋基邊坡的實際荷載和不同工況下的動荷載作用，選取的巖體力學(xué)參數(shù)為現(xiàn)場實際測試所得，彌補了以往研究中未考慮實際荷載作用及巖體參數(shù)依靠經(jīng)驗數(shù)據(jù)的不足。

1.3 養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡地質(zhì)特征

西成高鐵養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡位于養(yǎng)家河溝內(nèi)，地貌上屬大巴山低山區(qū)，邊坡高陡，邊坡總高度約320 m，單級邊坡高度約180 m，隧道進口處自然邊坡為60°，邊坡巖性為灰?guī)r，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀N35°E/29°N，巖層反傾，巖質(zhì)硬，性脆，節(jié)理較發(fā)育，主要結(jié)構(gòu)面信息如下：節(jié)理組1，N85°E∠80°S，間距0.3～0.5 m，延伸大于10 m；節(jié)理組2，N8°E∠22°N、間距0.5 m，延伸大于10 m。邊坡處地表水和地下水均不發(fā)育，結(jié)合地貌、巖性、構(gòu)造及邊坡的自然狀態(tài)綜合分析，邊坡在自然狀態(tài)下是穩(wěn)定的。

2 分析模型的建立

2.1 邊坡類型的確立

經(jīng)分析判定養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡沒有明顯的順坡面的潛在滑移軟弱結(jié)構(gòu)面，符合巖體強度控制型邊坡基本條件。

2.2 邊坡數(shù)值分析方法的選擇

對于巖體強度控制型巖質(zhì)邊坡，由于不存在明顯的順坡面的潛在滑移軟弱結(jié)構(gòu)面，需要通過一定的搜索方法得到邊坡的破壞面或滑動面。FLAC3D是二維有限差分程序FLAC2D的擴展，能夠進行土質(zhì)、巖石和其他材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動分析。FLAC3D采用的顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠非常準確地模擬材料的塑性破壞和流動。養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡穩(wěn)定性研究契合該數(shù)值分析系統(tǒng)。

2.3 分析剖面選取

根據(jù)分析要求，結(jié)合養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡地形地貌特征，選取坡度最大地質(zhì)剖面邊坡進行分析，養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡分析剖面位置以及與線路的關(guān)系如圖1所示。

2.4 分析參數(shù)與荷載參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場測試取得的地質(zhì)資料及橋梁專業(yè)檢算，養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡的綜合物理與力學(xué)參數(shù)及橋墩荷載取值如表1所示。

表1 養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡巖體力學(xué)參數(shù)與橋墩荷載

圖1 養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡分析斷面位置

3 養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

在建立分析模型及確定了分析參數(shù)與荷載參數(shù)后，通過輸入邊坡巖體的力學(xué)參數(shù)、邊坡的幾何參數(shù)以及各種工況下的外在影響因素參數(shù)，借助FLAC3D軟件，搜索出可能的潛在破裂面位置，并采用強度折減理論，通過軟件反復(fù)分析，借助類似極限平衡法的分析計算方法，計算出養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋臺在自然、列車運行及各種偶然工況下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)和穩(wěn)定坡角。下文以最不利的自重+水平地震+豎向地震+降雨偶然工況(方案6)為例進行分析。

3.1 邊坡穩(wěn)定性分析

圖2 養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡水平地震偶然工況下最大主應(yīng)力云圖

圖2、圖3給出了養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡自重+水平地震+豎向地震+降雨偶然工況下的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力云圖。從圖2、圖3可以看出，養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡受水平地震力、豎向地震力與降雨偶然工況時，分析區(qū)域內(nèi)，邊坡第一主應(yīng)力最大值為0.69 kPa，最小值為-3.26 MPa；第三主應(yīng)力最大值為-0.15 MPa，最小值為-6.28 MPa。結(jié)果表明，最大拉應(yīng)力為0.69 MPa，最大壓應(yīng)力為6.28 MPa，邊坡體中沒有超過1.0 MPa的拉應(yīng)力產(chǎn)生，也無過大壓應(yīng)力產(chǎn)生，從最大、最小拉(壓)應(yīng)力來看，對于當前水平地震力、豎向地震力與降雨偶然組合工況下邊坡基本穩(wěn)定。其他工況下邊坡也都處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡水平地震偶然工況下最小主應(yīng)力云圖

3.2 邊坡穩(wěn)定系數(shù)

圖4、圖5給出了養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡受水平地震力、豎向地震力與降雨偶然組合工況的剪切應(yīng)變增量圖、位移矢量圖。

圖4 養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡水平地震偶然工況下剪切應(yīng)變云圖

圖5 養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡水平地震偶然工況下位移云圖

從圖4、圖5可以看出，當前水平地震力、豎向地震力與降雨偶然組合工況下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為4.23。其他各種工況下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)如表2所示，從表2可以看出，各工況穩(wěn)定系數(shù)中，方案6即水平地震力、豎向地震力與降雨偶然組合工況下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)最小，為4.23，最大穩(wěn)定系數(shù)為自然工況下的8.02。

表2 養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡各工況下穩(wěn)定系數(shù)

3.3 各工況下邊坡穩(wěn)定坡角

數(shù)值模擬分析確定穩(wěn)定坡角的具體方法為，通過數(shù)值分析模型，搜索出可能的潛在破裂面位置，并采用強度折減理論，對現(xiàn)場實測的力學(xué)參數(shù)進行折減，通過軟件反復(fù)分析，借助類似極限平衡法的分析計算方法，在給定一定的安全系數(shù)后，通過駐點求導(dǎo)計算出養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋臺在自然、運行及各種偶然工況下邊坡的穩(wěn)定坡角。

養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡各種工況下的穩(wěn)定坡角如表3所示，從表3可以看出，各工況下對于養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡，從方案1到方案6，邊坡所需要的穩(wěn)定坡角逐漸減小。具體來看，方案6即水平地震力、豎向地震力與降雨偶然組合工況下，邊坡所要求的穩(wěn)定坡角為56.3°，自然工況下穩(wěn)定坡角為64.0°。

表3 養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡各工況下穩(wěn)定坡角

3.4 各工況下邊坡穩(wěn)定坡角與自然坡角折減系數(shù)

養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡自然坡度為60°，以自然邊坡為基準，根據(jù)不同工況下穩(wěn)定坡角與自然坡角的關(guān)系，推算不同工況下穩(wěn)定坡角與自然坡角的折減關(guān)系，見表4，不同工況下折減系數(shù)隨工況的變化趨勢見圖6。根據(jù)不同工況下穩(wěn)定坡角與自然坡角的折減關(guān)系分析，高陡巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定坡角不是一個定值，從自然條件工況到運行+降雨+豎向+水平地震偶然工況，穩(wěn)定坡角逐漸遞減，與自然坡度相比，6種工況下折減系數(shù)變化范圍為1.0～0.938不等，折減系數(shù)隨工況的變化基本符合四次多項式的變化特征。

表4 養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡各工況穩(wěn)定坡角與自然坡角折減系數(shù)

圖6 養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡折減系數(shù)隨工況的變化曲線

4 橋基邊坡穩(wěn)定坡角確定及驗證

4.1 養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡穩(wěn)定坡角確定

分析以上數(shù)值模擬分析確定的各種工況下穩(wěn)定坡角數(shù)值，方案6即水平地震力、豎向地震力與降雨偶然組合工況下，邊坡所要求的穩(wěn)定坡角為56.3°，自然工況下穩(wěn)定坡角為64.0°?，F(xiàn)場實測自然邊坡總高度約320 m，單級邊坡高度約180 m，橋基處自然邊坡為60°。巖體為厚層狀灰?guī)r，巖層相對于坡面反傾，節(jié)理較發(fā)育。綜合確定養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡的穩(wěn)定坡角為57°，據(jù)此對該橋邊坡進行設(shè)計、施工。

4.2 養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡穩(wěn)定坡角驗證

養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋基邊坡由于房家灣隧道進口施工時對邊坡的刷坡影響，在橋臺基礎(chǔ)下方形成坡度近80°的高陡邊坡，橋臺右側(cè)邊坡受刷坡影響，發(fā)生了掉塊現(xiàn)象，經(jīng)設(shè)計專業(yè)現(xiàn)場核查，根據(jù)現(xiàn)場變化后的實際情況，延長了橋臺進洞的長度，在養(yǎng)家河大橋成都臺下方邊坡設(shè)擋墻和護墻，以保證橋臺下邊坡穩(wěn)定，在右側(cè)掉塊處設(shè)錨桿框架梁加固邊坡。對隧道頂部邊坡上松動巖體設(shè)主動防護網(wǎng)，目前，該處邊坡已經(jīng)施工完成，西成高鐵全線亦開通運營，施工完成后的實景見圖7。

圖7 完工后的養(yǎng)家河大橋成都側(cè)橋臺

通過該橋設(shè)計、施工以及施工方案的變更驗證表明，對于強度控制型高陡巖質(zhì)邊坡，在通過數(shù)值分析確定的穩(wěn)定坡角基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實測自然邊坡高度、坡度、巖體產(chǎn)狀、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、風(fēng)化情況，綜合確定橋基邊坡的穩(wěn)定坡角，方法合理，結(jié)論可靠，做到了安全可靠與經(jīng)濟合理的有機統(tǒng)一。

5 結(jié)論

(1)對于巖體強度控制型邊坡，邊坡穩(wěn)定性研究的數(shù)值分析方法，主要是通過輸入邊坡巖體的力學(xué)參數(shù)、邊坡的幾何參數(shù)以及各種工況下的外在影響因素參數(shù)，借助FLAC3D軟件，搜索出可能的潛在破裂面位置，并采用強度折減理論，通過軟件反復(fù)分析，借助類似極限平衡法的分析計算方法，計算出邊坡的穩(wěn)定系數(shù)和穩(wěn)定坡角。

(2)對于巖體強度控制型高陡巖質(zhì)邊坡，各工況穩(wěn)定系數(shù)中，水平地震力、豎向地震力與降雨偶然組合工況下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)最小。

(3)分析不同工況下穩(wěn)定坡角與自然坡角的折減關(guān)系發(fā)現(xiàn)，巖體強度控制型高陡巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定坡角不是一個定值，從自然條件工況到運行+降雨+豎向+水平地震偶然工況，穩(wěn)定坡角逐漸遞減，折減系數(shù)隨工況的變化基本符合四次多項式的變化特征。

(4)對于強度控制型高陡巖質(zhì)邊坡，在通過數(shù)值分析確定的穩(wěn)定坡角基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實測自然邊坡高度、坡度、巖體產(chǎn)狀、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、風(fēng)化情況等因素，綜合確定橋基邊坡的穩(wěn)定坡角。該方法確定的穩(wěn)定坡角在做到安全可靠與經(jīng)濟合理的有機統(tǒng)一方面是一種有益的嘗試。