景洪-勐海高速公路瀾滄江特大拱橋拱座安全評(píng)價(jià)

柯 鑒，魯志強(qiáng)，楊建成，梁艷峰，梁棟才

(1.西雙版納景海高速公路建設(shè)投資有限公司， 云南 景洪 666100；2.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司， 云南 昆明 650041；3.中國(guó)科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100000)

拱橋是一種通過(guò)拱形結(jié)構(gòu)將橋梁荷載傳遞作用于兩岸基礎(chǔ)和地基的橋梁型式，拱座基礎(chǔ)和地基的協(xié)同作用，為橋梁安全提供保障[1-2]。

當(dāng)前對(duì)于拱座系統(tǒng)的安全性評(píng)價(jià)的研究一般包括：(1) 材料強(qiáng)度安全，一般基于結(jié)構(gòu)材料的拉、壓應(yīng)力與材料抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的對(duì)比進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，為結(jié)構(gòu)配筋調(diào)整提供參考依據(jù)[3-8]；(2) 樁基和地基承載安全，橋梁荷載經(jīng)由拱座傳遞到樁基或地基上的應(yīng)力，樁基主要是承受的軸力和規(guī)范公式估值確定的樁基承載力對(duì)比，評(píng)估樁基承載安全[9-10]；地基主要是基礎(chǔ)基底應(yīng)力與地基承載力對(duì)比，評(píng)估地基承載安全[11]。(3) 拱座基礎(chǔ)的變形穩(wěn)定，主要包括沉降和傾斜穩(wěn)定[1-2]。當(dāng)前拱座安全評(píng)價(jià)存在的問(wèn)題在于：對(duì)拱座基礎(chǔ)的安全多集中在材料強(qiáng)度安全；規(guī)范僅提到了變形穩(wěn)定，但沒(méi)有具體的可操作性的規(guī)定，多數(shù)沿用上部結(jié)構(gòu)的變形標(biāo)準(zhǔn)；基底受力一般不超過(guò)地基承載力。但實(shí)際工程中上述3部分的安全與穩(wěn)定是密切相關(guān)的，拱座基礎(chǔ)與地基是協(xié)同作用的[12-14]，而且受橋址區(qū)不良地質(zhì)的影響較大[15-17]，即拱座系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定是地質(zhì)與結(jié)構(gòu)體系強(qiáng)度安全與變形穩(wěn)定的統(tǒng)一。

本文以瀾滄江特大拱橋拱座+樁基+地基系統(tǒng)安全性為研究對(duì)象，利用有限元數(shù)值方法，模擬施工過(guò)程，分析協(xié)同作用下基礎(chǔ)、樁基和地基的材料強(qiáng)度安全、樁基承載安全和地基承載安全，分析拱座結(jié)構(gòu)的變形穩(wěn)定，探討強(qiáng)度和變形控制標(biāo)準(zhǔn)下拱座系統(tǒng)的綜合安全。目的是明確拱座安全評(píng)價(jià)各部分參考的標(biāo)準(zhǔn)和明確不同標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)，使得綜合安全評(píng)價(jià)論據(jù)充分，評(píng)價(jià)指標(biāo)可操作性強(qiáng)。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 瀾滄江特大拱橋簡(jiǎn)介

瀾滄江特大橋位于景洪至勐海高速公路K7+795處，橋位處江面寬約280 m，兩岸地勢(shì)較陡峻，景洪岸接路基，勐海岸接連拱隧道。全橋縱斷面位于雙向0.5%的“人”字坡上，主橋橫坡為雙向2%。全橋跨徑布置為3 m×40 m組合梁+300 m跨徑上承式鋼箱拱橋+2 m×40 m組合梁，橋梁全長(zhǎng)523 m(含兩岸橋臺(tái))。

1.2 工程地質(zhì)條件

橋位區(qū)地勢(shì)北高南低，地形切割較強(qiáng)烈，屬高中山區(qū)及中山區(qū)，山脈、水系多呈北北西—南南東向延伸，與區(qū)域構(gòu)造線方向基本一致。橋位區(qū)最低海拔為瀾滄江河谷，約536.0 m，最高點(diǎn)為蚌塘后山，海拔達(dá)2 429.7 m，最大相對(duì)高差達(dá)1 893.7 m。橋位地形起伏較大，橫坡相對(duì)較緩，植被發(fā)育，主要為旱地與林地，地形較開(kāi)闊、河谷呈“U”形，受水流侵蝕作用較強(qiáng)烈，地貌單元屬中山峽谷地貌，地質(zhì)作用以風(fēng)化剝蝕、流水侵蝕作用為主。兩岸山地斜坡自然坡度為5°～40°、局部較陡。

兩岸地層由上至下依次為分布厚度不一的覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r和中微風(fēng)化泥灰?guī)r，局部夾薄層泥巖和砂巖。

根據(jù)工程類比和勘察綜合確定的各地層、拱座基礎(chǔ)和樁基的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 拱座、地基和樁基材料參數(shù)建議值

1.3 拱座系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)簡(jiǎn)介

拱座系統(tǒng)包括：矩形拱座基礎(chǔ)，基底4根豎向圓截面樁基和臨坡側(cè)4根城門洞形斜樁。作用于拱座系統(tǒng)的拱橋上部荷載包括：標(biāo)準(zhǔn)和基本組合兩類。拱座基礎(chǔ)的作用在于調(diào)整上部荷載和傳遞荷載使其均勻作用于樁基和地基。拱座縱坡向垂直投影寬度12.77 m、水平向投影高度13.00 m、橫坡向長(zhǎng)度32.70 m。豎樁截面直徑3.50 m，長(zhǎng)度55.00 m。斜樁城門洞形高度2.62 m、頂部半徑1.50 m、底寬3.00 m，長(zhǎng)度35.00 m。

評(píng)價(jià)拱座應(yīng)力、基底應(yīng)力、樁基受力和變形安全。地基安全通過(guò)地基承載力評(píng)判(<450 kPa，深寬修正值818 kPa)，樁基安全通過(guò)承載力判定(<規(guī)范公式估值)，變形穩(wěn)定(<30 mm)。

2 數(shù)值模型和計(jì)算方案

2.1 數(shù)值模型簡(jiǎn)介

計(jì)算在大型商業(yè)軟件ABAQUS平臺(tái)進(jìn)行，數(shù)值模型尺寸：沿橋軸線方向163 m，順?biāo)鞣较?40 m，豎直方向180 m，基本按3倍的工程建設(shè)范圍進(jìn)行了建?？紤]，充分避免了邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。數(shù)值模型詳見(jiàn)圖1。

圖1拱座系統(tǒng)數(shù)值模型

景洪岸單元數(shù)548 462個(gè)，節(jié)點(diǎn)294 486個(gè)；勐海岸258 018個(gè)，節(jié)點(diǎn)99 050個(gè)。由于數(shù)值模型形狀多變，所以，樁基和拱座采用四面體單元，為保證精度、最大限度防止畸變網(wǎng)格的產(chǎn)生單元尺寸最大0.5 m，再小則計(jì)算效率和計(jì)算規(guī)模劇增；映射到地層則改用六面體單元，往外和往深部則單元尺寸逐步增大。邊界條件，都是豎向邊界采用法向約束，底面采用全約束，坡面自由。樁基和基礎(chǔ)連接部位未設(shè)置接觸，拱座基礎(chǔ)和地基接觸部位設(shè)置接觸面，接觸參數(shù)僅考慮摩擦作用，摩擦系數(shù)規(guī)范[1]表4.4.2取0.5。樁基和基礎(chǔ)采用彈性本構(gòu)，地基采用彈塑性本構(gòu)。工程荷載的考慮嚴(yán)格按設(shè)計(jì)給定方式施加于模型。

2.2 計(jì)算方案

計(jì)算工況涉及到(1) 自然地形下的自重應(yīng)力場(chǎng)的平衡；(2) 基坑開(kāi)挖；(3) 樁基施工；(4) 拱座施工；(5) 工程荷載施加。材料強(qiáng)度安全評(píng)價(jià)按混凝土的抗壓、抗拉強(qiáng)度；樁基承載安全按樁基承載力評(píng)價(jià)；地基承載安全按地基承載力評(píng)價(jià)；拱座變形穩(wěn)定參考設(shè)計(jì)給定沉降控制標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范相關(guān)傾斜標(biāo)準(zhǔn)綜合評(píng)價(jià)。

3 拱座系統(tǒng)安全性綜合評(píng)價(jià)

3.1 拱座基礎(chǔ)和地基承載安全性評(píng)價(jià)

3.1.1 施工過(guò)程對(duì)附加應(yīng)力的影響分析

考慮到基坑開(kāi)挖和樁基施工僅是引起圍巖應(yīng)力的重分布和調(diào)整，一般情況下不會(huì)引起超過(guò)材料強(qiáng)度的破壞，所以僅整理了橋梁荷載施加工況下，圍巖不同x方向(水平)應(yīng)力S11、y方向(橫坡)應(yīng)力S22、z方向(豎向)應(yīng)力S33的附加應(yīng)力云圖，結(jié)果整理成圖2。

由圖2可知，景洪岸附加應(yīng)力最值出現(xiàn)在位置均在拱座與樁基連接部位、豎樁周邊和斜樁周邊，量級(jí)均在1.2 MPa～14.1 MPa之間；勐海岸最值出現(xiàn)部位類似，量級(jí)在1.3 MPa～9.7 MPa之間，均遠(yuǎn)小于混凝土和圍巖的抗壓強(qiáng)度，圍巖和結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度安全。

圖2橋梁荷載作用下附加應(yīng)力分布云圖

3.1.2 拱座材料強(qiáng)度安全性評(píng)價(jià)

為了分析拱座結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況，方便評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度安全和局部是否需要增強(qiáng)配筋，拱座不同荷載組合下不同方向應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3，限于篇幅僅列出景洪岸，對(duì)稱僅展示一半。

從應(yīng)力云圖圖3可知，自然條件，標(biāo)準(zhǔn)組合下，拱座豎向、橫坡向和水平向壓應(yīng)力的最大值分別為5.70 MPa、3.90 MPa、7.04 MPa，拉應(yīng)力值分別為0.76 MPa、1.72 MPa、1.12 MPa；基本組合壓應(yīng)力對(duì)應(yīng)值分別為6.87 MPa、4.56 MPa、8.01 MPa，拉應(yīng)力對(duì)應(yīng)值分別為1.01 MPa、1.99 MPa、1.30 MPa。拱座混凝土等級(jí)為C40，不考慮配筋，則抗壓強(qiáng)度約為35 MPa～40 MPa，壓應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料抗壓強(qiáng)度，拱座材料抗壓安全；抗拉強(qiáng)度約為1.70 MPa，拉應(yīng)力有超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度的情況，拉應(yīng)力超標(biāo)范圍多在拱圈+拱座、拱座+樁基結(jié)合部，可在局部適當(dāng)增強(qiáng)配筋。

圖3自然狀態(tài)下景洪岸拱座應(yīng)力云圖

3.1.3 基于基底應(yīng)力的地基承載安全性評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)基底應(yīng)力和樁間巖基承載力之間的安全性，限于篇幅僅以景洪岸為例，沿底面和側(cè)面選擇兩條路徑提取應(yīng)力數(shù)據(jù)，路徑1提取豎向應(yīng)力，路徑2提取水平向應(yīng)力，整理成曲線圖，見(jiàn)圖4。

從基底應(yīng)力曲線可知，自然條件，標(biāo)準(zhǔn)組合下，底面豎向應(yīng)力和側(cè)面水平應(yīng)力最大值分別為4 000 kPa(對(duì)應(yīng)邊樁位置)、2 700 kPa(對(duì)應(yīng)中間樁)；基本組合對(duì)應(yīng)值分別4 500 kPa、3 200 kPa；基底飽水軟化條件，標(biāo)準(zhǔn)組合下，基底、側(cè)面和橫斷面豎向應(yīng)力最大值分別為5 500 kPa、3 500 kPa；基本組合對(duì)應(yīng)值分別6 000 kPa、4 000 kPa。樁間土部分的傳遞荷載很小，小于強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r承載力450 kPa，僅在靠近拱座基底邊界位置有局部超過(guò)450 kPa的情況，整體承載安全。

將基底自然條件和飽水軟化條件下超出強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r承載力的部分統(tǒng)計(jì)列于表2。

圖4自然狀態(tài)下景洪岸拱座基底應(yīng)力曲線

表2 拱座基底應(yīng)力超過(guò)地基承載力范圍

從表2中數(shù)據(jù)可知，自然條件下，僅是靠近拱座外側(cè)和兩邊的局部范圍基底應(yīng)力超過(guò)地基承載力，這是應(yīng)力集中造成的，不影響整體承載安全；軟化條件下，僅是靠近邊界樁的外側(cè)部分基底應(yīng)力超過(guò)地基承載力，不影響整體承載安全。該方案下基底應(yīng)力超出承載范圍的最大面積約[32.70×1.60+(6.52-1.60)×1.60×2]=69 m2，基底投影面積32.70 m×12.77 m=417 m2，占比約16%，考慮到實(shí)際工程地基和整體拱座的變形協(xié)調(diào)，該部分超出應(yīng)力會(huì)調(diào)整到鄰近樁基和樁間地基土一起承擔(dān)，不會(huì)出現(xiàn)承載安全問(wèn)題。

上述分析均是基于自然和飽水軟化強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r地基承載力容許值做出的判斷，考慮到拱座基礎(chǔ)的深寬修正，則

fa=fa0+k1γ1(b-2)+k2γ2(h-3)

fa1=818 kPa

fa2=522 kPa

綜上，可以判定拱座基底應(yīng)力均小于經(jīng)過(guò)深寬修正后的強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r地基承載力，強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r地基承載安全。

3.2 拱座變形穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.2.1 施工過(guò)程引起的變形穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

計(jì)算了不同施工環(huán)節(jié)下，圍巖不同x方向(水平)位移U1、y方向(橫坡)位移U2、z方向(豎向)位移U3發(fā)展規(guī)律，限于篇幅僅以景洪岸為例，結(jié)果整體成圖5。

由圖5和表3可知，水平位移最大值和最小值，在初期出現(xiàn)在基坑迎坡面和背坡面坡頂較陡位置，坡面和基底位置的3個(gè)方向的位移均在30 mm以內(nèi)。隨著豎樁和斜樁的開(kāi)挖，水平位移最值，出現(xiàn)在樁周位置。后續(xù)拱座施工和橋梁荷載施加，對(duì)水平位移最大值的改變不大，說(shuō)明這些變形多為不可恢復(fù)變形。實(shí)際樁基施工時(shí)，應(yīng)注意基底排水，重視飽水軟化條件下樁周土體的變形對(duì)樁基施工的影響。橫坡向位移的最值規(guī)律，與之類似。豎向位移的最值多出現(xiàn)在斜樁上部和豎樁基底。綜上可知，基底變形基本均在30 mm控制變形范圍內(nèi)，僅局部大于30 mm，整體變形穩(wěn)定可控。變形超過(guò)30 mm的位置，多出現(xiàn)在豎樁和斜樁施工過(guò)程中，施工中應(yīng)注意基底排水，基底在不軟化條件下，變形均可滿足工程穩(wěn)定性要求。如存在基底飽水軟化條件，則需注意樁周變形對(duì)樁基施工的影響。

勐海岸位移最大值出現(xiàn)的位置和整體規(guī)律與景洪岸類似，區(qū)別在于最大值不同(見(jiàn)表4)。

3.2.2 拱座結(jié)構(gòu)變形安全綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)上述計(jì)算，將不同方案、不同模型、計(jì)算工況下的角點(diǎn)位移統(tǒng)計(jì)列于表5。角點(diǎn)編號(hào)見(jiàn)圖6。限于篇幅僅給出相對(duì)較大的基本工況結(jié)果。

表3 景洪岸不同施工環(huán)節(jié)不同方向位移最值

圖5 景洪岸施工過(guò)程各階段位移云圖

表5 拱座角點(diǎn)不同方向位移最值 單位：mm

圖6拱座角點(diǎn)編號(hào)示意圖

由表5可知，僅考慮拱座作用，景洪岸和勐海岸，基底強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r在自然條件下，變形均滿足不大于3.0 cm的變形控制標(biāo)準(zhǔn)；基底強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r在飽水軟化條件下，景洪岸，不滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)。勐海岸，僅部分角點(diǎn)不滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)。勐海岸的變形穩(wěn)定性，要比景洪岸好?？紤]樁基、地基與拱座的共同作用，則景洪岸和勐海岸均滿足不大于3.0 cm的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，拱座變形安全。

3.3 樁基承載安全評(píng)價(jià)

根據(jù)上述計(jì)算，將不同方案、不同模型、計(jì)算工況下樁基的承載力估值統(tǒng)計(jì)列于表6。經(jīng)分析4號(hào)邊樁承載最大，因此表中數(shù)據(jù)均為不同樁號(hào)的最大值。僅給出相對(duì)較大的基本組合計(jì)算結(jié)果。

表6 樁基受力最大值 單位：kN

根據(jù)規(guī)范[1]5.3.3單樁豎向承載力有關(guān)公式， 豎樁和斜樁單樁承載力分別統(tǒng)計(jì)列于表7。

景洪岸，橋梁經(jīng)由拱座傳遞給豎樁和斜樁的最大承載力分別為50 450 kN、42 560 kN；勐海岸對(duì)應(yīng)值分別為51 750 kN、43 630 kN。樁基承載力和樁基最大軸力結(jié)果統(tǒng)計(jì)列于表7。

表7 樁基受力最大值與承載力對(duì)比單位：kN

由表7可知，標(biāo)準(zhǔn)和基本荷載組合下，豎樁和斜樁承受的橋梁荷載均小于規(guī)范公式估值(側(cè)摩阻力120 kPa和140 kPa)，均滿足樁基承載力要求；大截面斜樁承受的橋梁荷載均大于規(guī)范公式估值(側(cè)摩阻力120 kPa和140 kPa)，不滿足樁基承載力要求。根據(jù)測(cè)樁經(jīng)驗(yàn)，一般樁基側(cè)摩阻力隨著深度的增加會(huì)增加，綜合考慮上述因素，認(rèn)為豎樁和斜樁滿足樁基承載力要求。

3.4 拱座系統(tǒng)綜合安全性評(píng)價(jià)的簡(jiǎn)化力學(xué)模型檢驗(yàn)

假設(shè)豎樁作用力為F1，斜樁作用力為F2，橋梁荷載分別為P2和P3，彎矩為M，頂部引橋樁基作用荷載P1，作用于同一面不考慮偏心，地基不受力，則拱座受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖7。

圖7拱座作用力系簡(jiǎn)圖

分別按照O1和O2為作用點(diǎn)，考慮力矩平衡，分別計(jì)算兩種荷載工況，選擇最大值作為樁基受力，則豎樁受力最大值52 239 kN，斜樁受力最大值42 058 kN?？紤]到實(shí)際工程摩阻力隨著深度的增加會(huì)增加，所以樁基承載安全。

假設(shè)上述4根豎樁和斜樁荷載全部由地基承受，則基底平均應(yīng)力最大值分別為豎向500 kPa(按拱座豎向投影面積計(jì)算)，斜向386 kPa(按拱座豎向投影面積計(jì)算)。考慮到深寬修正則地基承載安全。

綜上，力學(xué)簡(jiǎn)化模型檢驗(yàn)了有限元計(jì)算的正確性，兩類方法所得結(jié)果相差不大，評(píng)價(jià)結(jié)論相同。

4 結(jié)論與建議

經(jīng)過(guò)對(duì)拱座+豎樁+斜樁拱座基礎(chǔ)，基底自然條件和飽水軟化兩類工況，利用力學(xué)分析和有限元數(shù)值仿真的綜合對(duì)比分析，所得主要結(jié)論如下：

(1) 拱座+豎樁+斜樁方案，在自然和基底飽水軟化條件下，均能滿足拱座變形安全控制標(biāo)準(zhǔn)(<3.0 cm)，景洪岸拱座最大變形18.29 mm，勐海岸拱座最大變形11.13 mm，均滿足工程變形穩(wěn)定要求。

(2) 根據(jù)地基承載安全評(píng)價(jià)結(jié)果，除邊界樁外側(cè)局部小范圍不滿足地基承載要求，地基整體承載安全。

(3) 根據(jù)拱座+豎樁+斜樁方案，有限元計(jì)算結(jié)果也是提取的不同位置樁基的最大值，可以認(rèn)為在有效控制基底不使其飽水軟化的條件下，豎樁和斜樁可以基本滿足承載要求。根據(jù)測(cè)樁經(jīng)驗(yàn)，側(cè)摩阻力隨著深度的增加還會(huì)有所提高，所以豎樁和斜樁的承載安全是有保障的，樁基承載安全。

(4) 拱座+豎樁+斜樁方案下，底面長(zhǎng)邊方向最大變形差約5.9 mm，傾斜值0.000 18；短邊方向最大變形差約5.6 mm，傾斜值0.000 8，均小于規(guī)范[2]表5.3.4規(guī)定的0.006控制標(biāo)準(zhǔn)。拱座傾斜控制滿足工程穩(wěn)定性要求。

(5) 但是在豎樁和斜樁施工過(guò)程中，樁周圍巖會(huì)產(chǎn)生較大徑向變形景洪岸最大值約57.8 mm、勐海岸對(duì)應(yīng)值約41.0 mm，樁周伴隨施工過(guò)程會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形，樁基施工需考慮這些變形對(duì)造孔安全和成樁質(zhì)量的影響。造成局部變形超標(biāo)的原因在于基底飽水軟化，在保障基底及時(shí)疏排的基礎(chǔ)上，施工安全、成樁質(zhì)量等均在安全可控范圍。

(6) 建議在施工過(guò)程中嚴(yán)格控制基底浸水，嚴(yán)禁基底大范圍擾動(dòng)。