邱山,王芳,李鷺陽
(宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院,安徽 宿州234000)
當(dāng)前我國基礎(chǔ)道路設(shè)施建設(shè)迅速發(fā)展,橋梁作為基礎(chǔ)建設(shè)中最重要的一環(huán),是保證道路工程連續(xù)的關(guān)鍵部位,這使得橋梁應(yīng)當(dāng)具有足夠的承載和耐久能力。橋梁在設(shè)計(jì)建設(shè)過程中常常遇到各種危害,而不良的地質(zhì)現(xiàn)象對橋梁結(jié)構(gòu)影響是致命的,經(jīng)常造成橋梁倒塌事故。不良的地質(zhì)現(xiàn)象對橋梁構(gòu)造有著巨大的影響,每年因?yàn)椴涣嫉刭|(zhì)現(xiàn)象而倒塌的橋梁不計(jì)其數(shù)[1-2]。
此外,由于工程地質(zhì)條件復(fù)雜多樣,不同類型的橋梁對工程地質(zhì)的條件的要求又不盡相同,表現(xiàn)出的地質(zhì)工程問題又是多種多樣的[3]。因此確切了解和掌握各類不良工程地質(zhì)現(xiàn)象的本質(zhì)及相應(yīng)的防治方法,運(yùn)用專業(yè)知識(shí),科學(xué)合理的減少不良地質(zhì)問題現(xiàn)象的發(fā)生,保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全刻不容緩。綜合目前橋梁對于國家發(fā)展的重要性,以及不良地質(zhì)現(xiàn)象對于橋梁結(jié)構(gòu)的危害,文章基于LRFD設(shè)計(jì)理論,總結(jié)不良地質(zhì)現(xiàn)象對橋梁結(jié)構(gòu)可靠度的影響以及在具體的橋梁設(shè)計(jì)和施工過程中如何防治這些常見不良地質(zhì)現(xiàn)象。
美國在1921年開始編寫公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范,美國公路協(xié)會(huì)在1931年發(fā)表了《公路設(shè)計(jì)規(guī)范》,此規(guī)范中的設(shè)計(jì)原理為容許應(yīng)力設(shè)計(jì)ASD。1980年后,規(guī)范中新增加了荷載系數(shù)設(shè)計(jì)方法LFD,繼而荷載和抗力系數(shù)設(shè)計(jì)方法LRFD被越來越多的國家認(rèn)可,此方法兼并容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法與可靠度理論的長處。LFRD設(shè)計(jì)方法[4-5]同時(shí)兼顧了抗力與荷載的隨機(jī)性和偶然性,而且具有極高的實(shí)踐價(jià)值。1994年第一版關(guān)于LRFD理論的規(guī)范——《AASHTO荷載和抗力系數(shù)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》發(fā)表了,該規(guī)范以可靠度理論為指導(dǎo),以最新的理論研究和工程實(shí)踐成果為骨架,正式構(gòu)建美國橋梁工程體系。此后,該規(guī)范不斷的被修改和補(bǔ)充,目前最新版本是2010年第五版。
在LRFD設(shè)計(jì)方法中,通過以可靠度為基礎(chǔ)可獲得荷載與抗力之間的函數(shù)關(guān)系:
可靠度是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間和條件下,完成預(yù)定功能的概率[6]??煽慷壤碚撘鉀Q的問題是在設(shè)定結(jié)構(gòu)所處的正常條件以及規(guī)定時(shí)間后,結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性是否符合規(guī)范要求。在結(jié)構(gòu)可靠度分析中,第一步需設(shè)立結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的功能函數(shù),從而再確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件或整體體系在極限狀態(tài)下的方程。結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)可用以下變量表示:
令R表示結(jié)構(gòu)抗力、S表示荷載效應(yīng),由于R、S均為隨機(jī)變量,故結(jié)構(gòu)功能函數(shù)Z也是隨機(jī)變量,且有Z=R-S。
可靠指標(biāo)β與失效概率Pf對應(yīng)關(guān)系
可靠概率Ps指的是結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能的概率,而失效概率Pf是結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率,可靠指標(biāo)為β。已知隨機(jī)變量Z=R-S的概率密度函數(shù)為fz(Z),見上圖。
設(shè)結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)為Z,其均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別為μz、σz、δz,則可靠指標(biāo)β為:
不均勻沉降是指在同一結(jié)構(gòu)中由于地基土質(zhì)以及上部荷載的不均勻分布而導(dǎo)致相鄰的兩個(gè)基礎(chǔ)沉降量存在偏差[7]。當(dāng)沉降偏差超過限值時(shí),會(huì)使其上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的應(yīng)力,這個(gè)應(yīng)力達(dá)到一定極限會(huì)使結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生裂紋、傾斜甚至破壞。而造成橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降的原因主要包括以下幾種情況:①地質(zhì)情況復(fù)雜;②流水沖刷侵蝕;③上部結(jié)構(gòu)超載;④基礎(chǔ)差異;⑤人為主導(dǎo)因素;⑥突發(fā)不可抗力。
一般情況下,連續(xù)梁橋?yàn)槌o定結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)的不均勻沉降會(huì)使橋梁上部產(chǎn)生一個(gè)附加應(yīng)力,并逐步影響上部結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能,從而破壞橋梁穩(wěn)定性,影響其正常使用。主要影響集中在如下幾種情況:
①橋面出現(xiàn)起伏,導(dǎo)致橋面水泥層破壞并引發(fā)行車顛箥、橋頭跳車等現(xiàn)象;
②橋墩、擋板移動(dòng)而產(chǎn)生裂縫;
③上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)連接處應(yīng)力集中,使梁底支座與主梁都發(fā)生破壞;
④主梁結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)微小偏移,使主梁內(nèi)的受力發(fā)生變化,變形加劇,導(dǎo)致梁體內(nèi)混凝土破壞加劇,直接威脅橋梁的整體穩(wěn)定性;
⑤基礎(chǔ)不均勻沉降嚴(yán)重可能會(huì)導(dǎo)致橋梁坍塌。
防治措施:①地質(zhì)勘察時(shí)精度需準(zhǔn)確,注意地基地質(zhì)間的差異;②設(shè)計(jì)基礎(chǔ)時(shí)需考慮結(jié)構(gòu)的荷載差異選取合適的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類型;③避免基礎(chǔ)處于滑坡、溶洞等不良地質(zhì)下,可減少不均勻沉降。
泥石流是在暴雨降落后山區(qū)內(nèi)的泥沙、石塊以及其它的固體組成的特殊洪流。泥石流為山區(qū)特有的一種不良地質(zhì)災(zāi)害,它具有短暫強(qiáng)爆發(fā)、移動(dòng)速度快、持續(xù)沖擊強(qiáng)、瞬間破壞大的特點(diǎn)。泥石流對橋梁工程的危害主要有沖刷、沖擊、磨蝕等。
泥石流通過攜裹大量巨石、雜物、水流以極快的速度從山體上沖刷而下,對經(jīng)過的橋梁橋墩直接撞擊同時(shí)使水流不斷積聚,大量泥石流堆積體堵塞河道。通過對橋墩的沖擊,使其短期內(nèi)受力增大達(dá)到峰值并超過設(shè)計(jì)標(biāo)高,使其內(nèi)部出現(xiàn)裂縫甚至直接斷裂,造成橋梁結(jié)構(gòu)整體性破壞而出現(xiàn)橋體坍塌。而通過流水的不斷侵蝕,使橋體周圍基礎(chǔ)不斷侵蝕,使基礎(chǔ)失去承載能力,出現(xiàn)邊坡滑移,地基變淺。反復(fù)循環(huán),致使堆積體越來越多,對橋梁損壞加深。
防治措施:①生物預(yù)防:在上游種植大量草木,可降低泥石流發(fā)生概率;②攔截:在中游設(shè)置一系列攔截構(gòu)筑物如攔截壩等,降低泥石流流速和沖擊力,降低對橋梁的沖撞力度;③引流:在下游設(shè)置排導(dǎo)措施使泥石流順利排除。
崩塌是在陡峭的坡體上大型巖石突然地崩落,在重力作用下沿著坡體向下滑落翻滾,最后巖石匯集于坡腳的過程。崩塌是一種常見的不良地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象,經(jīng)常造成橋梁和公路的損毀,同時(shí)阻塞交通路段給運(yùn)輸帶來巨大損失。崩塌形成條件分為以下幾種。
①坡體的坡度和表面構(gòu)造:崩塌發(fā)生的先決條件為斜坡形狀高而陡峭,坡度一般在55度以上。當(dāng)坡體表面坎坷不平時(shí),凸起的巖石極易發(fā)生崩塌。
②巖石性質(zhì):不同巖石的性質(zhì)千差萬別,其強(qiáng)度、風(fēng)化程度、抗沖刷能力都是不同的。當(dāng)坡體由軟巖和硬巖組成時(shí),軟巖可能優(yōu)先風(fēng)化而導(dǎo)致硬巖失去支持而脫落崩塌。
③節(jié)理程度:其是決定坡體穩(wěn)定性的主要因素之一。但當(dāng)節(jié)理順山坡發(fā)展時(shí),極易誘發(fā)崩塌發(fā)生。
④地質(zhì)構(gòu)造:坡體一般由不同性質(zhì)的巖層以及構(gòu)造和產(chǎn)狀組成,其內(nèi)的構(gòu)造面一般為切割面,導(dǎo)致巖體內(nèi)的連接性能大大減弱,易誘發(fā)崩塌。
崩塌對橋梁結(jié)構(gòu)造成直接影響,大量巨石在重力作用下直接碰撞橋梁主體,致使橋梁受損,整體性能被破壞,結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)性能遭到削弱,承載能力降低,容易發(fā)生主梁、橋墩等受力部件斷裂,嚴(yán)重可能會(huì)導(dǎo)致橋梁坍塌。
防治措施:①主動(dòng)措施:削坡、清除危巖、調(diào)整地表水流、加固軟弱土坡、設(shè)置支擋墻、對坡面噴漿等;②被動(dòng)措施:設(shè)置攔截設(shè)施如筑護(hù)墻和維護(hù)棚、設(shè)置引導(dǎo)設(shè)施如筑明峒和御塌棚。
滑坡是指在重力以及其他外力作用下使得坡體上的土和巖石喪失穩(wěn)定狀態(tài),將會(huì)發(fā)生順著坡體向下整體滑動(dòng)脫離的現(xiàn)象。在大量工程實(shí)踐中將影響滑坡的因素概括為以下幾種。
①斜坡外形:斜坡的存在構(gòu)成了滑坡發(fā)生的前提,斜坡的高度、形狀、坡度都有可能發(fā)生變化時(shí),其內(nèi)應(yīng)力的改變會(huì)造成斜坡失穩(wěn);
②巖性:滑坡主要發(fā)生在容易受水化影響的土層和軟巖里;
③構(gòu)造:當(dāng)斜坡內(nèi)的節(jié)理、斷層、層面等軟弱面與斜坡坡面幾近吻合時(shí),斜坡容易發(fā)展成為滑坡;
④水:流水不斷沖刷侵蝕斜坡,使其土體逐漸軟化同時(shí)減小了土體之間的摩擦力,造成滑坡。
⑤地震:地震直接破壞斜坡土體結(jié)構(gòu),降低了土體抗剪強(qiáng)度,同時(shí)給土體增加了下滑力,加速滑坡的發(fā)生。
⑥人為因素:人為的生產(chǎn)活動(dòng)可能會(huì)破壞斜坡原本的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)造成滑坡。
滑坡對山區(qū)內(nèi)的橋梁工程有巨大威脅,通過摧毀橋涵,阻斷道路而造成巨額損失,同時(shí)經(jīng)過不斷積累,滑坡可能最終直接沖撞橋梁基礎(chǔ),導(dǎo)致橋梁失穩(wěn)倒塌。
防治措施:①排除地表水和地下水;②支擋:利用支擋結(jié)構(gòu)增加滑坡下部的抗滑阻力;③刷方減重:通過削減坡腳或降低坡高,以減輕滑坡體自重,從而減少來自上部結(jié)構(gòu)的下滑力;④改善滑動(dòng)面的巖土性質(zhì):對巖質(zhì)滑坡采用固結(jié)灌漿、對土質(zhì)滑坡采用電化學(xué)加固、凍結(jié)等。
橋梁作為當(dāng)今時(shí)代重要的交通組成部分,時(shí)時(shí)刻刻都在接受著自然的考驗(yàn),而在橋梁修建的過程中,不良地質(zhì)現(xiàn)象對其影響是不可忽略的,無數(shù)實(shí)踐經(jīng)歷都在提醒著人們忽視不良地質(zhì)的作用將會(huì)造成不可估量的損失。文章通過基于LRFD的研究,結(jié)合常見不良地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行分析總結(jié)得出,梁設(shè)計(jì)和施工過程中,要隨時(shí)注意不良地質(zhì)對工程的影響,根據(jù)所發(fā)生的災(zāi)害及時(shí)得出相應(yīng)的解決措施同時(shí)在施工科學(xué)運(yùn)用防治方法,減少經(jīng)濟(jì)損失。