松坎特大橋棄土場穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

何 健 李春峰 劉 剛

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550001)

既有棄土場自身穩(wěn)定性對處于其范圍內的擬建橋梁工程結構的變形及安全至關重要。本文以其作為研究對象，結合工程實例進行研究。擬建松坎特大橋為分幅橋，左幅起止樁號為ZK11+134.7～ZK13+071.8，全長1937.1m；右幅起止樁號為YK11+103.353～YK13+024.453，全長1921.1m。上部結構為：左幅6×30m T梁+(73+135+73)m連續(xù)剛構+(8×40+20×40.5)m T梁+2×70m鋼混組合梁+6×30m T梁；右幅6×30m T梁+(73+135+73)m連續(xù)剛構+(8×40+20×40.5)m T梁+2×70m鋼混組合梁+6×30m T梁；下部構造為：雙肢薄壁空心墩、薄壁空心墩、柱式墩、門式墩，樁基礎。橋臺采用重力式實體橋臺和樁柱式橋臺，樁基礎和擴大基礎。擬建特大橋10#～12#墩位于某高速施工棄土場內，橋梁墩臺位置與棄土場空間位置關系見圖1。

圖1 橋梁墩臺與棄土場空間位置

為確保擬建特大橋建設施工及運營安全，應系統(tǒng)分析棄土場穩(wěn)定性及其變形對橋梁墩臺的影響 ，并針對性的提出工程處治措施，本文首先對棄土場場區(qū)工程地質條件進行詳細勘察。在此基礎上，構建棄土場穩(wěn)定性計算模型，分析棄土場整體穩(wěn)定性，隨后針對棄土場提出二種工程處治方案，基于有限元理論，采用Midas GTS建立處治措施數(shù)值模擬模型[1-2]，綜合評價各措施處治效果，并選取最優(yōu)方案，以期為工程建設提供指導。

1 棄土場基本特征

某高速施工棄土場位于擬建特大橋里程樁號ZK11+592(YK11+561)～ZK11+720(YK11+687)左76～右160m范圍，該棄土場長約240m，寬約140m，平面面積約3.3萬m2，最大填深約25m，最大填高46m，填方體積約34萬m3。

據鉆探揭露其成分為為黏土、碎石、塊石，碎塊石，母巖為泥質白云巖、白云巖等，最大厚度約25m。下部原土為殘坡積黏土，呈可塑狀。根據2017年8月13日地形斷面實測資料，松坎特大橋10#～12#墩位于棄土場上，該棄土為新近堆積的素填土，因棄土厚度分布不均，中前部厚、后部較薄，存在固結沉降差，造成棄土場后部形成裂縫，此外，裂縫寬度會隨著沉降的增大而加寬、加深，利于降雨入滲，導致棄土場穩(wěn)定性整體降低。施工擾動及暴雨作用下易發(fā)生垮塌。

2 整體穩(wěn)定性評價

2.1 計算模型及方法

棄土場自然狀態(tài)下坡體后緣有局部開裂現(xiàn)象，據現(xiàn)場實測斷面資料，本文以沿橋軸線方向(潛在主滑面C-C＇)作為穩(wěn)定性分析計算斷面，采用Midas GTS構建地質模型，以強度折減法作為棄土場穩(wěn)定性計算理論[3]，計算分析棄土場穩(wěn)定及變形狀況[4-6]，棄土場斷面及計算模型見圖2和圖3。

圖2 穩(wěn)定性分析計算地質斷面 圖3 數(shù)值分析計算模型

2.2 巖體力學參數(shù)

根據工程地質勘察、室內外試驗、工程地質類比及反演計算分析等方法綜合確定巖體力學參數(shù)取值，見表1。

表1 巖土體力學參數(shù)取值表

2.3 計算結果

棄土場自然狀態(tài)下穩(wěn)定性計算結果見表2，計算云圖見圖4、圖5。

表2 巖土體力學參數(shù)取值表

圖4 正常工況計算結果 圖5 暴雨工況計算結果

由計算結果可知，棄土場穩(wěn)定性不滿足邊坡安全控制標準，自然狀態(tài)下棄土場處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨狀況下則處于失穩(wěn)狀態(tài)。

此外，該棄土場為新近堆填而成，由圖6、圖7對棄土場沉降變形計算可知，該棄土場沉降固結后將產生約42cm的位移變形，其中水平向位移約40cm左右，若不及時對該棄土場變形及其穩(wěn)定性進行控制，其對橋梁樁基的建設勢必產生巨大影響，嚴重威脅橋梁建設安全。

圖6 固結沉降變形(水平向) 圖7 固結沉降變形(總變形)

3 處治措施數(shù)值模擬分析

由前述計算分析可知，該棄土場目前處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨條件下處于失穩(wěn)狀態(tài)，且其固結沉降變形較大，需對棄土場進行工程處治[7-8]，以保證橋梁工程安全建設。

綜合考慮棄土場環(huán)境位置、清方轉運條件、特大橋建設施工情況以及變形控制要求，擬采用方案1：部分削方減載+抗滑樁；方案2：部分削方減載+抗滑樁+錨索二種工程防護設計方案對該棄土場進行工程處治，并采用數(shù)值模擬分析評價各方案處治效果[9-10]。

3.1 部分削方減載數(shù)值模型計算及結果分析

棄土場部分削方減載后，采用有限元數(shù)值分析其穩(wěn)定性及變形，計算模型見圖8所示，穩(wěn)定性計算結果見圖9，土體變形計算結果見圖10、圖11。

圖8 部分削方減載計算模型 圖9 穩(wěn)定性計算結果

圖10 固結沉降變形(水平向) 圖11 固結沉降變形(總體)

數(shù)值模擬計算表明，對棄土場進行部分削方減載后，棄土場整體穩(wěn)定性系數(shù)為1.112，不滿足邊坡穩(wěn)定性安全控制標準(1.35)；土體固結沉降變形從最大42cm減小到15cm，水平變形從40cm減小到10cm左右，雖然沉降變形得到較大程度的控制，但對于特大橋工程建設來說，其變形并不能滿足橋梁建設要求，須對棄土場作進一步的處治措施。

3.2 處治方案數(shù)值模型計算及結果分析

棄土場進行部分削方減載后其穩(wěn)定性及變形均不滿足安全控制要求，經對該棄土場潛在主滑面下滑推力進行分析計算，見下滑推力曲線圖12，擬于A、B兩處布設抗滑樁，抗滑樁規(guī)格為2×3m，其中，A型抗滑樁樁長22m，B型抗滑樁樁長30m，并擬采用方案1：部分削方減載+抗滑樁；方案2：部分削方減載+抗滑樁+錨索兩種設計方案對該棄土場進行工程處治，并采用有限元數(shù)值模擬方法評價各處治方案的治理效果。

(1)削方減載+抗滑樁方案

方案1有限元計算模型見圖13所示，穩(wěn)定性計算結果見圖14，棄土場土體變形計算結果見15。

圖12 下滑推力曲線圖 圖13 方案1計算模型

圖14 方案1穩(wěn)定性計算結果 圖15 方案1土體固結沉降變形變形 (水平向)

采用方案1進行工程處治后，棄土場穩(wěn)定性系數(shù)為2.23，滿足邊坡安全控制標準，且棄土場變形已控制在合理范圍；抗滑樁施工后，棄土場土體作用下，A型抗滑樁最大水平位移為4.0cm，B型抗滑樁最大水平位移為4.2cm，其變形滿足抗滑樁變形控制要求，橋梁樁基施工后，由10#、11#墩最大水平位移曲線可知，10#墩最大水平位移為1.6mm，11#墩最大水平位移為2.7mm，滿足特大橋變形控制要求(6mm)(圖16～20)。表明削方減載+抗滑樁方案處治效果較好。需要說明的是，部分削方減載后，12#墩已在棄土場范圍之外。

圖16 A型抗滑樁水平位移

圖18 方案1橋梁樁基水平位移云圖

圖19 10#墩樁基水平位移曲線 (方案1)

(2)削方減載+抗滑樁+錨索方案

采用削方減載+抗滑樁+錨索方案對棄土場進行工程處治，錨索為預應力錨索(6束)，錨固段長8m，施加預應力為300KN，其數(shù)值計算模型見圖21，計算結果見圖22～26所示。

圖20 11#墩樁基水平位移曲線(方案1)

圖22 方案2穩(wěn)定性計算結果

圖23 方案2土體固結沉降變形變形

圖24 方案2橋梁樁基水平位移云圖

圖25 10#墩樁基水平位移曲線 (方案2)

圖26 11#墩樁基水平位移曲線(方案2)

采用方案2進行工程處治后，在預應力錨索的作用下，棄土場穩(wěn)定性得到進一步的提高，達到2.45，對于棄土場土體及橋梁樁基而言，采用方案1治理后，土體水平向最大變形為4.1mm，橋梁樁基施工后最大水平位移為2.7mm；采用方案2治理后，土體水平向最大變形為4.0mm，橋梁樁基最大變形為2.4mm。對比分析可知，采用方案2治理后，其對于棄土場土體位移變形、橋梁樁基變形等控制效果并不明顯。

綜合考慮方案1、方案2處治效果，在滿足棄土場穩(wěn)定及橋梁結構變形控制要求的前提下，從技術、經濟、安全方面考慮，方案1優(yōu)于方案2。

4 結論

本文通過系統(tǒng)分析棄土場穩(wěn)定性及土體變形對橋梁樁基的影響，提出部分削方減載+抗滑樁、削方減載+抗滑樁+錨索兩種方案對棄土場進行工程處治，并對處治效果進行數(shù)值模擬，得出以下結論：

(1)棄土場自然狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨條件下處于失穩(wěn)狀態(tài)，土體固結沉降后其水平變形達42cm。

(2)棄土場部分削方減載后其穩(wěn)定性有所增加，固結沉降變形得到一定程度的控制，但總體而言不滿足特大橋安全控制標準。

(3)采用方案1部分削方減載+抗滑樁進行工程處治后，棄土場整體穩(wěn)定性為2.23，滿足邊坡安全控制標準；抗滑樁最大水平位移為4.2cm，其變形滿足抗滑樁變形控制要求，橋梁樁基施工后，樁基最大位移變形為2.7mm，滿足特大橋變形控制要求(6mm)。

(4)采用方案2部分削方減載+抗滑樁+錨索進行工程處治后，棄土場穩(wěn)定性為2.45，土體水平向最大變形為4.0mm，橋梁樁基最大變形為2.4mm。其對于棄土場土體位移變形、橋梁樁基變形等控制效果相較于方案1來說并不明顯。

綜合比較方案1、方案2治理效果，方案1從技術、經濟、安全方面均優(yōu)于方案2。本研究可為相類似的工程建設施工提供一定的參考與借鑒。