瓦廠特大橋桐梓端岸坡穩(wěn)定性分析

蔡家鵬 賀玉龍 喻洪平 趙 文

(1.中鐵二院(成都)建設(shè)發(fā)展有限責(zé)任公司， 成都 610031；2.西南交通大學(xué)， 成都 610031)

新建瓦廠特大橋位于仁懷市，左線橋梁孔跨布置為(8×40) m+(95+2×180+95) m+(1×16) m，全長(zhǎng)899.5 m；右幅橋梁孔跨布置為(9×40) m+(95+2×180+103) m+(1×16) m，全長(zhǎng)941 m。橋梁采用樁基礎(chǔ)，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。桐梓岸11號(hào)主墩設(shè)置在峽谷緩坡地帶上，12號(hào)橋墩設(shè)置在谷深 150 m的深切峽谷岸坡上。

由于桐梓岸岸坡腳及坡頂均設(shè)置橋墩，岸坡穩(wěn)定性及工程荷載條件下橋基安全距離是制約本橋建設(shè)的主要因素，也是岸坡治理工程設(shè)計(jì)的前提和依據(jù)。對(duì)該岸坡開展準(zhǔn)確的岸坡穩(wěn)定性分析，將為岸坡工程支護(hù)結(jié)構(gòu)及工程荷載條件下橋基的設(shè)計(jì)參數(shù)的選取提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)峽谷高陡岸坡線路方案的確定具有重要意義。

1 瓦廠特大橋工程地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

橋址區(qū)屬低山河谷地貌，地形起伏大，橋梁跨越一深切河谷，相對(duì)高差207 m，桐梓岸岸坡陡峻，懸崖壁立，基巖裸露。

1.2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

圖1 瓦廠特大橋工程地質(zhì)縱斷面圖

區(qū)域處于川黔南北向構(gòu)造帶與北東向構(gòu)造帶交接復(fù)合部位，南部與早古生代黔中隆起相鄰，構(gòu)造形跡主要為走向北東-南西的擠壓面及其相伴的構(gòu)造形跡，構(gòu)造線控制測(cè)區(qū)溝谷、陡崖等地貌發(fā)育方向。

橋址區(qū)線路左側(cè)約1 km近平行線路發(fā)育一條區(qū)域性逆斷層，延伸長(zhǎng)度約10 km，斷層產(chǎn)狀86°∠70°。桐梓端左幅左側(cè)約15～25 m近平行線路發(fā)育瓦廠斷層F1，為一小型正斷層，斷層產(chǎn)狀95°/80°～90°，延伸長(zhǎng)約530 m，錯(cuò)距約5～10 m，斷層破碎帶寬2～5 m，重膠結(jié)較好，結(jié)合力較好，為局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)物。受構(gòu)造影響，橋區(qū)巖層產(chǎn)狀略有變化，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，延伸性好。

1.3 水文地質(zhì)

1.4 地震

根據(jù)橋址區(qū)歷史地震資料統(tǒng)計(jì)，距離橋址區(qū)最近的地震是2015年6月26日發(fā)生在習(xí)水縣的3.0級(jí)地震，距離橋址區(qū)約50 km，對(duì)橋位無(wú)影響。周邊200 km范圍內(nèi)最大地震為2019年6月17日發(fā)生在四川宜賓長(zhǎng)寧縣的6級(jí)地震，同樣對(duì)橋址區(qū)無(wú)影響。

根據(jù)GB 18306-2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，場(chǎng)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度分區(qū)為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計(jì)抗震分組屬第一組，屬構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)。

2 桐梓端岸坡工程地質(zhì)條件分析

2.1 巖體結(jié)構(gòu)特征

瓦廠特大橋桐梓岸陡壁巖性為灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r，陡壁下方河溝兩岸出露砂頁(yè)巖，具上硬下軟的二元結(jié)構(gòu)，其全貌如圖2所示。陡壁灰?guī)r主要發(fā)育有三組貫通度較高的節(jié)理J1、J2、J3。

圖2 桐梓岸岸坡全貌圖

節(jié)理J1產(chǎn)狀為 104°～145°∠77°～88°，節(jié)理跡長(zhǎng)3～5 m，間距120～180 cm，部分張開，最大隙寬5 cm，該節(jié)理與岸坡面基本垂直。節(jié)理J2產(chǎn)狀為168°～174°∠75°～85°，傾向與線路右側(cè)岸坡坡向相近，節(jié)理跡長(zhǎng)3～5 m，間距120～150 cm，具有卸荷性質(zhì)。節(jié)理J3產(chǎn)狀為245°～265°∠85°～88°，傾向與線路左側(cè)岸坡方向相近，節(jié)理跡長(zhǎng)2～4 m，間距60～150 cm，具有卸荷性質(zhì)。J1、J2和J3結(jié)構(gòu)面起伏粗糙，調(diào)查期間無(wú)水。

受區(qū)域陡傾構(gòu)造節(jié)理的影響，巖體沿J2、J3形成陡壁。P1m地層中發(fā)育有數(shù)層1～3 m厚泥質(zhì)灰?guī)r夾層，構(gòu)成危巖基座。泥質(zhì)灰?guī)r基座風(fēng)化溶蝕后形成凹槽，岸坡東側(cè)J1、J2和層理切割出的危巖塊體易產(chǎn)生墜落式崩塌破壞。

2.2 卸荷裂隙

桐梓岸左310 m至右300 m段為橫斷陡崖，陡崖坡度約75°～90°，局部呈倒懸狀，陡崖最高約110 m。根據(jù)地表調(diào)查、無(wú)人機(jī)勘察、地表槽探及物探剖面成果顯示，受局部應(yīng)力場(chǎng)和峽谷卸荷應(yīng)力影響，在陡崖頂部平行瓦廠斷層F1發(fā)育有卸荷裂隙，橋址區(qū)傾向南方向的結(jié)構(gòu)面多呈張開狀態(tài)。在本段左側(cè)45 m至右側(cè)30 m范圍內(nèi)地表及陡崖壁上主要發(fā)育有數(shù)條卸荷裂隙，最深可達(dá)20 m、頂部最寬2 m，裂縫發(fā)育方向?yàn)槟衔鞅睎|向，與線路斜交，近于平行陡崖發(fā)育方向，裂縫長(zhǎng)3～25 m，普遍貫通性好，大部分裂縫有充填，對(duì)坡頂巖體的穩(wěn)定性影響較大。

2.3 危巖體特征

瓦廠特大橋桐梓岸危巖帶位于線路12號(hào)墩基礎(chǔ)前方陡崖上，由裸露的巨厚層灰?guī)r夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r陡壁構(gòu)成，陡壁坡度80°～90°，高度120～140 m，高程 912～1 020 m。對(duì)橋梁產(chǎn)生影響的寬度為130 m，連續(xù)分布，線路左側(cè)約80 m，右側(cè)50 m。危巖體積最小約57 m3，最大約 11 000 m3，為5號(hào)危巖體。

5號(hào)危巖體由厚層至巨厚層灰?guī)r塊體構(gòu)成，塊體主要受3組構(gòu)造節(jié)理和層理圍切分割。結(jié)構(gòu)面分別為平緩反傾的層理構(gòu)成危巖塊的頂?shù)酌?，一組與坡面近平行、一組與坡面大角度相交的高陡節(jié)理構(gòu)成危巖體的前后、左右側(cè)面，主要危巖體呈較為規(guī)則的六面體，少數(shù)塊體受坡面變化影響呈后陡前楔的五面體。

3 桐梓端岸坡穩(wěn)定性初步分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、資料分析及鐵路巖石邊坡數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)DARS對(duì)桐梓岸穩(wěn)定性進(jìn)行初步綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)特征，生成赤平投影圖(下半球投影)，如圖3所示。

圖3 赤平投影圖

從圖3可以看出，節(jié)理J2與邊坡坡向一致，J3與邊坡坡向垂直。根據(jù)DARS軟件的分析結(jié)果，采用模糊綜合評(píng)判該邊坡穩(wěn)定概率為65.23%，較穩(wěn)定概率為28.71%。采用范例推理評(píng)判表明，與該邊坡最類似的5個(gè)邊坡均為基本穩(wěn)定，綜合評(píng)價(jià)桐梓岸邊坡整體基本穩(wěn)定。

桐梓端岸坡陡崖的形成與云貴高原整體抬升及河流下切有關(guān)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，陡崖915～1 020 m高程范圍發(fā)育有危巖帶，約16 000 m3，存在崩塌落石的可能性，陡崖下分布巖堆，坡面落石均為該危巖帶產(chǎn)生，落石塊徑最大超過10 m，表明本危巖帶穩(wěn)定性較差。根據(jù)危巖帶與線路的空間關(guān)系，危巖對(duì)線路11號(hào)主墩有較大影響，對(duì)12號(hào)墩影響較小。橋基施工加載后，垂直荷載引起的側(cè)向力可能會(huì)加劇岸坡巖體的崩塌。

4 岸坡穩(wěn)定坡角的確定

由于橋基設(shè)置于天然岸坡中，橋基岸坡的穩(wěn)定性與天然岸坡的穩(wěn)定性密切相關(guān)，而天然岸坡的穩(wěn)定坡角是岸坡在工程使用年限內(nèi)自然演化后的穩(wěn)定坡角，在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步分析在加載條件下，即橋基施工完成后的岸坡穩(wěn)定性。采用岸坡巖體質(zhì)量法經(jīng)驗(yàn)公式確定岸坡在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定坡角，考慮荷載作用對(duì)岸坡巖體應(yīng)力分布的影響，計(jì)算得出荷載作用下橋基安全距離，從而確定橋基安全埋置線[1-4]。

4.1 天然岸坡穩(wěn)定坡角的確定

4.1.1 天然岸坡穩(wěn)定坡角經(jīng)驗(yàn)公式

西南交通大學(xué)蔣爵光教授等人于1989年完成的原鐵道部科研課題《鐵路巖石邊坡坡角的確定及穩(wěn)定性分析》研究，提出了鐵路巖石邊坡穩(wěn)定坡角的計(jì)算公式[5]：

α=arctan[γH×tan(-40+38lgRQ)]

(1)

由于巖塊的塊度與其回彈值的乘積反映了不同強(qiáng)度和組合時(shí)的巖體質(zhì)量，式(1)中將巖體質(zhì)量定義為：RQ=R×log(D)。

鐵路巖石邊坡穩(wěn)定坡角的計(jì)算公式在鐵路邊坡穩(wěn)定坡角的計(jì)算中得到了較多應(yīng)用，但公式建立時(shí)的調(diào)查樣本較少，主要為鐵路巖石邊坡，且未考慮地下水等因素的影響。此后，隨著邊坡樣本的積累以及認(rèn)識(shí)的深入，西南交通大學(xué)謝強(qiáng)教授等人根據(jù)對(duì)199個(gè)鐵路、公路邊坡的統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)學(xué)擬合，提出了考慮地下水作用的巖體質(zhì)量RQ與穩(wěn)定邊坡坡度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[6]：

θ=γh[14.7ln(γwRlogD)+13]

(2)

式中：θ——岸坡穩(wěn)定坡角；

γw——地下水折減系數(shù)，其取值如表1所示；

表1 地下水折減系數(shù)表

γh——高度折減系數(shù)，其取值如表2所示；

表2 高度折減系數(shù)表

R——HT75型回彈儀所測(cè)回彈值；

D——巖石的視塊度，由下式求得：

(3)

式中：di——野外所測(cè)巖體的節(jié)理間距；

n——野外所測(cè)巖體節(jié)理的組數(shù)。

若野外所測(cè)回彈值為巖石風(fēng)化層的回彈值，則需進(jìn)行如下轉(zhuǎn)化：

R=Rf/fR

(4)

式中：Rf——巖石風(fēng)化層的回彈值；

fR——風(fēng)化折減系數(shù)，其取值如表3所示。

表3 風(fēng)化折減系數(shù)表

若回彈儀為HT225型，則要經(jīng)過下式進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

208R75= 194.75R225- 595

(5)

自式(2)提出以來，已在水柏鐵路北盤江大橋、南昆鐵路清水河大橋、成貴高速鐵路鴨池河特大橋、朔黃鐵路黃河特大橋、鄭萬(wàn)鐵路大寧河、梅溪河、神農(nóng)溪特大橋、川藏鐵路大渡河、東久曲特大橋等數(shù)十座大橋、特大橋工點(diǎn)成功應(yīng)用。

4.1.2 桐梓端岸坡天然穩(wěn)定坡角的確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及測(cè)試結(jié)構(gòu)，確定式(2)中的各項(xiàng)參數(shù)如表4所示。

表4 巖體平均塊度計(jì)算表

現(xiàn)場(chǎng)采用HT225型回彈儀測(cè)得回彈值，測(cè)得桐梓岸基巖的露頭的回彈值平均值為41.5。根據(jù)式(5)，換算得到HT75型回彈儀對(duì)應(yīng)的回彈值為35.9。

岸坡坡面以干燥為主，坡面地下水折減系數(shù)γw=0.9。

高度折減是考慮坡腳應(yīng)力集中對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，但該岸坡巖體為高強(qiáng)度灰?guī)r，天然陡坡經(jīng)過上百萬(wàn)年地質(zhì)歷史，說明坡腳應(yīng)力集中對(duì)巖體穩(wěn)定的影響可以忽略，因此可不對(duì)高度折減，高度折減系數(shù)γh取1。

匯總上述參數(shù)，按照式(2)計(jì)算得到瓦廠特大橋桐梓岸坡穩(wěn)定坡角計(jì)算值如表5所示。

表5 岸坡穩(wěn)定坡角計(jì)算匯總表

考慮坡頂面發(fā)育明顯的深大卸荷裂隙，需要對(duì)穩(wěn)定坡角計(jì)算值進(jìn)行修正，穩(wěn)定坡角線應(yīng)避開卸荷裂隙，修正后的岸坡自然穩(wěn)定坡度為72°。

4.2 工程荷載條件下橋基安全距離的確定

橋基設(shè)置后，在工程荷載作用下，岸坡的整體穩(wěn)定性取決于橋基工程荷載對(duì)岸坡坡面巖體應(yīng)力狀態(tài)的影響程度。橋基工程荷載作用所產(chǎn)生的附加應(yīng)力在高陡岸坡中有一定的影響范圍，基于應(yīng)力影響范圍確定橋基位置的基本理論觀點(diǎn)認(rèn)為：若橋基工程荷載對(duì)岸坡巖體的應(yīng)力影響范圍未到達(dá)岸坡坡面，則岸坡坡面巖體應(yīng)力不受橋基工程荷載影響，坡面巖體保持原始穩(wěn)定狀態(tài)，岸坡不會(huì)產(chǎn)生整體破壞，橋基位置是可行的；若橋基工程荷載對(duì)岸坡的應(yīng)力影響范圍到達(dá)坡面，則認(rèn)為橋基工程荷載對(duì)坡面巖體產(chǎn)生了明顯的影響，坡面巖體可能達(dá)到不穩(wěn)定狀態(tài)，這種情況下，橋基的位置不合理。

大量研究表明，橋基工程荷載作用對(duì)岸坡巖體的應(yīng)力影響范圍主要與荷載強(qiáng)度、橋基寬度、岸坡坡度、岸坡巖體質(zhì)量等因素有關(guān)。西南交通大學(xué)趙文提出了基于橋基工程荷載作用下巖體應(yīng)力影響范圍確定橋基位置的方法，該方法利用巖體質(zhì)量與強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系及巖體強(qiáng)度與應(yīng)力影響系數(shù)的關(guān)系確定應(yīng)力影響系數(shù)的安全限值，并利用應(yīng)力影響系數(shù)與岸坡坡度、荷載強(qiáng)度、橋基寬度之間的關(guān)系，提出橋基安全距離經(jīng)驗(yàn)公式[7]：

Sf=0.03α1.48[(1-0.865 5B)q]0.696 5×

(0.5+RMR/200)-0.696 5

(6)

式中：Sf——橋基安全距離，即橋基外緣與坡面的水平距離(m)；

α——岸坡坡度(°)；

q——荷載強(qiáng)度(MPa)；

B——橋基寬度(m)；

RMR——邊坡巖體質(zhì)量指標(biāo)。

式(6)適合均質(zhì)巖體邊坡，對(duì)于存在卸荷裂隙的巖體高邊坡，原則上橋基必須置于卸荷裂隙之后。

作為一種新的高陡邊坡橋基位置確定方法，式(6)中的參數(shù)在常規(guī)勘測(cè)中易獲取，工程實(shí)踐中應(yīng)用較為方便，已在宜萬(wàn)鐵路馬水河大橋和姚家灣大橋萬(wàn)州岸、水柏鐵路北盤江大橋兩岸等鐵路橋基位置確定中得到了工程驗(yàn)證，如表6所示。

表6 橋基安全距離經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)用情況表

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況和橋基布設(shè)位置，通過線路縱剖面或橫剖面分析研究橋基是否位于安全距離之內(nèi)。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，橋基樁寬度取3 m，荷載強(qiáng)度取1 MPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查得RMR=52，由式(6)可得瓦廠特大橋桐梓端橋基安全距離Sf= 9.9 m，取整為10 m。瓦廠特大橋桐梓端岸坡穩(wěn)定坡角線和橋基安全埋置線如圖4所示。

圖4 中線縱斷面穩(wěn)定坡角線與橋基安全埋置線圖

5 結(jié)論

本文通過對(duì)瓦廠特大橋桐梓端岸坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)瓦廠特大橋桐梓端岸自然穩(wěn)定坡度為72°，12號(hào)墩橋基應(yīng)設(shè)置在72°坡度線后安全距離10 m以外，基礎(chǔ)應(yīng)埋置在該安全埋置線以下。

(2)桐梓岸坡危巖帶方量巨大，對(duì)11號(hào)主墩有重大影響，為確保橋梁安全，不留隱患考慮，危巖陡壁下方不宜設(shè)置橋墩。若因線路條件限制，不得不在危巖陡壁下巖堆上設(shè)墩時(shí)，則必須對(duì)陡壁危巖進(jìn)行綜合處治[8]，確保11號(hào)主墩安全。