高陡邊坡橋臺錐坡垮塌病害成因及加固措施

田 輝 龔建輝 朱 曦

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

作為橋梁的附屬工程，橋臺錐坡的穩(wěn)定性對工程安全影響很大，若錐體發(fā)生塌陷、溜坡等病害[1]，則可能造成橋臺臺身和耳背墻出現(xiàn)裂縫或發(fā)生斷裂，進(jìn)而影響橋臺處路基的穩(wěn)定性和高速鐵路的正常服役功能，甚至引發(fā)重大安全事故。

在工程領(lǐng)域，橋臺錐坡安全是廣大工程技術(shù)人員關(guān)注的熱點(diǎn)之一，劉高喜[2]等系統(tǒng)分析了錐坡土體的病害形式、土體病害的影響因素和土體的防護(hù)方法；李曉亮等[3]通過分析山東濟(jì)青高速公路工程的地理環(huán)境特點(diǎn)，探討了橋臺錐坡生態(tài)防護(hù)在濟(jì)青高速公路工程中的適用性；于淵卓[4]結(jié)合高速公路擴(kuò)建工程橋涵基礎(chǔ)施工案例，通過對鋼板樁組合錨桿防護(hù)、雙級鋼板樁防護(hù)、土釘支護(hù)、樁基礎(chǔ)防護(hù)4種加固措施的比選，認(rèn)為樁基礎(chǔ)方案可徹底消除舊路基安全隱患；葛占釗[5]探討了變高圍墻錐坡在單孔通道、小橋或橋下凈寬受限時的應(yīng)用，解決了擋土墻的受力問題，并兼顧了經(jīng)濟(jì)、美觀。

本文以成綿樂客運(yùn)專線悅來鄉(xiāng)大橋0號橋臺(DK 281+080.3)錐坡垮塌病害為工程對象，提出了一種有效加固橋臺錐坡的措施。

1 高陡橋臺錐坡垮塌病害成因分析

1.1 工程概況

成綿樂客運(yùn)專線悅來鄉(xiāng)大橋于2010年10月開工建設(shè)，2013年3月建設(shè)完成。橋址處地形起伏變化大，相對高差約50 m，自然橫坡10°～50°。0號臺(DK281+080.3)位于一山脊下方斜坡地帶，地面橫坡較陡。

施工圖設(shè)計階段，在橋頭路基右側(cè)設(shè)置重力式路堤擋土墻收坡，擋墻端部與橋臺之間設(shè)置了端墻和錐坡封閉。受長時間強(qiáng)降雨影響，0號臺錐坡?lián)鯄逅?，錐體及局部橋頭連接處路基填土隨橋臺錐坡體一起沿陡坡面滑落，路基護(hù)肩下出現(xiàn)3.0 m左右的空洞，橋路分界處電纜檢查井處于半懸空狀態(tài)，如不及時處理，將會對高速鐵路運(yùn)營帶來極大的安全隱患。

1.2 工程地質(zhì)

段內(nèi)上覆第四系全新統(tǒng)滑坡堆積、人工棄土、人工填土、坡洪積松軟土、粉質(zhì)黏土等，坡殘積粉質(zhì)黏土，下伏基巖為白堊系下統(tǒng)夾關(guān)組砂巖(成巖作用差)。

橋臺錐坡范圍內(nèi)滑坡堆積體主要為第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土，呈灰褐、灰黃色，軟塑，土質(zhì)不均，以粉質(zhì)粘土為主，部分為強(qiáng)風(fēng)化砂巖碎石、角礫等。人工棄土粉質(zhì)黏土呈褐黃、棕黃色，軟塑、松散狀，土質(zhì)不均，以粉質(zhì)粘土為主，部分為塊石、碎石、角礫、混凝土等。人工填土角礫土呈褐灰、灰黃色，中密。砂巖(成巖作用差)呈紫紅、褐黃色，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，薄～中厚層狀，主要礦物成分為長石、石英，成巖作用差，遇水巖質(zhì)較軟，部分手折可斷，膠結(jié)性差，局部為泥質(zhì)膠結(jié)，錘擊聲啞，易風(fēng)化，局部夾有薄層泥巖。

1.3 地震參數(shù)及水文氣象條件

橋區(qū)地震動峰值加速度為0.10 g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，降雨豐沛，光照偏少，雨日多，濕度大。多年平均氣溫17.1 ℃，年平均降水量 1 384.8 mm，年均蒸發(fā)量617.1 mm，年均相對濕度81%。雨量多集中在6～9月，占年降雨量的78.5%，以暴雨、大雨為主。

1.4 病害成因分析

0號橋臺處地面橫坡陡峻，斜坡分布較厚的施工棄土， 錐體右側(cè)擋墻基礎(chǔ)置于軟質(zhì)巖強(qiáng)風(fēng)化層上。2019年入汛以后,段內(nèi)雨日及降雨量較常年偏多，長時間連續(xù)降雨致使擋墻基底軟化，地基巖土力學(xué)指標(biāo)降低，外側(cè)抗力失效，右側(cè)部分錐體及擋墻發(fā)生坍滑，錐體后方填土失去支撐，部分填土失穩(wěn)坍塌，已形成為小型滑坡。

2 橋臺錐坡加固設(shè)計

病害發(fā)生時正值雨季，為避免病害進(jìn)一步發(fā)展威脅高速鐵路運(yùn)營安全，先采用臨時措施加固，再進(jìn)行永久加固。

2.1 臨時錨桿加固設(shè)計

臨時加固措施包括：(1)路肩下漏空部分采用與路肩擋墻植筋后全空洞灌注C35混凝土封閉；(2)錐坡坡面不穩(wěn)定部分采用大錨桿+噴錨網(wǎng)加固。

2.1.1 推力計算

按安全系數(shù)1.15進(jìn)行計算，得出不穩(wěn)定體的單位水平下滑推力為140 kN。

2.1.2 錨桿檢算

采用“噴錨網(wǎng)”加固方案，錨桿下傾角(與水平面夾角)為20°。坡面自上而下共設(shè)置16排自鉆式錨桿，錨桿水平和垂直間距均為1.1 m，水平方向左右交錯布置。錨桿采用ZB38/26自鉆式錨桿(錨桿外徑38 mm，內(nèi)徑26 mm)，桿體抗拉強(qiáng)度不小于180 kN。鉆頭直徑為φ60 mm，鉆孔直徑為φ65 mm。錨桿錨入滑動面以下穩(wěn)定地層中不小于4 m。

①錨桿桿體檢算：

單根錨桿承受軸力Nt可按式(1)計算：

Nt=FSxSy/cosβ

(1)

式中：F——單根錨桿范圍內(nèi)的水平下滑推力(kN)；

Sx、Sy——錨桿之間的水平和垂直間距(m)；

β——錨桿與水平面的夾角(下傾角)(°)。

則有Nt=140×1.1×1.1/cos20°/16=11.27 kN<180 kN(桿體軸向抗拉強(qiáng)度設(shè)計值)，桿體抗拉強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

②錨桿錨固長度計算

錨桿錨固長度按式(2)和式(3)計算：

(2)

(3)

式中：La——錨固段長度；

K——安全系數(shù)，取2.5；

D——錨固體直徑(mm)；

d——錨桿直徑(mm)；

n——鋼筋根數(shù)；

frb——注漿體與錨孔壁之間黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值(MPa)；設(shè)計值可按標(biāo)準(zhǔn)值的0.8倍采用；標(biāo)準(zhǔn)值可根據(jù)文獻(xiàn)[6]附表C.0.1采用，取0.05 MPa；

fb——砂漿與錨桿間的黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值(MPa)，根據(jù)文獻(xiàn)[6]附表C.0.2，取2.7 MPa；

ξ——采用兩根或兩根以上鋼筋時，介面粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)，取0.6～0.85。

由式(1)計算可得，La=2.5×11.27×1 000/3.14/65/0.05/1 000=2.21 m<4 m，滿足設(shè)計要求。由式(2)計算可得，La=2.5×11.27×1 000/1/3.14 /38/2.7/1 000=0.09 m<4 m，滿足設(shè)計要求。因此，錨桿錨固段長度按規(guī)范[7]要求“土層錨桿的錨固段長度不應(yīng)小于4 m”設(shè)計。

2.1.3 加固措施

清理浮土后，先在路肩擋土墻上植筋，再采用C35混凝土填補(bǔ)路肩下漏空部分平整。

橋臺錐坡及斜坡坡面臨時加固平面如圖1所示，采用噴錨網(wǎng)護(hù)坡和噴射混凝土護(hù)坡進(jìn)行加固。護(hù)坡混凝土厚度均為10 cm，分區(qū)對錐坡和斜坡坡面分兩次噴射，混凝土中間夾一層鍍鋅機(jī)編鋼絲網(wǎng)，鍍鋅鋼絲抗拉強(qiáng)度不小于380 N/mm2，鍍鋅量不少于110 g/m2。噴錨網(wǎng)護(hù)坡范圍內(nèi)設(shè)置自鉆式錨桿，錨桿與水平面夾角(下傾角)均為20°，間距均為1.1 m。A區(qū)橋臺錐坡范圍內(nèi)錨桿長6 m，錨孔方向與線路平行，其余區(qū)域內(nèi)錨桿方向與A-A軸平行，錨桿長度7～12 m，錨桿及錨孔內(nèi)采用M35水泥砂漿灌注。臨時加固橫斷面如圖2所示。

圖1 臨時加固平面示意圖

圖2 臨時加固斷面圖(m)

2.2 永久加固工程設(shè)計

待臨時加固工程施工完成且達(dá)到設(shè)計要求后再永久加固工程。在擋墻端部設(shè)置翼緣樁，對墻背與橋臺間空隙進(jìn)行封閉。翼緣樁采用1.5 m×2.0 m的矩形截面，樁長20.0 m，兩側(cè)設(shè)置整體面板翼緣，厚0.5 m，采用C35混凝土與樁身一體澆筑。翼緣樁與線路呈55°夾角，樁身兩側(cè)翼緣分別與橋臺和擋土墻相接，如圖3所示。翼緣與橋臺相接處設(shè)置2 cm寬的伸縮縫，采用瀝青木板填塞。在與擋土墻相接處，采用植筋的方式預(yù)先在擋土墻端部植入兩排0.7 m深HRB400φ25 mm連接鋼筋，將擋土墻與擋土板連成一體。連接鋼筋長1.4 m，豎向間距0.5 m，擋墻鋼筋植入段鉆孔內(nèi)采用A類錨固膠填充。翼緣高度、寬度可根據(jù)橋臺尺寸、實(shí)際地形進(jìn)行調(diào)整，翼緣樁不得與橋臺沖突。永久加固斷面如圖4所示。

圖3 永久加固工程平面設(shè)計示意圖

圖4 永久加固工程斷面設(shè)計圖(m)

3 結(jié)束語

高陡邊坡橋梁錐坡是橋路設(shè)計分界處的一個薄弱環(huán)節(jié)，錐體在長期雨水浸泡下極易發(fā)生垮塌，對橋路分界處的路基造成極大的安全隱患。因此，高陡邊坡橋臺錐坡設(shè)計設(shè)置擋墻時，若未設(shè)置錨固樁，擋墻基礎(chǔ)必須置于基巖面以下。

高陡邊坡橋臺錐坡，因降雨遭遇失穩(wěn)威脅時，可在雨季以混凝土填補(bǔ)空洞及大錨桿+噴錨網(wǎng)的臨時措施加固橋臺，再于旱季以翼緣樁進(jìn)行永久加固，這種永臨結(jié)合的加固措施能有效消除高陡橋臺錐坡的安全隱患。