山区桥台基础加固处理设计

2018-06-20张长善王大群

交通科技 2018年3期

关键词：滑面路堑桥台

张长善王大群

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司武汉 430056)

1 工程概况

山区某工程立交主线桥为一座左、右分离式桥梁。桥梁上部结构为1孔30 m预应力混凝土现浇箱梁。桥台为U形桥台配扩大基础形式，基础地层岩性为中风化砂质泥岩。

该主线桥下有下穿匝道，左幅桥和右幅桥桥台位置下穿匝道路堑边坡，原设计按照1∶1坡率进行放坡，边坡采用放炮施工，且边坡岩体开挖后暴露时间长，加上雨水冲刷浸泡，导致岩体风化加速，后经勘察单位现场重新勘验，将该处岩层风化类型定为强风化。

现由于桥台离下穿匝道道路边缘线距离较近，且桥台地基岩层定性为强风化、路堑开挖稳定性不能保证，严重威胁桥梁运营安全。

工程治理区位于立交桥主线桥左幅桥和右幅桥下方桥台位置以下路堑边坡。岩层倾向125°～130°，倾角60°～12°，发育2组构造裂隙。一组为平行向斜轴部的张扭性裂隙，该组裂隙较发育，方向为北北西～北西西，代表性裂隙产状倾向295°～350°，以295°为主，倾角32°～81°，以54°为主，裂隙面平直，裂面粗糙，延伸2～3 m，裂隙宽一般1～2 mm，局部有泥质充填；另一组为剪切裂隙，方向为北～南北东，代表性裂隙产状倾向0°～36°，以25°为主，局部存在翻转现象，倾角68°～84°，以80°为主，裂隙形迹一般平直，裂面粗糙，延伸4～7 m，裂隙宽一般2～3 mm，局部有充填，与现场实测节理产状较为一致。

地层出露以侏罗系中统沙溪庙组强风化砂质泥岩为主，主要矿物成分为黏土矿物，泥质胶结。地勘报告提供抗剪强度参数见表1。

表1 抗剪强度指标

地下水类型为第四系松散层孔隙水和碎屑岩类孔隙裂隙水，补给源为大气降水，地表水不发育。由于岩层为砂质泥岩，属相对隔水层，富水性弱，无地表径流和地下水渗出。

2 加固处理计算

桥台尺寸为宽15.5 m×长3.7 m，作用在地基上的荷载为200 kPa。剩余下滑力的取值需将边坡失稳的形式考虑全面，对不同失稳破坏形式的剩余下滑力进行对比，取其中最大值。

强风化岩质边坡失稳破坏计算方法主要有3种[1]：①稳定性受单一节理面(如岩层产状、节理裂隙)控制的，采用简单平面稳定性计算；②稳定性受多个节理面控制的，采用三维楔形体稳定性计算；③碎裂结构岩质边坡的稳定性计算采用简化Bishop法。

1) 简单平面稳定性计算。节理产状需要转成视倾角后参与计算。节理面视倾角计算公式为

tanβ=tanα·cosω

式中：β为视倾角；α为真倾角；ω为剖面方向(即视倾向)与倾向之夹角。

节理面视倾角计算结果见表2，结构面组合稳定性计算见表3。

表2 节理面视倾角计算 (°)

注：负值表示岩层产状、节理倾向与坡面倾向相反，有利于边坡稳定；坡面1和坡面2分别为桥台两侧面。

表3 结构面组合稳定性计算

注：剩余下滑力安全系数取1.25；c=50 kPa；φ=18°。

2) 三维楔形体稳定性计算。三维楔形体稳定性计算前，需判断节理组合能否在边坡上形成楔形体，即需要进行赤平投影分析, 分析结果见表4。

表4 赤平投影分析

注：抗剪强度参数黏聚力取50 kPa；内摩擦角取18°。

由表4可见：①对于坡面1，J1和J2为不利组合；②对于坡面2，岩层产状和节理2为不利组合。即只有工况I和VI能够形成楔形体，其稳定性计算结果见表5。

表5 三维楔形体计算

坡面1在节理1和节理2的控制作用下，受桥台荷载后安全系数小于1，稳定性较差。剩余下滑力安全系数取1.20，经计算得剩余下滑力约74.9 kN/m(楔形体长度8.97 m)。

3) 简化Bishop法计算稳定性。前面2种计算方法适用于坚硬～较坚硬层状、裂隙结构岩体边坡，对于强风化砂质泥岩适用性较差，宜采用简化Bishop法计算其稳定性。

桥台均布荷载大小为200 kPa，坡高为2.695 m，荷载宽度为3.7 m(坡面1)，计算结果见表6。

表6 坡面1下滑力(坡面1方向)

注：剩余下滑力安全系数取1.20。

由于最危险滑面处安全系数最小并不一定代表剩余下滑力最大，所以需要进行验算。

对于2组抗剪强度参数，按最不利原则取c=35 kPa,φ=15°来计算最大剩余下滑力，计算简图见图1、表7。

图1 最大剩余下滑力验算滑面

坡面1为最危险滑面、坡面2为剩余下滑力最大滑面，滑面半径相同。

表7 坡面1最大下滑力验算

注：剩余下滑力安全系数取1.20。

由表7可见,为了得到最大剩余下滑力，工作量较大，也较繁琐，特别是针对不同半径、不同圆心位置的滑面进行计算。下面提供了一个简便的计算方法。

固定滑面后缘点A和前缘点B，AC长度固定为2.8 m，计算不同半径的圆弧滑面的剩余下滑力(见图2、表8)。根据计算结果发现，滑面半径越大对应的剩余下滑力越大，当调整AC宽度也会得到同样的结果，也就是说当滑面呈直线时，剩余下滑力达到最大值。这主要是因为直线滑面的接触面最小，下滑体受到的摩擦抗滑力最小综合作用导致的。

图2 不同半径滑面计算简图

半径/m剩余下滑力/(kN·m-1)5167.3710205.4120216.6350220.77+∞(滑面为直线)222.52

注：剩余下滑力安全系数取1.20。

基于上述计算规律，可假设滑面为直线以计算剩余下滑力最大值，通过调整坡顶AC宽度得到剩余下滑力。计算结果表明，最大剩余下滑力为222.52 kN。

坡面1和坡面2的物理模型基本一样，区别在于加载区域宽度不同(坡面1荷载宽度3.7 m，坡面2荷载宽度15.5 m)。由于坡面1模型所得安全系数最小的滑面位置和最大剩余下滑力的滑面位置均位于荷载宽度范围内，故坡面2计算过程类似。

经计算，左幅桥桥台路堑边坡开挖至匝道设计标高(开挖2.695 m)时剩余下滑力为最大值222.52 kN/m，开挖至匝道路槽底面(开挖3.351 m)剩余下滑力为237.66 kN/m。同理，可以得到右幅桥桥台路堑边坡开挖至匝道设计标高(开挖2.253 m)剩余下滑力最大值为179.29 kN/m，开挖至路槽底面(开挖2.813 m)剩余下滑力为180.914 kN/m。

3 加固处理方案

1) 加固方案的确定。从提供支护力与切坡先后顺序的角度将加固方法分为主动加固和被动加固2大类。对于路堑边坡的加固，一般要求进行主动加固防护。

由于桥台左幅桥下方和右幅桥下方的边坡施工空间受限，且桥台对稳定和变形的要求高，综合考虑，加固治理方案综合采用预应力锚索和钢轨桩2种加固方法。即对左幅桥主线和右幅桥主线桥下桥台正面进行锚索加固，侧面边坡采用钢轨桩加固[3]。

2) 预应力锚索设计

①锚固力的确定。为了避免群锚效应，锚索布置间距不小于2.5 m[2]。考虑到加固坡面高度较矮，锚索按一排布置。左、右幅桥桥台路堑边坡，均布置锚索一排，水平间距分别为2.5 m和3 m。

经计算，左幅桥桥台路堑边坡开挖至路槽底面(开挖3.351 m)设计锚固力为324.65 kN/m，锚索钢绞线需8根；右幅桥桥台路堑边坡开挖至路槽底面(开挖2.813 m)设计锚固力为261.16 kN/m, 锚索钢绞线需8根。钢绞线型号为1 860级无黏结钢绞线。

②锚固长度的确定。锚索锚固长度应对锚杆体与注浆体的黏结长度和注浆体与地层间的黏结长度分别计算，取两者中的大值作为锚索锚固段长度，见表9。

表9 锚固长度计算

CECS 22：2005 《岩土锚杆(索)技术规程》中7.6节规定：锚杆自由段长度应穿过潜在滑裂面不少于1.5 m，并不应小于5.0 m，本工程自由端长度取5.0 m。经整体稳定性验算满足规范要求。

3) 钢轨桩设计。钢轨抗滑桩是埋于滑体岩层中的抗滑桩，钢轨与围岩通过混凝土牢固结合成一体，在滑动面上下受弯曲产生抗力，计算简图见图3。

图3 钢轨桩计算简图

经计算钢轨桩需埋入深度至少6.43 m,开挖高度2.695 m,考虑到桥台基础不裸露,基础底面以上钢轨桩长度至少1 m,最终确定钢轨长度11 m。

在开挖底面位置每延米土压力大小为234 kN，每延米弯矩为233 kN·m。钢轨抗拉强度根据GB 2585-2007 《铁路用热轧钢轨》[4]选取，同时考虑1.20安全系数的折减。

钢轨桩由2根43号钢轨并排焊接而成，孔径300 mm，长度11 m，间距1 m，可提供每延米272 kN·m的弯矩抗力，满足工程要求。

综上所述，左幅桥桥台路堑边坡内侧采用预应力锚索加固，锚索由8根1 860级无黏结钢绞线组成，锚固长度10 m、孔深15.3 m、孔径150 mm，一排布置，水平间距2.5 m，共4根；外侧采用钢轨桩加固，钢轨桩采用2根43号钢轨并排焊接而成，桩长11 m、孔深11.5 m、孔径300 mm、间距1 m，共4根。

右幅桥桥台路堑边坡内侧采用预应力锚索加固，锚索由8根1 860级无黏结钢绞线组成，锚固长度10 m、孔深15.3 m、孔径150 mm、一排布置，水平间距3 m，共3根；外侧采用钢轨桩加固，钢轨桩由2根43号钢轨并排焊接，桩长11 m、孔深11.5 m、孔径300 mm、间距1 m，共2根。