乌溪江大桥拱座基础加固

张红星 古海东

（浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006）

乌溪江大桥拱座基础加固

张红星 古海东

（浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006）

乌溪江大桥主桥为260m的上承式钢管混凝土拱桥，3号拱座位于陡坡上，基岩为中风化花岗岩，节理发育，对基础边坡稳定产生不利影响。通过有限元强度折减法从理论上探讨采用锚筋桩加固拱座基础方案的可行性。研究结果表明：采用锚筋桩加固后能大幅度提高边坡的整体稳定安全系数。为确保工程安全，实际施工中采用了锚筋桩与基底压浆、锚索组合形式对拱座基础进行加固处理。实践表明，加固效果明显，可为类似桥梁基础加固提供参考。

拱桥；拱座；基础加固；锚筋桩

1 概况

1.1 桥梁总体设计

乌溪江大桥位于浙江省遂昌县西部乌溪江库区，采用二级公路双向双车道的技术标准，设计速度为60 km／h，桥梁全宽12 m，主桥为计算跨径260 m上承式钢管混凝土拱桥（见图1）。

图1 乌溪江大桥总体图(单位:m)

乌溪江水库一年中水位变化剧烈，最大可超过30 m，根据最近30 a水文资料，最高水位约230 m，最低水位约189 m。主桥拱座位于约60°的陡坡上，基底设计高程217 m，持力层为中风化花岗岩。

1.2 拱座基础地质情况

拱座开挖到设计高程后，现场情况表明3号拱座基岩临水侧节理发育（见图2），按照节理发育程度及性质，将3号拱座基础及影响区域划分为5个区（见图3）。

图2 3号拱座基岩节理实景

图3 3号拱座基础及影响区域划分图

A1（拱座外侧临江处）：该区域岩体较完整，呈块状体结构，主要发育三组节理，分别是262°∠86°，305°∠84°，197°∠40°，节理间距大于1 m，但局部岩体被这三组节理切割形成楔形体，爆破松动后易滑塌。

A2（拱座基础88%的区域）：该区域岩体主要发育产状为262°∠86°的长大节理，与岸坡小角度相交，陡倾于江心，节理发育密集，整体上扭曲，呈S形，经挤压，岩体破碎，节理间距2～5 cm，节理面上有氧化膜，局部微张，岩体呈片状结构。拱座88%面积上位于该区域，岩体节理密集发育，且受挤压，极破碎。

A3（拱座东南角上）：该区域岩体主要发育产状为262°∠86°的长大节理，与岸坡小角度相交，陡倾于江心，节理发育密集，节理面平直，闭合，为硬质结构面，节理间距5～8 cm，岩体呈片状结构，岩体性质略好于A2区。

A4（拱座后缘）：该区域主要发育产状为265°∠87°的长大节理，与岸坡小角度相交，陡倾于江心，节理较密集，节理面平直，闭合，为硬质结构面，一般节理间距10～15 cm，局部间距30 cm，节理面上有氧化膜，岩体呈片状结构。

A5：该区域主要发育产状为265°∠87°的长大节理，与岸坡小角度相交，陡倾于江心，节理面平直，闭合，为硬质结构面，节理间距20～30 cm，局部间距较宽，裂隙面上有氧化膜，岩体呈中层厚结构。

3号拱座地质钻探孔内电视成像图显示，在高程207.35～205.95 m发育11条外倾节理（坡面倾向237°），倾向251°，倾角50°；在高程202.35 m处发育1条外倾节理，倾向271°，倾角24°，均为硬质结构面。

1.3 研究内容

3号拱座基岩裂隙发育，对拱座基础下边坡的稳定性产生不利影响，进而危及到整座拱桥的安全。因此，需要弄清3号拱座基础边坡稳定性是否满足规范要求。若不满足，应采用怎样的加固方案是该项目的重点和难点。本文拟通过有限元强度折减法[1]从理论上分析3号拱座基础边坡稳定性，并研究采用锚筋桩[2]对桥梁拱座基础进行加固的可行性；最后，结合工程实测结果，探讨锚筋桩对桥梁拱座基础的加固效果。

2 计算模型的建立

2.1 计算方法

本文采用有限元软件ABAQUS基于有限元强度折减法进行边坡稳定性计算。有限元强度折减技术的原理是通过利用式（1）和式（2）调整岩土体的强度指标c和φ，其中Ft为折减系数，ct和φt分别为折减后的岩土体粘聚力和内摩擦角，然后对岩土体进行有限元分析，通过不断增加折减系数，反复分析土坡，直至达到临界破坏，此时得到的折减系数即为安全系数。强度折减法的优点是安全系数可以直接给出，不需要事先假设滑裂面的形式和位置，并且滑裂面的范围更加直观。

目前有限元强度折减法中破坏标准的判断主要有以下3种标准：（1）有限元计算不收敛作为失稳依据，对应的折减系数作为安全系数；（2）边坡塑性区贯通作为失稳依据，对应的折减系数作为安全系数；（3）边坡坡顶位移发生突变作为失稳依据，对应的安全系数作为边坡安全系数。文献[3]中指出，采用标准（2）和（3）得出的安全系数比较接近，且都比标准（1）得出的安全系数要小。本文有限元分析中的安全系数主要采用以上3种判定方法中得出的最小安全系数作为边坡的最终安全系数。

2.2 计算模型与参数取值

利用ABAQUS有限元软件建立乌溪江大桥3号拱座基础边坡的平面应变计算模型如图4所示。岩土体采用实体单元模拟，锚筋桩采用梁单元模拟，锚筋桩与岩土体的接触采用embed嵌入接触模拟，岩土体的本构模型根据岩石节理发育情况分别采用节理材料模型与摩尔库伦模型。

图4 有限元计算模型简图

模型计算参数取值：A1～A3区域按节理材料模型计算,节理结构面黏聚力分别取170 kPa、130 kPa、170 kPa，摩擦角均取33°；A4和A5区域按四级岩石抗剪强度取黏聚力500 kPa，摩擦角30°；基底外倾节理面：黏聚力170 kPa，摩擦角33°。

3 计算结果分析

3.1 未采用锚筋桩加固

计算结果见图5所示，3号拱座基础未加固时下边坡稳定安全系数仅为1.10，不满足《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）中公路路堑边坡稳定安全系数不小于1.2的要求。

3.2 采用锚筋桩加固

计算结果见图6所示，采用锚筋桩加固后边坡的稳定安全系数为1.76，满足规范中安全系数不小于1.2的要求。

采用锚筋桩加固后，边坡的稳定安全系数提高了约60%，说明锚筋桩对拱座基础的加固效果非常明显。

4 拱座基础加固设计

理论计算表明：采用锚筋桩对3号拱座基础加固的方案是可行的，加固后拱座基础所在边坡整体稳定性满足规范要求。实际施工中，为确保工程安全，在实施锚筋桩作为主要加固方案的同时，还综合采用基底压浆与锚索对3号拱座基础进行辅助加固处理。

图5 未采用锚筋桩加固时边坡稳定计算结果图示

图6 采用锚筋桩加固后边坡稳定计算结果图示

4.1 锚筋桩设计

在基底范围竖直向下钻孔，孔径φ130 mm，平面布置为横桥向共10排，间距2 m，顺桥向6排，间距1.5～2.5 m；孔底位于基底外倾节理面以下不小于2m，孔深12～20 m。每个钻孔内放入3根直径28 mm的HRB400束筋，作为基岩抗滑动剪切的主要受力构件。孔内采用M40水泥浆进行压浆。

4.2 基底压浆设计

用水泥浆液灌入岩体裂隙或破碎带，以增强基岩的整体性，提高岩层面之间的粘聚力。压浆孔位平面间距为1.5 m～2.0 m，按梅花形布置，顺桥向共布置6排合计62个压浆孔。钻孔孔径90 mm，深度10.5 m。压浆管采用DN25型钢管，浆液采用M40水泥浆，压浆压力0.5～1.0 MPa。

4.3 锚索设计

拱座基底以下设两排预应力锚索，防止临水侧基岩侧向失稳。锚索倾角15°，长度为32 m，锚固段范围位于A5区，穿过了节理发育带（见图7）。锚索采用压力分散型，锚固段长度为9m，设计锚固力为600kN。锚索压浆采用从孔底到孔口返浆式压浆，压浆材料为M40水泥砂浆。

图7 基底锚索设计图

5 实测结果

在拱座顶面设置了6个位移观测点，采用全站仪进行高程测量，测量精度为±1 mm±1 ppm。从拱座施工完成开始观测记录，至全桥施工完成投入运营，各测点位移变化量均未超过1 mm。结合测量精度分析，拱座基础稳定，未发生异常沉降。

6 结语

本文计算时重点研究锚筋桩的加固效果，拱座基底压浆和边坡坡体锚索加固仅作为安全储备，有限元分析计算时并未考虑基底压浆和坡体侧向锚索的加固作用。理论计算和工程实践都表明：通过锚筋桩、基底压浆、锚索三项加固措施，3号拱座基础完整性得到了提高，基础下边坡稳定性计算满足规范要求，为类似桥梁基础加固提供了参考。

[1]连镇营,韩国城,孔宪京.强度折减有限元法研究开挖边坡的稳定性.[J].岩土工程学报，2001,23(4):407.

[2]陈胜宏，汪卫明，杨志明.筱溪水电站重力坝坝基锚筋桩加固研究[J].岩土力学，2010，31(4):1151-1156.

[3]刘金龙,栾茂田,关于强度折减有限元方法中边坡失稳判据的讨论[J].岩土工程学报,2005,26(8):1346.

U443.23

B

1009-7716（2017）04-0104-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.030

2017-01-09

张红星（1978-），男，安徽蚌埠人，高级工程师，研究方向：桥梁设计。