框架锚杆结构加固高速公路桥梁边坡效果分析研究

杨 涛，谭玉强

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵阳 550081)

0 引 言

随着我国基础设施的快速发展，特别是西部山区高速公路建设由于地形地貌及地质条件的限制，使得高速公路的桥隧比重很大，造成多数桥梁桥墩修建在高陡斜坡地带。为了满足公路线形，在高陡斜坡地带常采用桥梁结构跨越。但由于该类桥梁桩基不仅承担着桥面上部荷载，也承担着高陡边坡在自重或外部荷载的作用下产生的下滑推力，所以该类桥梁桩基防护设计不能采用常规平坦路段的设计方法。近年来，针对此类道路桥梁边坡的受力问题及其防护措施的学术研究取得了一系列有价值的成果。如姬同旭等[1]以实际高速公路建设工程为例，提出削方减载与抗滑支挡相结合的组合式桥梁防护措施。刘建华[2]通过室内模型，分析了岩质边坡桥梁桩基的受力模式。巨小强[3]以西成高铁养家河大桥成都侧桥基边坡为例，采用FLAC3D数值分析方法，对其不同工况下的稳定性进行分析，并提出防护该类型桥墩的治理措施。勾婷颖[4]在分析高速公路边坡桥梁桩基的受力特点中，经过计算提出科学合理的边坡保护措施，确保桥梁桩基的稳定性。白旭升[5]通过数值模拟分析、理论分析，研究了高陡边坡状况下复杂桥梁桩基的受力特性。包婷婷[6]通过现场监测分析及数值模拟方法，分析了高速公路边坡对临近桥梁墩台的影响。姬同旭[7]以仁赤线桥梁边坡为例，采用抗滑桩单桩内力的计算方法推导出桥梁边坡桥墩的内力计算方法。上述研究大多针对高速公路桥梁边坡的桥墩内力计算方面，对于高速公路桥梁边坡防护设计的研究内容较少。由于高速公路桥梁边坡防护受地形地貌的限制，不能像高速公路路基边坡那样采用大直径抗滑桩对边坡进行加固，而且由于高速公路车辆人流密集，涉及公共安全，关系重大，因此开展高速公路桥梁边坡支护设计研究是十分必要的。为此，本文以贵州省六盘水至威宁高速公路市某大桥为工程实例，充分考虑边坡和桥墩的相互作用，开展高速公路桥梁边坡的防护措施加固效果分析研究。

1 工程概况

该大桥全长3 782 m，为全线控制性工程。该桥D号桥墩位于一陡斜坡区域，D号桥墩桥台右侧引道开挖至设计标高后，形成高约34 m岩质坡，该边坡从上到下依次为素填土、红黏土、块石土、强风化白云质灰岩、中风化白云质灰岩，强风化白云岩岩体节理裂隙发育，结合极差，遇水易软化。施工期受强降雨影响，在调查期间发现D号桥墩前缘可见3～5 cm裂缝，D号桥墩北侧草丛中有贯通的剪切裂缝，长约15～17 m，后缘拉裂缝已形成，滑坡前缘位于施工便道前方，变形区直接威胁到D号桥墩的安全，需要引起重视并采取合理处理措施以确保桥梁安全，本文选取D号桥墩所在的断面进行高速公路边坡桥墩加固效果分析研究。见图1。

图1 边坡剖面图及桥墩、防护措施布置图

2 高速桥梁边坡稳定性分析

2.1 赤平投影分析

挖后形成高约30～34 m之间岩土组合边坡，开挖后土体部分易发生圆弧滑动；岩体部分根据本次勘察在边坡范围内实测统计的节理绘制其赤平投影图，现根据赤平投影图进行分析评价(注：开挖面按坡率1∶0.6进行绘制)。根据赤平极射投影图(图2)分析可知，岩层倾向与坡向夹角为21°，为顺向坡，且倾角小于边坡坡角，为外倾不利结构面。节理J1与坡向夹角为0°，为顺向结构面，但倾角远大于边坡坡角，沿J1发生滑动的可能性小。边坡开挖后，边坡易沿岩层面发生圆弧滑动。

图2 赤平投影分析图

2.2 数值模拟分析

高速公路边坡上的桥墩稳定性研究类似于桩结构和岩土体相互作用的问题。本文采用数值模拟方法对高速公路高陡边坡上的桥墩稳定性进行研究[1]。模型长110 m、宽6 m、高34 m，桥墩采用桩结构单元进行模拟[1]。该边坡(桥墩布置位置已在图3中显示)三维模型参见图3。模型底部固定，顶部自由前后左右边界施加X方向约束，坡体表面Y方向自由约束；边坡初始应力为自重应力。

由于该处滑体主要为受构造面切割呈块状的白云岩，根据钻探结果显示其滑动面为原岩构造面，粉质黏土含量极少，无法采取土样进行土工试验。因此，本次计算参数主要采用反算法、地层类比法及经验数据法进行综合选取，岩土体参数(均以饱和工况为准)见表1，桥墩结构计算参数见表2、框架梁结构参数见表3、锚杆结构参数见表4。

图3 有限元模型图

表1 岩土体参数表

表2 桥墩结构计算参数表

表3 框架梁结构参数

表4 锚杆结构参数

2.3 无支护条件下桥梁边坡桥墩稳定性分析

为反映出该边坡的真实情况，本次仅对饱和工况下的情况进行模拟分析[1]。在未加防护措施的情况下，该段边坡处于不收敛状态。边坡X方向位移云图见图4、桥墩桩身水平向位移值见图5、桥墩桩身弯矩见图6。

由此可知，在饱和工况且未加防护的情况下1#桥墩桩身最大位移为7.083 cm，桥墩桩身最大弯矩为1.82×104kN·m。

图4 饱和工况下边坡X方向位移云图

图5 未施加防护措施的桥墩水平位移图

图6 未施加防护措施的桥墩弯矩图

2.4 墩身稳定性验算

通过已有研究成果[7]，计算出桥墩能承受的最大弯矩为7.14×103kN·m。从上图得出的1#墩的桩身最大弯矩值大于该限值。

3 框架锚杆加固效果分析

从以上分析可见，在不加防护措施、边坡处于饱和工况的情况下，A号墩1#墩桩身最大水平位移值及桩身最大弯矩值均大于规范要求。在此种情况下，需采取合理的措施来对边坡进行防护。

鉴于本路段属于高速公路斜坡路段，用地条件有限，抗滑桩等占地面积较大的支挡结构物在此类工程中使用较少，本文结合现场实际情况选择框架锚杆结构对该桥梁边坡进行加固。从上至下第一排锚杆锚固深度为5 m、第二排锚杆锚固深度为5.5 m、第三排锚杆锚固深度为依次为4.5，3，1.5 m。框架锚杆布置见图7。施加防护措施后边坡的水平位移情况见图8，桥墩桩身位移及弯矩见图9-图10。

图7 锚杆结构布置图

图8 施加防护措施后边坡水平位移图

图9 施加防护措施后桥墩水平位移图图

图10 施加防护措施后桥墩弯矩图

由分析结果可知，在饱和工况施加防护的情况下，1#桥墩桩身最大位移为1.417 cm，满足规范关于桥墩水平位移限值的要求。桥墩桩身最大弯矩为3.21×103kN·m，小于桥墩能承受的最大弯矩，且由边坡位移云图可知边坡区域稳定状态，验证了框架锚杆结构加固该类型桥梁边坡的有效性。

4 结 论

本文以贵州省六盘水至威宁高速公路某大桥为工程实例，对锚杆框架结构加固桥梁边坡的效果进行分析研究，得到以下结论：

1) 施工过程中，边坡下滑产生的推力是桥墩产生形变的主要原因。

2) 在饱和工况条件下，桥墩顶部水平向位移超过规范要求限值，且桥墩的桩身最大弯矩值远大于桥墩的抗弯强度，并导致桥墩产生一定的倾斜度，需要进行加固处理。

3) 为防止桥墩倾斜的进一步加大，综合以上分析，设计单位对该段边坡采取了框架锚杆加固的治理措施。加固后，边坡处于稳定状态，且桥墩顶部位移值和桩身最大弯矩均满足要求。鉴于该大桥是整段线路的控制性工程，建议在施工完后对重点部位进行监测。