基于岸坡稳定性的深切峡谷区桥墩选址研究

曹 俊 姜 波 彭宇肸

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550001)

山区公路建设中,高速公路常采用大跨径特殊结构桥梁跨越落差较大的深切峡谷地带,岸坡稳定性制约着主墩基础的位置及其结构设计。因此,合理确定主墩位置是确保工程安全及工程造价的关键因素。罗勇[1]系统研究了深切峡谷大跨径桥梁岸坡稳定性影响因素及评价方法,李春峰等[2]结合抵母河特大桥岸坡工程实例,建立稳定性计算模型,采用刚体极限平衡法计算各种工况下岸坡的稳定性;潘庆等[3]基于离散元建立江凯河特大桥岸坡数值模型,模拟各种工况下岸坡岩体的位移及张开裂缝的分布;方健等[4]基于经济性和安全性优化桥位,综合区域稳定性和工程稳定性对绿汁江大桥最优桥位进行了分析。

河谷下切过程中,岸坡表生改造伴随着应力分异与重分布,形成平行于坡面方向的卸荷裂隙,并持续发生时效变形。在自重应力及风化作用下,浅表部岩体产生松弛,致使原有结构面拉张及产生新的次生裂隙,形成卸荷带,其沿临空面表部裂隙张开至坡后一定范围趋于闭合[5],岩体受节理裂隙切割而表现出各向异性,岩体强度参数受岩体完整程度及结构面条件共同影响。因此,岩体强度参数取值及合理避开卸荷裂隙带是桥基岸坡稳定性评价的关键因素。

本文以某特大桥主墩选址为背景,在地质调查基础上获取岩体非线性强度参数取值,结合刚体极限平衡与离散元数值分析方法,进行岸坡的稳定性计算,结合经济性与安全性对桥基位置进行优化。

1 工程概况

贵州某特大桥桥位横跨V形河谷,轴线段高程相对高差341.1 m,两岸桥台纵坡较陡,桥梁设计主跨600 m。设计桥型为双塔双索面钢桁梁斜拉桥;下部结构为薄壁空心花瓶形索塔、群桩基础、重力式桥台及桩柱式桥台,主墩承台设计轴力为150×104kN,弯矩为130×104kN·m,剪力为5×104kN。

2 岸坡稳定性影响因素分析

2.1 桥区工程地质条件

桥区下伏基岩为三叠系下统茅草铺组(T1m)薄～中厚层状灰岩、泥质灰岩、灰岩角砾岩及钙质页岩,临河侧岩体节理裂隙较发育,岩体较破碎。桥区地层岩体呈单斜产出,产状:152°∠14°,主要发育4组节理,J1:322°∠79°、J2:232°∠81°,J3:290°∠85°,J4:53°∠82°。两岸强风化节理裂隙呈张开状,溶蚀-卸荷裂隙发育,裂隙张开度10～300 mm,表面较平直,泥质充填,结合差,发育深度多数控制在3～5 m范围内,中风化层内结构面胶结良好,结合好。小桩号岸卸荷裂隙发育范围距河谷向约30 m,大桩号岸卸荷裂隙发育范围距河谷向约40 m。

两岸岩体沿陡壁分布有13条明显卸荷裂隙,平均延伸长度为5～8 m,最长可达20 m,顶部可见张开度约100～350 mm。裂隙切割岩体控制着岩体的整体稳定性,在桥基选址时,应合理避开岩体中的溶蚀-卸荷裂隙发育带。

2.2 岸坡岩体结构特征

小桩号岸纵向为缓倾外的切向坡,横向为缓倾顺层坡,大桩号岸为缓倾内切向坡,为典型的上硬下软结构类型岸坡。

两岸岸坡表层岩体风化程度较高,岩体破碎,节理裂隙发育,下部风化程度低,岩石较为致密坚硬,除临空面出露的岩体风化程度较高外,其余岩体基本未风化。岸坡上部的灰岩、泥质灰岩结构面特征较相似,表面具溶蚀现象,结构面较粗糙、较平直,局部节理有锈蚀现象,含少量泥质充填,不易敲碎,节理迹长1～6 m,节理间距20～50 cm,节理裂隙宽度1～5 mm;桥基下伏60～70 m含一层厚约1.5 m的钙质页岩夹层,岩体内节理较发育,岩体破碎,呈裂隙碎块状结构,结构面较平直、光滑、连续,含泥质充填,风化程度高,敲击易碎,节理迹长0.5～1 m,节理间距1～3 cm,节理裂隙宽度0.5～2 mm。

2.3 岸坡潜在的变形失稳模式

岸坡中部的钙质页岩夹层易风化剥落形成岩腔,导致上部岩体局部产生崩塌,两岸纵坡岩体易沿着不利结构面产生解体或整体下滑;小桩号岸横坡下伏软弱夹层具备临空条件,在风化剥蚀及雨水软化作用下,软弱夹层面的强度不断降低,在桥梁荷载作用下可能发生长大顺层滑坡的可能。

3 基于广义H-B强度准则岩体参数取值

3.1 广义H-B强度准则

E.Hoek, E.T.Brown.1980年首次提出了Hoek-Brown强度准则,通过地质强度指标GSI来表征岩体强度,后又提出了修正后的mb、s取值,得到广义H-B强度准则,使其可同时应用于岩石和岩体,E.Hoek在2002年引入了扰动因子D,提出考虑岩体扰动情况的H-B强度准则[6]。

(1)

(2)

式中:σ1、σ2分别为岩体破坏时的最大主应力和最小主应力;σc为岩块的单轴抗压强度;mb为岩体H-B强度准则参数,表征岩体的软硬程度,与完整岩块的mi相关,mi为完整岩块的H-B常数,可通过查表获取;s表征岩体的破碎程度;a为针对不同岩体量纲的经验参数。

3.2 构建新GSI量化取值表

根据国标中对岩体结构的划分,将岩体结构分为整体、较完整、较破碎、破碎和极破碎,其划分依据见表1。

表1 岩体结构划分表

Bieniawski提出的Jcond89对结构面等级划分的取值评分表见表2。基于RMR89分类法中考虑地下水对结构面条件评分的影响,当结构面状态由整体干燥变为湿时,评分由15分降为7分。根据Hoek建立GSI=RMR89-5(RMR89>23)的线性关系式。

表2 结构面条件评分表(Jcond89)

因此建议对岩体在饱水状态下的结构面条件评分进行折减,折减系数取值0.92。构建出新的GSI量化取值表见图1。

图1 新构建的GSI量化取值表

3.3 岩体参数取值

1980年提出H-B强度准则时,给出了岩石mi参数取值的初步指南,E.Hoek于1997年基于大量试验数据再次提出比较全面且可以包含更多种岩石的mi取值方法,根据前文新构建的GSI量化取值表,采用RocData岩土不连续体强度分析软件,计算不同岩体在不同应力条件下的岩体抗剪强度参数取值,见表3。

表3 岩体强度力学参数取值

4 岸坡稳定性计算分析

4.1 不同桥基位置下的岸坡稳定性计算

小桩号岸设计主墩位于K39+010,大桩号岸位于K39+610。根据控制主墩位置的主要因素为临河谷两侧发育的卸荷裂隙带的稳定状况,考虑主墩以10 m为间隔向临河岸侧移动,采用Jianbu法分别计算不同墩位情况下的岸坡稳定性。工况及控制标准见表4,计算结果见表5。

表4 岸坡稳定性分析工况及控制标准

表5 两岸岸坡稳定性系数计算结果

表5计算结果显示,当小桩号岸主墩位置位于K39+030之前,以及大桩号岸主塔位置位于K39+580后时,岸坡稳定性系数均满足控制标准,符合修建桥梁的要求。

4.2 数值模拟分析

两岸岩体节理裂隙发育,还需分析岸坡岩体在桥梁主墩荷载条件下的变形情况。基于UDEC离散元数值分析方法,将岩体看作被裂隙切割而成的非连续介质体,块体间按照不同的切割形式相互镶嵌排列组成集合体,研究块体集合体的运动特性,开展两岸岸坡在不同工况条件下的变形特性分析。选取K39+030、K39+580分别作为两岸主墩位置进行分析,节理裂隙由层面与J1、J3控制,两岸模型节理间距取10 m,软弱夹层处加密为1 m,模型见图2。模型左、右边界施加水平向约束,底面边界施加竖向约束,上边界为自由边界。针对工况二与工况三进行模拟分析。

图2 数值分析计算模型

小桩号主墩位于K39+030时,2种工况条件下岸坡桥基处竖向位移最大约为7 mm(见图3),岸坡安全系数大于1.23,2种工况下均满足安全控制性标准,从位移矢量图见图4。

图3 工况二位移云图 图4 工况三位移矢量图

由图4可见,岸坡发生明显位移部位离桥基较远,表明桥基位于此桩号情况时对岸坡稳定性无影响,可以修筑桥基。

大桩号主墩位于K39+580时,2种工况条件下岸坡桥基处竖向位移最大约为8 mm(见图5),岸坡安全系数大于1.23,2种工况下均满足安全控制性标准,位移矢量图见图6。由图6可见,桥梁荷载作用下,桥基部分岩体有产生临空向位移趋势,但此时岸坡稳定性具有一定的安全储备,表明桥基位于此桩号情况时对岸坡稳定性基本无影响,可以修筑桥基。

两岸计算结果显示,小桩号岸主墩位于K39+030、大桩号主墩位于K39+580时,岸坡整体稳定,适宜修筑桥基。较原设计方案,可优化跨径50 m,节约工程造价千万余元。

5 结论

1) 根据国标中岩体结构的划分及Jcond89结构面等级划分方法,结合RMR89分类法中考虑地下水对结构面条件评分的影响,构建新的GSI量化取值表,可获取岩体在一定埋深条件下的抗剪强度参数取值。

2) 根据Jianbu法与UDEC离散元数值分析方法计算岸坡在桥梁荷载作用下的稳定性,当主墩位于K39+030与K39+580时,两岸岸坡稳定性均满足安全控制标准,且桥基处竖向位移均为毫米级别,适宜桥基修筑。

3) 较桥梁原设计方案,可优化跨径50 m,节约工程造价千万余元。