公路桥梁岸坡全寿命周期稳定性研究_王文博.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202205009开放科学（资源服务）标识码（OSID）公路桥梁岸坡全寿命周期稳定性研究王文博，汪 涯（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，西安710065）摘要：以内蒙古某高速公路萨岭河特大桥右侧岸坡为研究对象，将全寿命周期分为天然、施工及运营 3 个分析周期，根据施工组织分为 8 个分析阶段，确定各阶段不同的稳定性评价标准，进行三维岸坡数值模拟分析。结果表明：各阶段的桥梁岸坡稳定性均满足建设要求，除#14 墩承台平台右侧开挖需设置钢板桩支护外，均无需增加预加固或支护工程。关键词：公路工程；岸坡稳定性；全寿命周期；分析周期；最不利安全系数中图分类号：TU457文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0207 05 0 引言桥梁岸坡规模巨大，地形多变，桥梁承台平台的开挖、大型机具的钻孔施工均影响着桥梁岸坡的稳定性，若设计阶段未进行合理的分析，施工阶段由设计变更产生的工程浪费是巨大的。因此，近年桥梁岸坡的稳定性成为公路工程界的热点问题。许多学者进行了较为深入的研究1-4，从天然边坡的正常工况、降雨工况及地震工况三个角度进行稳定性分析，但均未对桥梁岸坡的施工及运营阶段的稳定性作分析。近 5 年来，从中国、美国及欧洲相继发生的桥梁垮塌事故来看，桥梁岸坡主要在施工及运营阶段发生失稳破坏，有的在承台开挖时产生局部溜滑，也有在桩基施打、钢板桩支护时发生失稳破坏，而天然工况下失稳的事故较少。因此，应从桥梁岸坡的全寿命周期出发，以天然边坡的稳定性做对照参考，重点考虑施工与运营阶段的岸坡稳定性，且应结合现场工程地质条件拟定施工组织，结合设计中建议的施工组织顺序建立岸坡模型。稳定性分析时设计人员参照规范进行评价时均采用统一标准，即天然岸坡正常工况与施工阶段正常工况的岸坡稳定性安全系数取值相同，显然偏保守。天然岸坡评价时还未修建公路桥梁等重要建筑物，安全系数应结合规范取其下限，施工阶段的安全系数应按照临时工程参照规范取值，运营阶段的安全系数应结合规范取其上限，这样更适合工程的实际需要，取值合理，减少潜在的工程浪费。本文以内蒙古某高速公路萨岭河特大桥右侧岸坡为研究对象，结合研究区的工程地质条件确定合理的施工组织方案，确定岸坡在不同阶段的稳定性评价标准，分析该特大桥岸坡在自然边坡、不同施工阶段及运营阶段的全寿命周期稳定性，为研究人员和设计者提供参考。1 桥址区概况 1.1 地形地貌特征该特大桥主桥为主跨 90 m 预应力混凝土连续刚构，全长 988 m。桥址区为河谷地貌，地面相对高差 79 m。左侧岸坡地形起伏较平缓，地势开阔，平均坡度 25。地层主要为碎石土层和凝灰岩，稳定性较好。右侧岸坡地形起伏较大，#13#15 墩区域岸坡平均坡度 30，地表植被零星覆盖。1.2 地层岩性勘察阶段采用钻探、原位测试及室内土工试验相结合，共布设钻孔 13 个，右侧岸坡 6 个，累计进尺 240.7 m，取扰动样 50 件，取岩样 5 组，完成标准贯入试验 50 次，动探试验 3 次。勘察资料显示5：右侧岸坡内地层由表层而下为：第四系（Q4）。全新统冲洪积（Q4al+pl）：岩性为细砂、圆砾，揭示厚度为 1.810.0 m。第三系（Q3）。上更新统冲积（Q3al）：岩性为细砂，揭示厚度为 43.054.4 m。侏罗纪上统上兴安岭组（J3S）。该 层 在 桥 址 右 侧 岸 坡 的 BZK3、BZK5、xzk13 号孔均有揭露，岩性为晶屑凝灰岩，灰黄色-灰白色，风化程度为强风化，揭示厚度为 2.414.2 m。右侧岸坡工程地质剖面，见图 1。收稿日期：2022 05 30作者简介：王文博（1982），男，陕西西安人。高级工程师，硕士，主要从事公路路线总体及路基工程方面的研究工作。E-mail：。王文博，等：公路桥梁岸坡全寿命周期稳定性研究 207 K37+308BZK4K37+358BZK5K37+458xzk12K37+538xzk13K37+128BZK3K37+218xzk9#11#12#13#14#15#16#17#18高程/m50 90 130 170 210 250 290 330 370 410 450 490 530 570 610 650 690122012601310135013801420距离/m细砂稍密碎石土中密凝灰岩强风化图1特大桥右侧岸坡工程地质剖面 1.3 地质构造及地震研究区位于阴山东西向复杂构造带与大兴安岭新华夏系构造带及巴音和硕断陷盆地交汇处。构造较复杂，可分为东西构造带和北东向构造带，地质构造相对简单，未发现深大断裂构造或全新活动断裂通过。桥址区地层为稍密-中密细砂和强风化-中风化晶屑凝灰岩，场地类别为类，参考中国地震动峰值加速度区划图(GB 183062015)，地震动峰值加速度为 0.05 g，地震动加速度反应谱特征周期 0.35 秒，地震烈度 VI 度。1.4 水文地质条件地表水主要水源为萨岭河，河长 61 km，多年平均径流量0.521 1 亿 m3，年平均流量 2.1 m3/s。河流沿岸植被茂密，河曲发育，宣泄不畅，含沙量极小，年输沙量2.8 万t。桥址所跨区域水面宽约20 m，岸边水深最深约 3050 cm，中部最深约 60 cm。勘察期间测得桥址区混合静止水位 0.40 m，水位高程 1 263.85 m。根据萨岭河特大桥地表水水质分析报告5，地下水对混凝土结构具微腐蚀性。2 岸坡全寿命周期各分析阶段划分及评价标准 2.1 全寿命周期各分析阶段划分全寿命周期各阶段包括自然边坡未开挖阶段、施工期阶段及运营期阶段岸坡稳定性分析。首先应结合宏观定性方法及数值定量方法分析施工前自然边坡的稳定性情况。施工阶段需根据施工组织方案开挖各桥墩承台平台，因此需分析开挖承台平台后的岸坡稳定性；桩基施工，在施打第二根桩基时，第一根桩基已具有一定抗剪强度（按照龄期和抗压强度确定），施工两个以上桩基的岸坡稳定性会大于施打第一根桩基时，因此只需考虑每个承台开挖平台后第一根桩基施打的最不利安全系数。施工完成后，应分析在行车荷载作用下的运营期岸坡正常工况下及暴雨工况下的稳定性。右侧岸坡的施工组织顺序：对#11、#12、#13 承台平台放坡开挖后，同时进行桩基施工；中部岸坡陡峻，#14、#15、#16、#17、#18 承台放坡开挖一个施工平台后即进行此承台桩基施工。本研究将全寿命周期分成 8 个分析阶段：模拟天然岸坡的正常工况与暴雨工况；模拟#11、#12、#13 承台平台放坡开挖；模拟#11 承台施打第一根桩基；模拟#11、#12 桩基完成后施打#13 承台第一根桩基；模拟#14 承台施打第一根桩基；模拟#15 承台施打第一根桩基；#16、#17、#18 承台所在岸坡区域较缓且有反坡，只需模拟#15 承台施打第一桩基与所有承台桩基施工完毕；模拟运营期右岸岸坡的正常工况及暴雨工况。2.2 稳定性评价标准岸坡稳定性安全系数值参考公路路基设计规范6、建筑边坡工程技术规范7及滑坡防治设计规范8的要求，结合既有经验综合确定。边坡稳定性计算考虑 3 种工况。天然状态下正常工况、暴雨或连续降雨下非正常工况、地震等荷载作用状态下非正常工况。项目区的地震烈度度，可不进行抗震计算。根据滑坡防治设计规范6.1.1 条，岸坡属I 级防治工程，公路路基设计规范表7.2.2，可确定岸坡稳定性安全系数 Fst，见表 1。各工况中，对滑坡影响区内有桥梁等重要建筑物时，Fst取大值，此点与滑坡防治设计规范的规定相同。此值仅适用于施工后的岸坡分析，施工前岸坡属自然边坡，施工中岸坡临时工程 Fst可取 1.05，但此值在滑坡防治设计规范属基本稳定的临界值。根据现场对两桥梁岸坡的宏观判断，各阶段边坡安全系数取值，见表 2。边坡稳定性评价标准，见表 3。表1路堑边坡稳定安全系数工况路堑边坡稳定安全系数Fst高速公路、一级公路二级及二级以下公路正常工况1.201.301.151.25非正常工况1.101.201.051.15 表2路堑各阶段边坡稳定安全系数工况天然工况降雨工况自然边坡1.21.1临时工程阶段1.1降雨时不进行施工，不考虑此工况工后运营阶段1.31.2 表3边坡稳定性评价标准边坡稳定性系数Fs1.01.0Fs1.051.05FsFstFsFst边坡稳定状态不稳定欠稳定基本稳定稳定 3 岸坡各阶段稳定性评价 3.1 天然边坡 3.1.1 正常工况建模时，将粉细砂层中所夹圆砾层归为稍密粉路基工程 208 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）细砂层。模型边界根据郑颖人等的研究结论9-10进行扩展。岩土体物理力学参数通过试验资料并结合地区经验综合确定，见表 4。采用强度折减法11-14安全系数计算 Fs=1.401.20，属于稳定状态。正常工况下岸坡剪应变及位移、速度云图，见图 2。应力重分布计算完成后的位移是极小的，由于岸坡表层为粉细砂，在天然应力平衡前会产生少量的溜滑现象，最大位移 21.5 cm，最大速度 1.34E-7 m/s。从最大剪应变增量图中可以看到滑动可能性较小，但由于表层为稍密粉细砂，在降雨工况和施工开挖加荷作用下岸坡表层可能会发生局部滑塌。表4右侧岸坡岩土体物理力学参数岩土体密度/（gcm3）泊松比弹性模量/MPa黏聚力/kPa内摩擦角/（）正常工况稍密细砂1.730.3020132中密细砂1.850.3540133强风化凝灰岩2.090.29200005050暴雨工况稍密细砂1.940.3017229中密细砂2.000.3538231强风化凝灰岩2.090.29200005050 6.4329E090.0000E+001.0000E082.0000E083.0000E084.0000E085.0000E086.0000E087.0000E088.0000E089.0000E081.0000E071.1000E071.2000E071.3000E071.3442E072.2915E022.0000E020.0000E+002.0000E024.0000E026.0000E028.0000E021.0000E011.2000E011.4000E011.6000E011.8000E012.0000E012.1503E019.1366E039.0000E038.0000E037.0000E036.0000E035.0000E034.0000E033.0000E032.0000E031.0000E031.5443E07（a）速度（单位：m/s）（b）位移（单位：m）（c）最大剪应变增量图2正常工况下岸坡模型云图 3.1.2 暴雨工况砂性土浸润线作为隔水层，浸润线以上取有效强度指标，水土分算，浸润性以下取天然强度指标或进行适当折减。中风化凝灰岩孔隙较少，可看做不透水层。右侧岸坡暴雨工况安全系数计算Fs=1.311.10，为稳定状态。暴雨工况下岸坡位移、最大剪应变增量云图，见图 3。降雨入渗后，粉细砂渗透性较大，因此下渗线较低，且由于降雨后粉细砂产生了假粘聚力，抗剪强度反而提高，但随着降雨量增大和降雨时间变长，抗剪强度逐渐变小，在饱和状态达到最小。最大位移 24.9 cm，且剪应变贯通区域较小，但由于粉细砂的特殊性，虽然整体稳定性较高，考虑平台开挖处有发生局部溜滑现象的可能，因此需考虑放缓平台开挖坡率。（a）位移（单位：m）（b）最大剪应变增量3.2079E022.5000E020.0000E+002.5000E025.0000E027.5000E021.0000E011.2500E011.5000E011.7500E012.0000E012.2500E012.4940E019.7299E039.0000E038.0000E037.0000E036.0000E035.0000E034.0000E033.0000E032.0000E031.0000E031.1669E07图3暴雨工况下岸坡模型位移、最大剪应变增量云图 3.2#11、#12、