朱昌河大桥4号墩下边坡处理设计.doc
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1、朱昌河特大桥4号墩下边坡稳定性分析与加固处理设计隆然 曾照亮 徐宗苏摘要:朱昌河特大桥4号墩墩下边坡为结构复杂的岩质边坡,因施工发现贯通桩基础的张拉裂缝,须进行加固处理,本文采用块体理论分析、数值模拟分析和刚体极限平衡分析等方法对该边坡的稳定性进行了定性分析和定量计算,提出了相应的防治处理措施。可为同类工程借鉴。关键词:岩质边坡;地质模型概化;结构面参数;极限平衡分析;加固 朱昌河特大桥系跨朱昌河的特大型桥梁,为上瑞国道主干线(贵州境)镇宁至胜境关公路段的控制性工程,设计里程桩号K132+185.443K132+857.443。大桥为106+200+106预应力混凝土连续刚构桥,东引桥为350
2、预应力T型梁,西引桥为250预应力T型梁,4号主墩高137m,桥梁总长672m,大桥4号墩基础原设计为9根嵌岩桩,每根桩径2.50m, 桩长30m。2005年5月上旬,施工单位在4号主墩桩基础开挖过程中,发现一条张性裂缝横贯墩址区,立即引起总监办、高总司和我院的高度重视。我院多次派桥梁、地质专家到工地现场踏勘,为深入查明4号墩基础地质病害的现实状况,同时确保地质基础资料的准确性,采用综合地质勘察手段,分别委托原勘探单位进行大比例尺(1:500)工程地质补充调绘,贵州省桥梁岩土工程有限公司进行了补充钻探,委托桂林岩溶研究所采用跨孔电磁波透视CT层析成像扫描技术,查明灰岩裂隙破碎带在地下空间的分布
3、情况。通过综合地质勘察手段,基本查明朱昌河特大桥4号墩所在斜坡的地质状况。并于2005年6月13日就朱昌河特大桥4号墩边坡处理方案向贵州高速公路开发总公司做了专题汇报。形成初步处理方案如下:1、4号墩基础因存在以下二个因素,一是该墩1#、4#、7#桩位于临空面的边缘,为抗震抗剪不利地段;二是现目前桩端(标高1390.0m)至峡谷底(标高1353.4m)的坡度为25-28,大于岩石内摩擦角(=50)的一半,根据经验,加深桩长8-10m(外侧桩取大值,内侧桩取小值),使得桩端至峡谷底的坡度在20-21,小于岩石内摩擦角的二分之一,这样有利于桥墩的稳定性。2、因4号墩台区发育有一组不利的卸荷节理结构
4、面(由构造节理发展而成),在外加应力作用下,其发展趋势为潜在不稳定斜坡,为防止桩基被剪断,将提高桩基混凝土标号由C30调高至C40。 3、该桥墩的外部荷载(附加应力)在万吨以上,如采用一般桩基型式,应力主要扩散在上部0-20m较破碎的岩层上,这样对斜坡的稳定性较为不利。所以每根桩的上部18m(20m)在桩周护壁与桩之间隔上一层3mm左右厚的聚氟乙烯薄板材料,以减小桩周的摩阻力,并让承台悬空,使上部荷载全部直接通过9根嵌岩桩传入桩底。4、原则同意对4号墩基础下边坡采用锚索进行加固处理。为了确保工程进度,桩基础按本次会议纪要确定的方案进行开挖及浇筑施工。4号墩下边坡锚索加固方案须等具体设计出来后再
5、进行方案评审。由于变更处理费用偏高,后面两次汇报均超过500万元,在锚索数量上与高总司未能达成一致。要减少锚索的数量,就必须考虑4号墩桩基在容许变形范围内所能产生的抗滑力的大小,为做到心中有底,我院于2006年35月间委托长江科学院岩基研究所采用数值模拟分析方法对朱昌河特大桥4号主墩边坡进行了稳定性研究与加固设计,并于2006年5月22日向贵州高速公路开发总公司作了专门汇报,根据黔高总司纪要200661号文,对加固设计方案进行了修改、补充和完善。2地质模型概化与岩体力学参数2.1 地质概述桥位位于盘县英武镇软桥哨村和刘官镇梅子坑村两村镇交界处,北面500m处为国道320线。桥址区地形为深切“V
6、”型河谷,相对高差约241m。桥址位于旧普安向斜东部昂起端核部,单斜向南缓倾斜,断层构造不发育,地面裂隙纵横交错,呈网状发育,岩溶发育强烈,突出表现在溶隙和小溶孔及溶洞或落水洞等岩溶状态。地下水的赋存形式以层间水、孔隙水、裂隙水为主,水的补给源为大气降水,出露形式以泉点及分散型排泄于朱昌河。基岩为三叠系中统关岭组第一段、第二段(T2g1+2)灰岩、泥灰岩互层夹白云质灰岩、盐溶角砾。朱昌河特大桥4号墩基础地层岩性主要为中厚层状灰岩夹软质岩泥灰岩和钙质泥岩,岩层倾向165200,倾角6075,走向与坡面大角度相交,有利于斜坡的稳定。该墩地基岩溶强烈发育,主要为顺层溶隙、溶缝和垂直溶洞,多为无充填和
7、半充填,上部岩溶充填物以硬塑状的粘土为主,下部主要为软塑状的粘土。墩址区主要发育有三组节理裂隙,产状分别为63904565、3033101245和265285 5580。其中265285 5580裂隙组在标高13851395m段密度较大,倾角趋缓,为625,本组节理裂隙先期为构造剪切节理,隙面平直光滑,隙宽一般0.20.5cm,有铁钙质充填,后期在斜坡上部和浅部有重力拉张迹象,特点为裂隙面粗糙不平,溶蚀现象严重,隙宽一般16cm,局部隙宽达3040cm,大部分充填软塑或硬塑状的粘土或泥钙质,以半充填为主。由于这组节理裂隙倾向坡外且与坡向基本一致,在外力作用下形成潜在不稳定块体,对斜坡稳定性影响
8、较大。2.2 岩体力学参数根据有关岩石力学试验资料:灰岩天然单轴抗压强度45.682.8MPa,饱和单轴抗压强度28.869.8MPa,抗剪强度C=7.012.2 MPa、=43.247.2。泥灰岩天然单轴抗压强度24.039.6MPa,饱和单轴抗压强度15.527.4MPa,软化系数0.610.68,抗剪强度C=3.76.7 MPa、=40.845.6。泥质灰岩天然单轴抗压强度32.137.0MPa,饱和单轴抗压强度18.325.5MPa,软化系数0.700.86,抗剪强度C=4.908.2 MPa、=43.745.5。硅质灰岩天然单轴抗压强度49.165.8MPa,饱和单轴抗压强度26.7
9、48.0MPa,抗剪强度C=7.99.2 MPa、=42.646.2。盐溶角砾岩天然单轴抗压强度28.038.8MPa,饱和单轴抗压强度15.626.8MPa,抗剪强度C=4.28.9MPa、=41.244.4。按工程岩体分级标准(GB5021894)进行桥基工程岩体分级,微新、弱风化和强风化带岩体分别为上、中、下级,根据表c.0.1取岩体力学参数,列于表2.1。按公路路基设计规范JTGD30-2004表4.5.1进行底滑面参数取值,见表2.2。其他参数类比确定,见表2.3表2.5。表2.1 岩体力学参数取值单元体重度/KN/m3变形模量/GPa泊松比粘聚力/MPa摩擦系数摩擦角抗拉强度/MP
10、a强风化22.51.50.350.20.6310.05弱风化23.53.00.320.40.7350.1微 新24.56.00.300.60.838.70.2表2.2 底滑面参数取值单元体重度/KN/m3变形模量/GPa泊松比粘聚力/MPa摩擦系数摩擦角抗拉强度/MPa强风化19.50.30.420.050.32180弱风化20.50.50.410.070.42230微 新21.00.80.400.090.51270表2.3 桩周接触单元参数取值单元体重度/KN/m3变形模量/GPa泊松比粘聚力/MPa摩擦系数摩擦角抗拉强度/MPa强风化221.00.380.10.526.60.03弱风化23
11、2.00.350.30.6310.08微 新244.00.320.50.7350.15表2.4 软岩层面参数取值单元体重度/KN/m3变形模量/GPa泊松比粘聚力/MPa摩擦系数摩擦角抗拉强度/MPa强风化18.50.10.450.020.21120弱风化19.00.20.430.040.27150微 新19.50.30.420.050.32180表2.5 后缘拉裂面参数取值单元体重度/KN/m3变形模量/GPa泊松比粘聚力/MPa摩擦系数摩擦角抗拉强度/MPa强风化18.50.10.450.020.21120弱风化19.50.30.420.050.32180微 新20.50.50.410.0
12、70.422302.3 块体理论分析4号墩台斜坡坡向263,坡高约100m,顺坡向长约150m,坡角4550,墩台区结构面分布见图2.1,结构面对边坡的稳定性影响见表2.6,根据如图2.2所示结构面全空间赤平投影分析,结构面P2、CM、DM1与坡面(简化为2个平面,产状分别为24347.5和26347.5)切割形成块体,结构面锥000完全位于临空面形成的开挖锥内,因此与临空面可形成可移动块体,块体的滑动模式为沿CM、DM1的双面滑动,见图2.3。图2.1 墩台区结构面分布表2.6 结构面性质及其对边坡稳定性影响结构面产 状对稳定性影响评价163904560剪节理,硬性结构面,与坡面反向,影响相
13、对较小P22652855580张性节理,连通性好,以半充填为主,充填物为软塑粘土,产状与坡面基本一致,构成后缘拉裂面,对边坡稳定影响大。CM1652006075层间有泥化层,属软弱结构面,产状较为有利,但控制滑块的大小,对边坡稳定性影响较大。DM1265285625倾向坡外,在标高1385-1395m段,裂隙密度较大,倾角趋缓在625,构成底滑面,对斜坡稳定性影响较大。DM23033101245视倾向坡外,部分构成底滑面,对斜坡稳定性有影响。PM2432634045为自然坡面,边坡较陡,且下部有河流冲刷,是山体稳定的控制性因素之一。(b)失稳模式(a)结构面锥图2.2 结构面全空间赤平投影(a
14、)正视图 (b)侧视图图2.3 块体理论分析确定潜在不稳定块体2.4 数值模拟分析方法搜寻潜在破坏底滑面采用FLAC3D软件进行数值模拟分析,确定最大剪应变区(搜寻可能的滑动面),分别按下列二种模式进行分析:均质岩体,分别取底滑面参数、弱风化岩体参数和微新岩体参数;模拟开挖支护加载状况,取微新岩体参数。分析结果表明:潜在底滑面(可能的破坏面)主要分布在桩端上下附近部位,底滑面最大角度24.2。2.5 潜在破坏模式概化根据上述分析,综合考虑确定三种潜在破坏模式:(1)第一种潜在破坏模式:由于层面CM为陡倾角,概化时作为两侧切割面,概化模型简化为沿倾向坡面的缓倾角结构面单面滑动。倾向坡面的高倾角结
15、构面P2倾角大于坡角,构成后缘拉裂面,倾角取平均值68;倾向坡面的缓倾角结构面(625)平均倾角为16,考虑桥墩桩底高程与坡角位置(两者连线与水平面夹角为18),潜在破坏底滑面倾角取18(潜在破坏底滑面通过桩底时最大倾角)。(2)第二种潜在破坏模式:由于底滑面倾角越陡边坡稳定性越低,根据数值模拟分析方法搜寻潜在破坏底滑面结果,以及倾向坡面的缓倾角结构面最大倾角为25,潜在破坏底滑面倾角取25(切桩)。(3)第三种潜在破坏模式:岩层层面倾向165200(岩层走向与桥轴线近平行),倾角6075、第二组节理裂隙JM(3033101245)、第三组节理裂隙LM(265285 5580,后缘拉裂面)、坡
16、面SM组合形成潜在滑动块体(楔形块体),见图2.4。图2.4 楔形块体三维几何形状图3 刚体极限平衡计算分析朱昌河特大桥桥基础为一级边坡, 按公路路基设计规范JTGD30-2004,边坡稳定性安全系数正常工况取Kc=1.201.30,暴雨工况取Kc=1.101.20。边坡稳定性计算分析按规范考虑边坡可能的破坏形式,可按下列方法确定:规模较大的破碎结构岩质边坡和土质边坡宜采用简化Bishop法计算;对可能产生直线破坏的边坡采用平面滑动面解析法进行计算;对可能产生折线形破坏的边坡采用不平衡推力法计算;对结构复杂的岩质边坡,可配合采用赤平面投影法和实体比例投影法及楔形滑动面法进行计算;当边坡破坏机制
17、复杂时,宜结合数值分析方法进行分析。综合考虑大桥基础的有关地质条件和公路路基设计规范(JTGD30-2004)技术要求,考虑三种可能的滑动(底滑面倾角18、25和楔形块体滑动),分别采用三维极限平衡分析方法、推力传递法、理正推力传递法、理正复杂平面滑动分析和楔形块体稳定分析,计算自然边坡、自然边坡加桥载荷、暴雨条件自然边坡、暴雨条件加桥载荷等工况条件下的边坡稳定性安全系数。边坡稳定设计标准高值方案:当正常工况Kc未达到1.30,暴雨工况Kc未达到1.20时,计算满足要求所需要的加固力。边坡稳定设计标准低值方案:当正常工况Kc未达到1.20,暴雨工况Kc未达到1.10时,计算满足要求所需要的加固
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