不良地質(zhì)體上防護(hù)結(jié)構(gòu)變形對(duì)橋墩基礎(chǔ)影響的工程試驗(yàn)方案探討

陳福 張玉芳 付國成 李健 李偉 李嘉明 黃啟迪 王劍非

1.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理中心，北京 100844；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；3.成蘭鐵路有限責(zé)任公司，成都 610000；4.云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司，昆明 650000

目前的鐵路設(shè)計(jì)大多分專業(yè)進(jìn)行。路基專業(yè)抗滑支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的是確保高陡邊坡的穩(wěn)定性滿足相關(guān)要求；橋梁專業(yè)墩臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［1］的主要目的在于確保橋梁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)可承受的豎向荷載滿足相關(guān)要求。成蘭鐵路（成都—蘭州）工程試驗(yàn)段位于四川西北部的躍龍門、岷江、秦嶺三大斷裂帶，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，地震烈度高，滑坡、巖堆等不良地質(zhì)發(fā)育。受地形地質(zhì)、綜合選線等條件的限制，成蘭鐵路大量的橋梁墩臺(tái)不可避免地位于滑坡、巖堆等不良地質(zhì)體坡腳。在極端降雨、高烈度地震、錨索失效及各種復(fù)合工況下，不良地質(zhì)體出現(xiàn)失穩(wěn)時(shí)，須確定支擋結(jié)構(gòu)能否承受、橋梁結(jié)構(gòu)受力變形是否威脅運(yùn)營安全。對(duì)于此類問題的研究，傳統(tǒng)理論計(jì)算多是基于簡單的力學(xué)模型、數(shù)值計(jì)算等方法，其結(jié)構(gòu)受參數(shù)選取影響較大。室內(nèi)試驗(yàn)、相似試驗(yàn)等不可避免存在尺寸效應(yīng)。因此，開展現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)對(duì)于研究此類問題尤為重要。由于現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)存在平臺(tái)搭建不可逆、試驗(yàn)過程不可重復(fù)的特殊性，最終實(shí)施方案的確定對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的實(shí)施非常重要。

本文基于研究支擋結(jié)構(gòu)變形對(duì)橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生的影響而開展現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)，并從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)雙優(yōu)化角度確定最終的實(shí)施方案。

1 工程試驗(yàn)概況

為確保鐵路工程建設(shè)和運(yùn)營安全，針對(duì)工程設(shè)計(jì)中可能存在的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)開展工程試驗(yàn)，驗(yàn)證是否滿足相關(guān)規(guī)范要求。以成蘭鐵路鎮(zhèn)江關(guān)江特大橋1#滑坡體區(qū)域內(nèi)的橋墩設(shè)計(jì)為依托，通過定量測(cè)試手段，驗(yàn)證邊坡支擋結(jié)構(gòu)在最不利工況下鄰近橋隧結(jié)構(gòu)的受力變形是否超限，進(jìn)一步針對(duì)滑坡-抗滑樁-橋梁結(jié)構(gòu)組合體系中三者之間的相互作用機(jī)理［2-5］展開研究，為需要多專業(yè)綜合考慮的設(shè)計(jì)提供依據(jù)并填補(bǔ)該領(lǐng)域研究空白。本試驗(yàn)通過進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)受力與變形特性現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)，驗(yàn)證支擋防護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形對(duì)橋隧結(jié)構(gòu)的影響，檢驗(yàn)抗滑樁自身變形對(duì)凈距2 m的橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生的受力變形是否在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。試驗(yàn)在模型比例、設(shè)計(jì)思路、試驗(yàn)地點(diǎn)選擇等方面都存在諸多變數(shù)，工程試驗(yàn)如何做到貼近實(shí)際、經(jīng)濟(jì)可行、數(shù)據(jù)直觀是本文探討的主要問題。

2 方案一

2.1 試驗(yàn)方法和內(nèi)容

進(jìn)行1∶5大比例物理模型試驗(yàn)，通過人力加載模擬斜坡巖土對(duì)抗滑結(jié)構(gòu)的作用，研究抗滑結(jié)構(gòu)和橋隧結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)理，提出支擋工程和橋隧結(jié)構(gòu)的合理間距及位移控制方法。在大比例物理模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)，按設(shè)計(jì)尺寸修建橋隧與抗滑樁，開展現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)，通過人造滑坡，驗(yàn)證滑坡、抗滑結(jié)構(gòu)和橋隧結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)理。

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)

2.2.1 大比例物理模型試驗(yàn)

以成蘭鐵路鎮(zhèn)江關(guān)特大橋1#滑坡體區(qū)域內(nèi)的7#墩設(shè)計(jì)斷面為試驗(yàn)原型，構(gòu)建模型試驗(yàn)槽，設(shè)計(jì)3組比例尺為1∶5的大比例物理模型試驗(yàn)，其抗滑樁與承臺(tái)實(shí)際間距分別為2、6、9 m，在不同工況下依次開展相互作用試驗(yàn)。試驗(yàn)整體結(jié)構(gòu)由模型試驗(yàn)槽、橋梁及抗滑樁結(jié)構(gòu)模型、加載系統(tǒng)、槽內(nèi)巖土體模型材料及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)5部分組成。通過對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變、巖土體位移、土壓力、彈性抗力系數(shù)等一系列測(cè)試，分析支擋工程和橋隧結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)理。1∶5模型試驗(yàn)斷面和平面如圖1所示。

圖1 1∶5模型試驗(yàn)方案示意

第1組試驗(yàn)完畢后，將該模型試驗(yàn)槽進(jìn)行開挖，再按照不同間距分別進(jìn)行第2組和第3組試驗(yàn)。

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)

在大比例物理模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，實(shí)施1組比例尺為1∶1的足尺模擬試驗(yàn)。以7#墩設(shè)計(jì)為試驗(yàn)原型，開槽建造滑坡、抗滑樁和橋梁承臺(tái)基礎(chǔ)，人為干預(yù)使滑坡失穩(wěn)，測(cè)試結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力和變形等。通過地質(zhì)勘察探明滑坡界面形態(tài)。試驗(yàn)實(shí)施過程為：

試驗(yàn)場(chǎng)地選擇→試驗(yàn)槽開挖→按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行抗滑樁、橋梁樁基和承臺(tái)的實(shí)體工程施工→滑床及坑壁施工→滑帶及滑體填筑→監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)→樁前土體開挖（形成臨空面，誘導(dǎo)滑坡體沿滑床下滑）→滑帶注水（誘導(dǎo)滑面以上滑坡體整體下滑）→滑體堆載，在滑體中上部進(jìn)行逐級(jí)加載，直至達(dá)到破壞狀態(tài)→內(nèi)業(yè)整理。

足尺試驗(yàn)斷面和平面如圖2所示。

圖2 足尺試驗(yàn)方案示意

2.3 方案分析

大比例物理模型試驗(yàn)對(duì)于探索滑坡體內(nèi)支擋結(jié)構(gòu)與橋梁基礎(chǔ)不同間距的變形影響規(guī)律很有必要，但由于比例模數(shù)的差異影響，偏離工程試驗(yàn)的驗(yàn)證主體，更適合定性研究，需要調(diào)整優(yōu)化?，F(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)?zāi)康拿鞔_，但該試驗(yàn)滑床設(shè)計(jì)過于理想化，與天然狀況出入較大，需要改進(jìn)優(yōu)化。

3 方案二

針對(duì)支擋結(jié)構(gòu)與橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)已經(jīng)定型并實(shí)施的現(xiàn)狀，放棄研究凈距變化影響規(guī)律的大比例模型試驗(yàn)，變更為改進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿嗝婧推矫嫒鐖D3所示。

圖3 方案二試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽?/p>

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)

通過地質(zhì)勘探進(jìn)一步查明滑坡狀態(tài)，細(xì)化滑床的仿真設(shè)計(jì)，由單一坡度改為現(xiàn)場(chǎng)勘察界面坡度。實(shí)施過程為：①在試驗(yàn)場(chǎng)地開挖試驗(yàn)邊坡，長35.0 m，寬14.8 m，高20.0 m。②筑造水泥砂漿滑床，鋪設(shè)黏土滑帶并埋設(shè)注水管。③回填試驗(yàn)邊坡土體，并對(duì)試驗(yàn)邊坡兩側(cè)進(jìn)行支擋加固。④根據(jù)試驗(yàn)斷面設(shè)計(jì)，按照1∶1比例尺施作橋梁樁基、承臺(tái)及抗滑樁，同步埋設(shè)相應(yīng)的傳感器測(cè)試元器件，構(gòu)建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.2 試驗(yàn)加載過程

首先通過開挖滑坡體坡腳土體誘導(dǎo)滑坡體滑移，再通過在抗滑樁后分層填土進(jìn)行加載，最后通過預(yù)埋在滑帶中的注水管進(jìn)一步誘導(dǎo)滑面滑移，直至抗滑樁發(fā)生較大變形或破壞。

3.3 方案分析

方案二舍棄大比例物理模型試驗(yàn)。改進(jìn)了足尺試驗(yàn)?zāi)M工程滑坡的細(xì)節(jié)，使試驗(yàn)工況更加貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。不足之處在于，試驗(yàn)取得的是一次性結(jié)果，具有一定的偶然性，對(duì)其他工點(diǎn)的指導(dǎo)性存在局限，而且廢棄工程量較大，投入產(chǎn)出比不佳。

4 方案三

考慮增加試驗(yàn)工況的可行性，同時(shí)減小廢棄工程量，再次優(yōu)化形成試驗(yàn)方案三。方案三利用反力裝置替代人造滑坡，對(duì)抗滑樁施加推力，根據(jù)計(jì)算模擬不同滑坡狀態(tài)推力，由小到大測(cè)試對(duì)應(yīng)結(jié)果，直到樁體破壞。

4.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)

該模型由四部分組成。①測(cè)試工程：包括1個(gè)橋墩基礎(chǔ)和對(duì)應(yīng)的3根抗滑樁。②反力裝置：對(duì)3根抗滑樁各施作1堵反力墻，提供頂推力。③加載系統(tǒng)：試驗(yàn)槽、千斤頂、承壓板、內(nèi)腳手架等。④測(cè)試系統(tǒng)：鋼筋計(jì)、土壓力計(jì)、全站儀、百分表等。

該試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿嗝婧推矫嫒鐖D4所示。

圖4 方案三試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽?/p>

4.2 試驗(yàn)加載過程

千斤頂采用分級(jí)加載方式，每級(jí)待讀數(shù)穩(wěn)定再進(jìn)行下一級(jí)加載。加載過程中定時(shí)讀取各傳感器讀數(shù)。

4.3 方案分析

利用反力裝置替代人造滑坡，除能降低工程費(fèi)用以外，更重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)多級(jí)加載頂推，模擬不同滑坡工況對(duì)工程的影響。對(duì)比方案二的一次性破壞數(shù)據(jù)，該方案得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更多，對(duì)其他工點(diǎn)更具參考價(jià)值。

試驗(yàn)結(jié)構(gòu)在原裝土中施作，相對(duì)于人造滑坡土體更接近于工程實(shí)際，進(jìn)一步增加測(cè)試數(shù)據(jù)的可信程度。不足之處在于，試驗(yàn)中存在諸多不確定因素。模擬滑坡推力巨大，千斤頂選型配置存在難度；難以準(zhǔn)確計(jì)算反力墻能否提供足夠的反力及在巨大推力作用下的位移，影響千斤頂作用及試驗(yàn)成敗。

5 方案四

針對(duì)方案三中的不確定因素，再次對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。考察施工現(xiàn)場(chǎng)，試驗(yàn)位置選在了實(shí)體工程8#墩與9#墩之間，在不影響現(xiàn)場(chǎng)已建實(shí)體工程的情況下實(shí)現(xiàn)了地層巖性的一致，建立了與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體一致的結(jié)構(gòu)。

5.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)由3部分組成，分別為現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)、大噸位伺服千斤頂加載系統(tǒng)、多功能綜合測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿嗝婧推矫嫒鐖D5所示。

圖5 方案四模型示意

1）現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)

包括抗滑樁、加載墻、橋梁樁基和承臺(tái)等，其中抗滑樁為設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體樁，作為反力裝置；加載墻模擬抗滑樁作為傳遞力的結(jié)構(gòu)。以上結(jié)構(gòu)尺寸按照設(shè)計(jì)尺寸構(gòu)建，鉆孔樁深度可根據(jù)施工地質(zhì)情況進(jìn)一步優(yōu)化。

2）大噸位伺服千斤頂加載系統(tǒng)

由高精度液壓伺服同步控制系統(tǒng)、特制千斤頂、位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等構(gòu)成，其中同步控制系統(tǒng)位移精度可達(dá)到0.1 mm，特制千斤頂連續(xù)加載最大行程為50 cm。

3）多功能綜合測(cè)試系統(tǒng)

由地表位移、深部位移、加載槽變形、壓力計(jì)、鋼筋計(jì)等組成，全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加載過程中橋梁結(jié)構(gòu)及周邊巖土體的受力與變形特征。

5.2 加載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

5.2.1 施加位移參數(shù)選擇

以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體工程抗滑樁和橋梁結(jié)構(gòu)所在斷面作為試驗(yàn)的原斷面，以試驗(yàn)平臺(tái)作為試驗(yàn)斷面，通過FLAC 3D模擬原斷面抗滑樁在各種極端不利工況下的位移，加載墻布置千斤頂同等深度處抗滑樁的位移作為試驗(yàn)斷面設(shè)計(jì)的施加位移，從而實(shí)現(xiàn)通過試驗(yàn)斷面來模擬原斷面中結(jié)構(gòu)的受力和變形情況。其中極端不利工況［6-8］包括：極端降雨、高烈度地震、錨索失效、極端降雨+高烈度地震+錨索失效等。

不利工況下原型斷面數(shù)值模擬分析模型（圖6）采用摩爾庫倫準(zhǔn)則，抗滑樁、橋墩采用實(shí)體單元模擬，錨索采用cableSELs模擬，承臺(tái)采用shellSELs模擬，橋樁采用pileSELs模擬，橋樁從山側(cè)到河側(cè)分別為樁1—樁4，承臺(tái)和橋樁之間采用剛性連接。

圖6 數(shù)值模擬分析模型

在試驗(yàn)斷面加載槽內(nèi)布置5排（每排9臺(tái)）千斤頂，每排千斤頂?shù)陌惭b深度距離加載墻頂?shù)木嚯x自上而下分別為0.6、2.3、4.0、5.7、7.4 m。提取抗滑樁對(duì)應(yīng)試驗(yàn)斷面中加載墻5排千斤頂同等深度處的位移，見表1。以此位移值作為試驗(yàn)加載步的設(shè)計(jì)位移值，并在工況之間進(jìn)行插值以便獲取更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 試驗(yàn)加載步設(shè)計(jì)位移值

5.2.2 相關(guān)規(guī)范限值

1）抗滑樁樁頂位移限值

考慮抗滑樁河側(cè)2 m設(shè)有橋梁承臺(tái)，根據(jù)TB10025—2006《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于樁板墻頂位移的控制要求，該工點(diǎn)處的抗滑樁樁頂位移限值即樁板墻頂位移應(yīng)小于樁懸臂端長度的1∕100，且不大于10 cm。因此，抗滑樁樁頂位移宜小于10 cm。

2）橋梁承臺(tái)結(jié)構(gòu)位移限值

根據(jù)TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，設(shè)計(jì)時(shí)速200 km及以上鐵路梁端水平折角不應(yīng)大于1.0‰rad［6］。依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算，本工程橋梁（橋跨布置為32 m+32 m）墩頂橫橋向水平位移限值為16.35 mm，橋梁承臺(tái)允許的最大橫向位移為15.54 mm。

5.3 試驗(yàn)實(shí)施過程

試驗(yàn)實(shí)施過程主要包括：試驗(yàn)場(chǎng)地安全防護(hù)等準(zhǔn)備工作、加載空間開挖與加載墻澆筑、加載系統(tǒng)設(shè)置、橋梁承臺(tái)鉆孔樁及漿砌片石施工、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)、試驗(yàn)加載過程、試驗(yàn)卸載過程、內(nèi)業(yè)分析與整理及后續(xù)理論分析等工作。

5.4 方案分析

用位移參數(shù)控制試驗(yàn)過程的構(gòu)想，相比用推力控制方案更加切合試驗(yàn)?zāi)康?，即?yàn)證抗滑樁產(chǎn)生的位移對(duì)橋墩承臺(tái)造成的影響。本試驗(yàn)方案可實(shí)現(xiàn)測(cè)試多種不利工況下的結(jié)構(gòu)受力變形特性，為工程設(shè)計(jì)提供參考。在原斷面附近位置搭建試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)條件上盡可能保持一致的目的，增加試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。用工程樁作為反力裝置，加載方向不會(huì)對(duì)樁體產(chǎn)生不利影響，進(jìn)一步減少了廢棄工程量。為使試驗(yàn)結(jié)果更加切合實(shí)際，需要在試驗(yàn)邊界條件方面采取有效措施減小邊界影響。為使試驗(yàn)結(jié)果更有參考價(jià)值，施加位移控制參數(shù)的選取除考慮相關(guān)規(guī)范指定數(shù)值外，還要考察樁體最大懸臂情況下理論計(jì)算、參數(shù)取值，確保工程安全。

6 結(jié)語

1）試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化，是開展工程試驗(yàn)工作的最關(guān)鍵一步，關(guān)系到整個(gè)試驗(yàn)工作的方向乃至成敗。成功的試驗(yàn)方案必須目標(biāo)明確、思路清晰、操作性強(qiáng)，還要注重經(jīng)濟(jì)比選和成果價(jià)值。

2）試驗(yàn)要注意的是要正確理解工程試驗(yàn)的驗(yàn)證主體。本工程試驗(yàn)是在工程設(shè)計(jì)已經(jīng)完成的情況下開展，因此在形成方案二時(shí)，舍棄方案一中進(jìn)行多種間距的模型試驗(yàn)內(nèi)容，針對(duì)設(shè)計(jì)中的最小間距2 m開展工程試驗(yàn)。

3）試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思路要清楚地貫徹工作意圖，力求簡捷直觀。本試驗(yàn)就是要摸清滑坡體內(nèi)抗滑樁位移對(duì)鄰近2 m橋墩基礎(chǔ)的影響。從方案一假設(shè)滑坡，到方案二模擬工點(diǎn)滑坡，再到方案三頂推抗滑樁，直到最后直接施加位移，意圖越來越明確，結(jié)構(gòu)越來越簡單，費(fèi)用越來越節(jié)省。

4）工程試驗(yàn)?zāi)M實(shí)體工程，材料和工況選擇最為接近工程實(shí)際。本試驗(yàn)從方案一、二的人造滑坡，到方案三的現(xiàn)場(chǎng)選址模型頂推，再到臨近工程原型試驗(yàn)，逐漸優(yōu)化貼近工程實(shí)體。

5）選取試驗(yàn)參數(shù)時(shí)，要力求試驗(yàn)結(jié)果更有價(jià)值。方案二只能取得一組數(shù)據(jù)，偶然性和特殊性難以定論；方案三可以給出多種推力工況，但樁體固定，位移情況受到限制；方案四可以試驗(yàn)多種樁長及工況可能產(chǎn)生的位移情況，可取得更多組數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)其他工點(diǎn)也具有參考價(jià)值。