構(gòu)造溶蝕裂隙發(fā)育橋基岸坡穩(wěn)定性分析

周 娟

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081)

0 引言

西部地區(qū)作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要引擎，已建和在建有大量關(guān)系國(guó)家國(guó)計(jì)民生的重大交通基礎(chǔ)設(shè)施，保障這些重大交通基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營(yíng)安全是國(guó)家安全與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大需求。貴州高原西部構(gòu)造活躍，河谷深切，在硬質(zhì)巖內(nèi)易形成高陡岸坡[1-6]。硬質(zhì)巖區(qū)域穩(wěn)定好，地形陡峭，強(qiáng)烈卸荷，岸坡淺表層改造劇烈，岸坡穩(wěn)定性問題突出，影響線路走向，控制橋梁跨徑和橋梁基礎(chǔ)設(shè)置[7-10]。

本文以某特大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，其橋位岸坡陡峻，地形條件復(fù)雜，構(gòu)造溶蝕裂隙以及其它不良地質(zhì)條件發(fā)育，使得橋基岸坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有一定的難度。在工程地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探等查明工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用有限元法對(duì)岸坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)岸坡巖體張節(jié)理發(fā)育情況和橋梁荷載作用下岸坡巖體的附加位移進(jìn)行數(shù)值分析，為橋梁設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

橋位地處貴州高原西部，跨越白水河，為某擬建國(guó)家高速公路控制性工程之一，有道路通至橋位，交通條件便利。初步設(shè)計(jì)階段推薦橋型為9×40T梁+1×340米鋼管混凝土桁架拱+3×40米T梁，全長(zhǎng)844m。橋區(qū)地貌類型屬溶蝕-構(gòu)造地貌單元，地面高程介于1355.5m～1725.2m之間，相對(duì)高差約369.7m。擬研究的小樁號(hào)岸坡高約220m，地形陡峭，坡度約50°～75°，局部為陡崖，崖口以上地形較為平坦，巖性為灰?guī)r，岸坡巖體受構(gòu)造溶蝕裂隙切割嚴(yán)重，淺層巖體松散破碎，縱坡為切向高陡巖質(zhì)邊坡，橫向受巖層傾向和河流切割形成長(zhǎng)大順層巖質(zhì)邊坡，傾向路線右側(cè)，前緣具有臨空條件。特大橋岸坡全貌見圖1所示。

圖1 橋梁岸坡全貌

1.2 工程地質(zhì)條件

岸坡上覆0～4m蓋黏土，基巖為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組第一段(T1yn1)灰?guī)r。場(chǎng)區(qū)無斷層通過，巖層單斜，局部存在褶曲變形，巖層產(chǎn)狀190°∠10°?；鶐r層面一般鈣質(zhì)膠結(jié)，結(jié)合程度一般。場(chǎng)區(qū)主要發(fā)育有2組節(jié)理，J1：80°∠75°，走向近平行于河谷，J2：173°∠70°，走向近垂直于河谷，節(jié)理張開度大于3mm，泥質(zhì)充填，結(jié)合程度差。

場(chǎng)區(qū)地震動(dòng)反應(yīng)頻譜特征周期為0.40s，地震動(dòng)峰值加速度值為0.05g，地震基本烈度為Ⅵ度。

1.3 水文地質(zhì)條件

白水河最高洪水位標(biāo)高為1370.0m，河水位遠(yuǎn)低于橋梁拱座結(jié)構(gòu)，對(duì)橋梁建設(shè)基本無影響。

場(chǎng)區(qū)地下水類型為第四系松散土層孔隙裂隙水、基巖風(fēng)化層裂隙水、巖溶裂隙水。地下水靠大氣降水補(bǔ)給，降水大部分以坡面流形式匯入橋位中部白水河河谷中排出場(chǎng)區(qū)，一部分下滲形成地下水沿巖體節(jié)理裂隙、巖層層面及溶蝕裂隙向地勢(shì)低洼處排泄。地下水受季節(jié)影響大，雨季基巖裂隙水、巖溶裂隙水較豐富，水量較大；枯水期補(bǔ)給差，水量相對(duì)較小。

1.4 構(gòu)造溶蝕裂隙帶及巖體完整性

卸荷裂隙、溶蝕卸荷裂隙等大型切割裂隙是硬巖、較硬巖體地區(qū)常見的地質(zhì)問題，對(duì)結(jié)構(gòu)物的安全影響較大。岸坡受河谷切割達(dá)220m，切割深度較大，卸荷裂隙等大型切割裂隙是控制岸坡穩(wěn)定性及橋梁跨徑的關(guān)鍵因素。受構(gòu)造及溶蝕雙重作用，橋基岸坡陡崖一帶巖體構(gòu)造溶蝕卸荷裂隙發(fā)育，切割嚴(yán)重，大多切穿巖層層面。尤其平行于河谷走向延伸的構(gòu)造溶蝕裂隙J1極發(fā)育，且延伸較遠(yuǎn)。根據(jù)槽探、鉆孔電視、物探、鉆探等綜合揭示，裂隙發(fā)育寬度0.5～1.2m，間距1～2m，發(fā)育深度40～60m。

岸坡巖體由于受深大溶蝕構(gòu)造裂隙切割，淺層巖體松散破碎，完整性差，對(duì)岸坡穩(wěn)定性帶來不利，在荷載、施工擾動(dòng)等不利條件下，岸坡巖體易垮塌失穩(wěn)。遠(yuǎn)離溶蝕卸荷裂隙帶，強(qiáng)風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈碎塊狀、少量短柱狀，巖體破碎，中風(fēng)化巖體節(jié)理發(fā)育～不發(fā)育，巖芯呈柱狀、少量短柱狀及塊狀，中風(fēng)化巖體較破碎～較完整。

2 岸坡穩(wěn)定性分析

2.1 穩(wěn)定性工程地質(zhì)分析

岸坡巖層傾角較緩，層面抗剪強(qiáng)度大于傾角，不會(huì)發(fā)生順層滑移破壞，潛在失穩(wěn)破壞模式為拉裂—崩塌，拱座距離橫向順層邊坡拉裂變形帶距離約280m，橫向順層岸坡穩(wěn)定性不控制橋梁方案。

縱向岸坡為切向坡，未發(fā)育不利結(jié)構(gòu)面及組合，受構(gòu)造溶蝕作用影響，陡崖前緣為構(gòu)造溶蝕裂隙帶，巖體破碎、完整性差，控制岸坡穩(wěn)定性及橋梁跨徑。

2.2 穩(wěn)定性計(jì)算

針對(duì)岸坡潛在失穩(wěn)破壞的特點(diǎn)，考慮邊坡沿橋軸線方向潛在的破壞模式，采用有限元法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。計(jì)算斷面如圖2所示。

圖2 岸坡穩(wěn)定性計(jì)算剖面圖

2.2.1 計(jì)算荷載及工況

穩(wěn)定性計(jì)算考慮的荷載主要包括巖體自重、橋梁荷載等。拱橋荷載主要包括豎向力和水平力，拱底豎向力124000t，拱背水平力48000 t，簡(jiǎn)化為面荷載作用于拱座基礎(chǔ)上，單寬豎向力4470 t，單位寬度水平力1730t。計(jì)算工況包括正常工況(工況1、工況2)、暴雨工況(工況3)和地震工況(工況4)，對(duì)應(yīng)的安全控制標(biāo)準(zhǔn)分別為1.35、1.20及1.10。

2.2.2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

計(jì)算參數(shù)采用規(guī)范推薦值、室內(nèi)試驗(yàn)成果相結(jié)合的方式，并綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)情況進(jìn)行確定。正常工況采用天然巖土體物理力學(xué)參數(shù)，暴雨工況采用飽和巖土體物理力學(xué)參數(shù)，巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)取值

2.2.3 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

岸坡整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如表2所示，計(jì)算結(jié)果表明縱向岸坡整體穩(wěn)定性均滿足安全控制標(biāo)準(zhǔn)，且具有一定的安全儲(chǔ)備。

表2 岸坡整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

局部穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如表3所示。計(jì)算結(jié)果表明構(gòu)造溶蝕裂隙帶局部穩(wěn)定性滿足安全控制標(biāo)準(zhǔn)。

表3 納雍岸局部穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

3 數(shù)值分析

3.1 張節(jié)理分布

采用離散元法對(duì)岸坡張節(jié)理分布進(jìn)行數(shù)值模擬，分析岸坡自重和橋梁荷載作用下張節(jié)理發(fā)育特征。計(jì)算得岸坡自重條件下張節(jié)理分布見圖3。由圖可知，坡腳到陡崖坡頂張節(jié)理很發(fā)育，張開的結(jié)構(gòu)面發(fā)育深度約0～60m，這部分張開的結(jié)構(gòu)面在風(fēng)化、溶蝕等作用下可能進(jìn)一步演化導(dǎo)致巖體崩塌。

橋梁荷載作用下，張開結(jié)構(gòu)面分布在岸坡前緣陡崖斜坡段，形成卸荷裂隙帶，如圖4所示，張開的結(jié)構(gòu)面發(fā)育深度約0～40m，受張開的結(jié)構(gòu)面切割巖體，靠近陡崖的局部區(qū)域巖體發(fā)生錯(cuò)落式失穩(wěn)或與母巖分離，但均為小規(guī)模漸進(jìn)式的破壞，不能形成大規(guī)模連續(xù)的滑面。拱座位置施工開挖可消除裂隙帶對(duì)拱座的影響。

圖3 自重作用下張節(jié)理分布圖 圖4 橋梁荷載作用下張節(jié)理分布特征

3.2 橋梁荷載作用下附加位移

利用midas GTS-NX分析橋梁荷載作用下岸坡附加位移變形情況，判斷岸坡巖體是否可能因大變形而產(chǎn)生破壞。計(jì)算時(shí)簡(jiǎn)化為平面二維應(yīng)變問題，巖土體采用莫爾-庫(kù)倫模型，拱座采用線彈性模型。計(jì)算得拱座下部基巖在橋梁結(jié)構(gòu)荷載作用下最大位移為1.27mm，岸坡不會(huì)因?yàn)榇笞冃味l(fā)生破壞。

4 結(jié)論

通過對(duì)某特大橋小樁號(hào)岸坡穩(wěn)定性研究，得出以下結(jié)論：

(1)橫向順層岸坡巖層面抗剪強(qiáng)度高于傾角，不會(huì)發(fā)生順層滑動(dòng)。

(2)縱坡整體穩(wěn)定性及構(gòu)造溶蝕裂隙帶局部穩(wěn)定性均滿足安全控制標(biāo)準(zhǔn)，拱座已完全避開構(gòu)造溶蝕裂隙帶，拱座位置處岸坡穩(wěn)定性具有較高的安全儲(chǔ)備。

(3)橋梁荷載作用下附加位移為毫米級(jí)，岸坡不會(huì)因橋梁荷載作用發(fā)生大變形而破壞。