黄龙溪大桥桥头边坡稳定性分析与工程治理

仇 明

(中国有色金属长沙勘察设计研究院有限公司，湖南 长沙 410117)

1 工程概况

黄龙溪大桥是G213线绥江至双河段公路上的一座桥梁，桥梁横跨黄龙溪，全长132.58 m，桥面宽9.5 m，黄龙溪大桥两岸桥台位于崩坡堆积体内，粉质黏土夹碎块石及少量崩石，稳定性差。黄龙溪大桥桥头预制梁场开挖，形成8～9 m高覆盖层，对下方路基和黄龙溪大桥的安全形成威胁。为避免滑坡的产生，需对黄龙溪大桥桥头边坡进行治理，治理方案见图1。

图1 黄龙溪大桥边坡治理布置图

2 黄龙溪大桥边坡治理方案

因崩塌堆积体较厚，为确保路基和黄龙溪大桥的使用安全，综合分析确定本工程的治理形式：上部主滑段采用格构锚索支护，中部抗滑段采用抗滑桩+锚索支护，底部采用浆砌片石铺砌。

2.1 格构锚索

格构梁采用C30混凝土，断面形式为矩形，尺寸为B×H=0.3 m×0.4 m，网格间距2.5 m×2.5 m，喷射混凝土采用C20混凝土，厚度100 mm；锚索采用4As15.2锚索，锚索总长22 m，锚固段长10 m，间距2.5 m×2.5 m，角度25°。

2.2 抗滑桩+锚索

抗滑桩采用C30混凝土，断面形式为矩形，尺寸为B×H=2.5 m×3.2 m，间距5 m，抗滑桩桩长30 m，嵌入中风化泥质粉砂岩不小于5 m；锚索采用20As15.2锚索，锚索总长37 m，锚固段长18 m，间距5 m，角度25°。

2.3 浆砌片石

M10浆砌片石铺砌厚40 cm，砂砾反滤层厚10 cm。

3 数值模拟分析

3.1 数值模型的建立

考虑到传统极限平衡法仅能计算边坡的稳定系数，不能直接计算出边坡的位移，且难以实现多种支护方式综合协同分析，本文采用MIDAS/Soilworks建立有限元模型，通过分析能直接计算出治理前后黄龙溪大桥墩台出岩土体位移的大小。模型边界长175 m，最大高度53 m，黄龙溪大桥边坡有限元模型如图2所示，计算采用的力学参数如表1所示。

图2 黄龙溪大桥边坡有限元模型

材料弹性模量E/GPa本构关系重度γ/(kN·m-3)内摩擦角φ/(°)黏聚力c/kPa泊松比ν粉质黏土0.05摩尔库伦19.618280.35强风化泥质粉砂岩0.5摩尔库伦21.528380.28中风化泥质粉砂岩2摩尔库伦23.5351200.22抗滑桩30弹性25.5———锚索200弹性78.5———

3.2 稳定安全系数对比分析

有限元强度折减法是一种弹塑性有限元分析方法，在计算安全系数时，将岩土体的强度参数降低，直到整个边坡达到濒临破坏的状态为止，即

c′=c/F; tanφ′=tanφ/F

(1)

式中：c、φ为岩土材料的黏聚力与内摩擦角；c′、φ′为经过折减后的黏聚力与内摩擦角；F为折减系数，濒临破坏时的折减系数即为边坡的安全系数。

通过有限强度折减法计算边坡治理前的安全系数F=1.1，治理后安全系数F=1.54。计算结果表明：进行加固，能确保黄龙溪大桥及边坡的整体稳定性。

3.3 岩土体位移对比分析

边坡位移的大小能反应边坡的稳定性，通过对比分析治理前后位移的大小，采取合理的治理手段，控制了岩土体的变形，有效避免了桥头潜在滑坡的激活。

图3 治理前边坡水平位移图

图4 治理后边坡水平位移图

黄龙溪大桥左岸桥头位于分级放坡坡顶处，并处于崩塌堆积体中，通过有限元数值分析，从图3可以看出，未治理前左岸桥头处(即坡顶)岩土体最大水平位移为43 mm，潜在滑动面在沿岩土交界处，滑坡体内部因土质较为均匀，局部呈现为圆弧状滑动趋势；从图4可以看出，上部主滑段采用格构锚索支护，因预应力锚索的加筋、锚固作用，改善了土体的力学特性，防止了“越顶”现象的发生，中部抗滑段采用“强桩弱锚”的桩锚支护形式，有效控制了边坡的位移。治理后左岸桥头处岩土体最大水平位移为17 mm，水平位移经治理后减少了60%，表明岩土体的位移得到了有效控制，确保了岩土体位移在安全允许范围之内。

3.4 抗滑桩安全性分析

通过对抗滑桩所受到的弯矩和水平位移进行分析，合理确定抗滑桩的截面尺寸和配筋大小，弯矩和水平位移结果见图5～6。

图5 抗滑桩弯矩图

图6 抗滑桩水平位移图

从图5～6可以看出，抗滑桩最大弯矩为21 682 kN·m，最大弯矩出现在岩土分界面处；抗滑桩水平向位移自上而下逐渐变小，滑动面以下桩体的位移较小，抗滑桩最大水平位移为13 mm，出现在抗滑桩桩顶处。通过对抗滑桩内力与位移的计算分析，表明支护结构受力合理，位移满足规范要求，结构安全可靠。

4 结论

采用数值模拟方法对黄龙溪大桥桥下边坡的稳定性进行对比分析，得出以下结论：

(1)桥下边坡治理前的安全系数F=1.1，治理后安全系数F=1.54，治理后边坡整体稳定。

(2)经“强桩弱锚”支护体系治理后岩土体最大水平位移为17 mm，水平位移减少了60%，上部格构锚索的加筋、锚固作用防止了“越顶”现象的发生，岩土体位移在安全范围之内。

(3)抗滑桩最大弯矩出现在岩土分界面处，最大位移为13 mm，抗滑桩桩顶水平位移最大，且自上而下逐渐变小，抗滑桩结构安全可靠。

(4)通过对岩土体的安全系数、位移和支护结构受力特征及变形大小的分析，认为黄龙溪大桥桥下边坡治理之后边坡稳定、桥梁结构使用安全。