高陡邊坡橋臺穩定性分析及處治

李曉旭

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

山嶺重丘區建設高速公路，橫跨較大沖溝時，通常以橋梁形式通過。為減小橋梁規模，節約工程投資，高速公路在設計選線后，通常將橋梁及橋頭側挖方段設置為單坡，導致挖方段排水只能通過橋臺邊坡排至溝底。由于排水斷面不足或排水設施施工質量較差帶來較多病害。臨縣至離石高速公路棗林互通1號橋3號臺高陡邊坡受雨水沖刷，橋臺側壁土體不斷坍塌，存在安全隱患，本文分析了邊坡的穩定性，提出了對邊坡的處治措施，為日后類似的高陡邊坡處治設計、施工提供一定的參考依據。

1 工程概況

臨縣至離石高速公路棗林互通1號橋位于棗林收費站臨縣方向的E匝道與主線銜接處，整座橋梁跨沖溝而過，橋下凈高約30～50 m，橋位左側為陶家莊2號主線橋，橋位右側臨近棗林溝河道，橋面與河床高差約65 m。橋址位于黃土覆蓋基巖山區，微地貌為黃土沖溝、陡坎、斜坡及基巖斜坡、陡坎，地勢起伏較大，溝底基巖出露。地層主要由第四系全新統（Q3）黃土（粉土）、中更新統（Q2）黃土（粉土、粉質黏土）、太古界奧家灘組（Ar2a）花崗片麻巖構成。

a）Q3地層巖性為黃土（粉土），黃褐色，稍密結構，稍濕狀態，厚3.0～6.0 m。

b）Q2地層巖性為黃土（粉土、粉質黏土），黃土（粉土）為褐黃色，中密結構，稍濕-濕狀態；黃土（粉質黏土），褐紅色，硬塑狀態，厚16.0～20.0 m。

c）Ar2a地層巖性為花崗片麻巖，強-中風化，肉紅色，強風化層厚約2.0～6.5 m，巖芯較破碎，中風化層巖芯呈5～10 cm短柱狀，粒狀變晶結構，塊狀構造，厚30～45 m。

連年雨水沖刷造成3號臺臺前土壁較薄（左幅2 m，右幅1 m），黃土溝壁臨空面坡較陡，坡率為1∶0.6～1∶0.65，落差較大，約65 m，隨時有被雨水沖垮、塌落的危險，影響橋臺樁基，且橋梁上游由于堆放棄渣對橋梁存在安全隱患。

圖1 3號橋臺高陡邊坡水毀全貌

圖2 3號橋臺側邊坡

2 邊坡水毀成因分析

a）地質條件 橋臺邊坡地層上覆第四系Q3、Q2黃土，垂直、柱狀節理較發育，易受大氣降水的沖蝕而滑塌，易產生落水洞。3號臺側壁邊坡不斷發生坍塌，在橋臺底發現落水洞。

b）地形條件 橋位位于棗林溝河道側以上，地形呈陡坡狀，橋臺路基設計標高1 158.94 m，河道原地面標高1 094.00～1 096.43m，高差64 m。由于地形較陡，橋頭邊坡急流槽極難施工至坡腳，導致橋頭挖方路基邊溝匯水通過3號橋臺側邊坡流出，易對邊坡產生沖刷。

c）降雨條件 2016年臨縣降雨量為70年一遇，降雨量較大，加快了對3號橋臺邊坡的沖刷導致不斷坍塌。

3 邊坡處治設計

特殊的地形、地質以及降雨條件造成3號橋臺邊坡持續沖刷，影響邊坡穩定性及橋臺安全，經過地質勘察及分析論證，高陡邊坡為欠穩定狀態。

由于現狀溝壁及橋臺外側自然邊坡較陡，需將下游及溝口回填，同時應避免壓占河道。錨拉式樁板墻為新型的邊坡加固結構，代替高大的重力式擋墻具有良好的加固效果[1]，造價相對較低。為了保證邊坡穩定及橋臺安全，對邊坡采用錨拉式樁板墻支擋，加筋路堤回填土方反壓邊坡，橋下虛填土灰土擠密樁處理，坡面護坡防護，并完善綜合排水系統。

具體方案為下游溝口設置錨拉式樁板式擋土墻，布設長度90 m，設計參數見表1。對橋臺外側邊坡拓寬5 m回填土反壓，邊坡坡率1∶1.5，樁頂以上20.0 m處設2.0 m寬平臺，同時在樁頂以上20.0 m范圍，每2.0 m鋪設一層土工格柵與原地面結合部采用倒坡為4%的2.0 m臺階搭接，樁板墻墻背采用砂礫回填，砂礫回填至樁頂以上2.0 m的位置，以上部分采用橋梁上游堆放虛渣回填。對1號和2號橋墩范圍內的虛填土采用擠密處理，坡面采用護坡+拱形骨架+植草綠化防護，坡頂砂礫部分邊坡采用護坡防護，以上采用拱形骨架+植草綠化防護，平臺、坡面設置排水溝、急流槽等設施完善綜合排水系統。

表1 錨拉式樁板墻設計參數

高陡邊坡處治平面設計圖見圖3，高陡邊坡處治斷面設計圖見圖4。

圖3 高陡邊坡處治平面設計圖

圖4 高陡邊坡處治斷面設計圖

4 邊坡穩定性分析

4.1 有限元計算模型的建立及計算

基于強度折減法原理[2-3］，利用Plaxis有限元軟件，根據工程地質實際按照平面應變問題建立邊坡的計算模型，模擬分析邊坡處治前后穩定性，并檢驗邊坡處治效果。

選取邊坡主方向及地質勘察資料建立有限元模型。邊坡高度60 m，水平距離153 m，共3層，巖層1為粉土層，厚度3～6 m，巖層2為粉質黏土層，厚度16～20 m，巖層3為花崗片麻巖，厚度54～60 m。

采用理想彈塑性模型，莫爾-庫倫準則，樁板墻采用板單元模擬，與土體之間作用采用界面單元模擬，錨索自由端采用點對點錨桿單元模擬，錨固段及土層之間土工格柵采用土工格柵單元模擬，土模型邊界下部為固定邊界，兩側為水平約束，上部為自由邊界。有限元計算模型網格劃分示意圖見圖5。

圖5 有限元計算模型網格劃分示意圖

根據巖層出露情況，原位測試結果及室內土工試驗成果，邊坡巖體物理力學參數如表2所示。

表2 巖體物理力學參數表

4.2 有限元計算結果分析及評價

自重應力作用下的邊坡最大主應力等值線如圖6所示，從圖中可知，應力值隨著深度的增大而增大，分布從上到下由疏到密，應力集中現象位于邊坡變化點處，但不明顯。

圖6 自重應力作用下的邊坡最大主應力等值線

邊坡處治后邊坡最大主應力等值線及位移云圖如圖7所示，從圖中可知，邊坡處治后導致邊坡最大主應力重新分布，應力集中區域主要位于錨拉式樁板墻與地面相交處。位移最大值出現在土工格柵以上邊坡坡面，最大值為5.6 cm，而原邊坡位移量明顯減小，說明邊坡坡面采用回填土反壓對原邊坡治理有效，同時鋪筑土工格柵部分土體位移明顯小于未鋪筑土工格柵部分，說明鋪筑土工格柵對減小填土沉降有顯著作用。同時，從錨拉式樁板墻內力計算彎矩為零點及剪力最大值出現在地面偏下處，驗證了下滑力作用在錨拉式樁板墻受荷載段，通過錨固段傳遞至基巖的加固機理。

圖7 邊坡處治后邊坡最大主應力等值線及位移云圖

根據數值模擬結果，自重作用下邊坡穩定系數為1.05，邊坡處治后穩定系數為1.88，較處治前有較大程度的提高，達到了邊坡處治的預期目標。

5 結語

以臨縣至離石高速公路棗林互通1號橋3號臺高陡邊坡橋臺處治為背景，對邊坡穩定性進行了深入分析，采取了有效的處治措施，得出以下結論：

a）在勘察設計階段，當采用橋梁跨越黃土沖溝時，應合理布設跨徑，適量增加高陡邊坡側橋梁長度。要注重橋頭路基排水設計，特別是橋臺兩側為高陡邊坡。橋頭路基為路塹邊坡時，路線縱坡盡量采用人字坡，減少路基邊溝匯水從橋臺處排出。

b）在不能采用放緩邊坡的情況下，采用反壓+支擋+綜合排水工程是提高高陡邊坡穩定性的有效措施。

c）錨拉式樁板墻作為一種新型輕型支擋結構，在邊坡治理方面經濟、有效。