古滑坡路段橋梁設計防護措施研究

徐金華

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司 太原市 030032)

0 引言

隨著全國“縣縣通高速”建設的推進，山區高速公路受地形、采空區、自然保護區等限制路線無法避讓穩定狀態下的古滑坡體，為避免自然外力和人為因素造成古滑坡復活，古滑坡體段落常以橋梁形式通過，如何保證古滑坡體段落橋梁結構的安全是橋梁設計的關鍵。唐洪祥等[1]以云南省某高速公路為例，分析滑坡體特征，提出了確保橋墩安全的綜合處治措施；盧三平[2]基于玉溪至磨憨鐵路那蘇河大橋設計實踐，綜合分析了橋梁墩臺基礎承載能力情況及滑坡特征，總結了滑坡體上橋梁設計的防護措施。陳玉欣等[3]以小河至安康高速公路某橋為依托，開展了現場滑坡體上橋梁病害調查，揭示了滑坡體致災機制；楊艷[4]以316 國道劉家坡村滑坡為例，提出了抗滑墩設計理念；尹平保[5]深入研究了陡坡段樁柱式橋梁樁基承載機理、受力與變形計算以及穩定分析等問題，推導了陡坡段樁柱式橋梁樁基變形及穩定計算的理論解。以昔榆高速胡家溝滑坡為工程研究背景，分析滑坡體特征，利用條分法計算結果進行穩定性評價，擬定確保橋墩安全的綜合處治措施；提出了鋼護筒抗滑樁設計理念和工程方案，運用MIDAS 有限元軟件對其進行了數值模擬，闡述了抗滑墩應力應變規律，驗證了鋼護筒抗滑墩的安全可行性，為類似工程設計提供了經驗。

1 工程地質

胡家溝滑坡體位于構造侵蝕剝蝕中山區，微地貌為斜坡及沖溝，坡體三面臨空。地形總體上南高北低，地面高程1180～1230m間，相對高差50m，路線沿滑坡體前緣通過，地表植被以草叢、灌木為主。

滑坡體西緣主要為上石盒子組P2s及石千峰組P2sh強～中風化砂泥巖組成的基巖陡坡；東側緣為基巖沖溝，溝東側上石盒子組P2s基巖完整，溝西側底部可見上石盒子組P2s完整基巖，上部主要為石千峰組P2sh強風化紫紅色砂質泥巖，與東側巖層分布差異很大，極不連續，石千峰組P2sh砂質泥巖垂直位移很大，大約在20～30m以上。

圖1 胡家溝古滑坡體平面圖

2 滑坡體成因機制及穩定性分析

2.1 滑坡體成因機制

胡家溝滑坡體三面臨空，后緣與基巖山體相連，山體陡立，坡體與基巖山體接觸面較大，約70°左右，高差約30m，滑坡輪廓明顯，周界清晰。滑坡年代久遠，滑動面已固結壓密，但仍可見較清晰的擦痕，顯示是一處古老滑坡。坡體前緣巖層反翹，巖層角度約50°，局部能明顯看到巖層滑動的擦痕。從坡體地貌特征、物質組成及滑動跡象等方面可以推斷該滑坡體的成因機制，后緣山體巖性主要為砂泥巖，節理裂隙發育，前緣臨空，受降雨及自重作用影響，山體內部豎向節理裂隙貫通，巖體發生滑塌，在巖體下滑過程中，運動一定距離后能量逐漸減弱，前緣受阻，巖層反翹，前緣局部巖體受擠壓后，應力集中，局部巖體崩解，呈碎裂狀構造，前緣停止運動，后部巖體在慣性作用下，繼續運動，一部分超覆于前緣巖體上，故坡體前緣局部地形凸起，一部分巖體在前緣受阻的條件下，向側緣移動，在坡體中后部形成了低洼地貌，隨著地質年代的推移，自中更新世以來在坡體低洼部分沉積了土體，形成了當前的滑坡的地貌形態。表面該古滑坡體自中更新世以來整體沒有發生過滑動，處于穩定狀態，依次推斷該古滑坡體形成于中更新世以前。

2.2 穩定性分析

經過對滑坡體進行挖探取樣，進行室內試驗、反算及工程類比等手段綜合選取滑體的物理力學參數指標。其中滑體土的容重(γ)和滑動面(帶)土的粘聚力(c)和內摩擦角(φ)為穩定性計算的主要參數。該滑坡體長期處于較為穩定的狀態，因此K>1.15。該古滑坡原地表覆蓋物主要為泥巖、砂巖風化殘積物，物質組成主要為含碎石黏土類物質，滑面傾角φ=8°，滑體綜合重度γ=23kN/m3，經過反算，黏聚力c=9.5kPa。通過挖探采取古滑坡底部代表性土體，通過室內試驗，取得滑坡體殘余強度標準值為黏聚力c=29.8kPa、內摩擦角φ=14.9°，殘余強度試驗最低值黏聚力c=27.3kPa、內摩擦角φ=12.4°。結合經驗綜合考慮，天然工況下采用巖土體強度參數黏聚力c=20.8kPa、內摩擦角φ=10.3°，土體綜合重度γ=23 kN/m3；暴雨工況下采用巖土體強度參數黏聚力c=18.7kPa、內摩擦角φ=9.3，土體綜合重度γ=25 kN/m3。按條分法計算不同情況下的穩定系數K，采用“傳遞系數法”計算滑坡推力,其參數取值及計算結果如表1。

表1 穩定系數及滑坡推力計算表

由表1可知，該滑坡體在自然狀態下、連續降雨工況及地震工況E1地震作用下處于穩定狀態; 在地震工況E2地震作用下處于欠穩定狀態;滑坡前緣臨空局部穩定性差，隨著時間的發展以及地震、降雨的影響，滑坡前緣的穩定性將進一步降低，滑坡體可能復活，對橋梁建設和行車安全造成危害，故需對該滑坡進行治理。

3 橋梁設計及防護措施

3.1 橋梁設計

胡家溝大橋上部結構采用15-40m裝配式預應力混凝土T梁，先簡支后連續，橋梁中心樁號為K47+070，右前夾角為90°，下部結構采用柱式墩、柱式臺，墩臺均采用鉆孔灌注樁基礎。橋址區K47+150～K47+400之間發育一古滑坡堆積體，路線從滑坡體前緣通過，其中9-12號墩位于坡體上，其平立面圖如圖2所示。

圖2 胡家溝大橋平立面圖

3.2 鋼護筒抗滑樁設計

由計算可知，本橋所處胡家溝滑坡在自然狀態下、連續降雨工況及地震工況E1地震作用下處于穩定狀態; 在地震工況E2地震作用下處于欠穩定狀態;滑坡前緣臨空局部穩定性差，存在外界因素誘發下喪失自身穩定性而發生滑移的風險，結合滑坡剩余下滑力不大計算結果，基于“經濟、適用、安全”的原則，采用鋼護筒抗滑樁方案，鋼護筒抗滑樁既作為橋墩的樁基，又兼具抗滑樁作用，節約工程造價，具體設計方案如下，對位于滑坡堆積體范圍內的橋墩樁基采用鋼護筒抗滑樁方案，樁基采用大直徑雙排束筋，并在樁基外側設置2cm鋼護筒進行永久防護，鋼護筒設置范圍為地系梁頂至滑坡體滑動面以下2m。

3.3 鋼護筒抗滑樁受力分析

根據其受力特點，可對抗滑樁受力情況進行簡化，其組合荷載包括樁頂豎向荷載N，偏心彎矩M、水平荷載F、樁后滑坡體的剩余下滑力、樁周巖(土)體抗力，為了精確模擬樁側巖土的抗力，采用只受壓的彈簧進行模擬，其簡化受力模型如圖3所示。

圖3 抗滑樁簡化受力模型圖

采用有限元軟件midas/civil建立三維空間有限元模型，對邊界條件、荷載均進行了精細化模擬，其設計參數為：樁徑D為2.4m；其中，堆積體樁長23.0m，嵌固段長26m；樁身重度均為25kN/m3，樁身C30彈性模量均為30GPa；上部結構傳遞到樁頂的荷載水平荷載為350kN，豎向荷載為12000kN，偏心彎矩為2868kN.m。樁側抗力采用m法進行計算，堆積體的地基抗力比例系數m0=30MN/m4，穩定砂巖的地基抗力比例系數m0=80MN/m4。

鋼護筒抗滑樁在組合荷載作用下，其柱頂水平位移計算結果如圖4所示。基于大量試驗和大量工程實踐表明m法適用于樁在水平荷載作用下的內力計算，根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》JTG 3363—2019要求，其地面處的水平位移X0不宜大于10mm，由計算結果可知樁頂最大位移為4.6mm；滿足規范要求，說明鋼護筒抗滑樁可有效保障大橋運營階段的安全穩定。

圖4 抗滑樁樁頂位移

4 綜合治理措施

胡家溝滑坡體前緣臨空、局部穩定性差。在自然外力和人為因素的作用下，容易引起古滑坡體復活，產生整體蠕變，危及橋梁安全。為消除胡家溝滑坡體潛在的蠕變危害，擬在滑坡體前緣進行大面積反壓回填，并確保橋梁水平投影外10m范圍內的反壓回填壓實度不少于93%。地表水滲透潤滑滑動面是導致滑坡體復活的關鍵因素之一。如何防止地表水滲入是防止滑坡體滑動的關鍵。結合橋梁地形特點，為防止地表水滲入，于反壓回填體上設置0.3m厚的粘土封層進行封水處理，并在橋墩上游設置縱橫向截排水溝保障排水通暢。

橋梁施工應避免擾動滑坡體，施工用水和廢水不能排入滑坡體。嚴禁在滑坡體上堆土，同時應加強滑坡體監控量測工作，如監測異常，應及時采取措施及時處置。

5 結論

為避免不良地質影響橋梁結構安全，在路線選線時最好繞避不良地質地段；受地形、采空區、自然保護區等限制路線無法避讓時，也應避開規模大、危害嚴重、治理困難的滑坡體，選擇在穩定狀態下的滑坡體通過，并采取可靠措施確保橋梁工程的安全。通過昔榆高速胡家溝古滑坡為例，綜合分析滑坡體特征，擬定確保橋墩安全的綜合處治措施。通過對胡家溝大橋的設計研究， 總結出以下結論：

(1)滑坡體處治以“消除隱患，經濟節約”為原則，應加強地質勘察，在對滑坡體進行穩定性評價基礎上，對其安全隱患綜合處治。

(2)對通過古滑坡體段落橋梁結構，基于“經濟、適用、安全”的原則，提出了鋼護筒抗滑樁設計理念和工程方案，對鋼護筒抗滑樁組合受力情況進行了數值分析，研究了抗滑墩應力應變規律，驗證了鋼護筒抗滑墩的安全可行性，為類似工程提供了參考和借鑒。

(3)采取反壓回填、加強整體防排水、局部封水等綜合處治措施，可有效避免滑坡體發生蠕滑。