松坎特大桥弃土场稳定性数值模拟研究

何 健 李春峰 刘 刚

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550001)

既有弃土场自身稳定性对处于其范围内的拟建桥梁工程结构的变形及安全至关重要。本文以其作为研究对象，结合工程实例进行研究。拟建松坎特大桥为分幅桥，左幅起止桩号为ZK11+134.7～ZK13+071.8，全长1937.1m；右幅起止桩号为YK11+103.353～YK13+024.453，全长1921.1m。上部结构为：左幅6×30m T梁+(73+135+73)m连续刚构+(8×40+20×40.5)m T梁+2×70m钢混组合梁+6×30m T梁；右幅6×30m T梁+(73+135+73)m连续刚构+(8×40+20×40.5)m T梁+2×70m钢混组合梁+6×30m T梁；下部构造为：双肢薄壁空心墩、薄壁空心墩、柱式墩、门式墩，桩基础。桥台采用重力式实体桥台和桩柱式桥台，桩基础和扩大基础。拟建特大桥10#～12#墩位于某高速施工弃土场内，桥梁墩台位置与弃土场空间位置关系见图1。

图1 桥梁墩台与弃土场空间位置

为确保拟建特大桥建设施工及运营安全，应系统分析弃土场稳定性及其变形对桥梁墩台的影响 ，并针对性的提出工程处治措施，本文首先对弃土场场区工程地质条件进行详细勘察。在此基础上，构建弃土场稳定性计算模型，分析弃土场整体稳定性，随后针对弃土场提出二种工程处治方案，基于有限元理论，采用Midas GTS建立处治措施数值模拟模型[1-2]，综合评价各措施处治效果，并选取最优方案，以期为工程建设提供指导。

1 弃土场基本特征

某高速施工弃土场位于拟建特大桥里程桩号ZK11+592(YK11+561)～ZK11+720(YK11+687)左76～右160m范围，该弃土场长约240m，宽约140m，平面面积约3.3万m2，最大填深约25m，最大填高46m，填方体积约34万m3。

据钻探揭露其成分为为黏土、碎石、块石，碎块石，母岩为泥质白云岩、白云岩等，最大厚度约25m。下部原土为残坡积黏土，呈可塑状。根据2017年8月13日地形断面实测资料，松坎特大桥10#～12#墩位于弃土场上，该弃土为新近堆积的素填土，因弃土厚度分布不均，中前部厚、后部较薄，存在固结沉降差，造成弃土场后部形成裂缝，此外，裂缝宽度会随着沉降的增大而加宽、加深，利于降雨入渗，导致弃土场稳定性整体降低。施工扰动及暴雨作用下易发生垮塌。

2 整体稳定性评价

2.1 计算模型及方法

弃土场自然状态下坡体后缘有局部开裂现象，据现场实测断面资料，本文以沿桥轴线方向(潜在主滑面C-C＇)作为稳定性分析计算断面，采用Midas GTS构建地质模型，以强度折减法作为弃土场稳定性计算理论[3]，计算分析弃土场稳定及变形状况[4-6]，弃土场断面及计算模型见图2和图3。

图2 稳定性分析计算地质断面 图3 数值分析计算模型

2.2 岩体力学参数

根据工程地质勘察、室内外试验、工程地质类比及反演计算分析等方法综合确定岩体力学参数取值，见表1。

表1 岩土体力学参数取值表

2.3 计算结果

弃土场自然状态下稳定性计算结果见表2，计算云图见图4、图5。

表2 岩土体力学参数取值表

图4 正常工况计算结果 图5 暴雨工况计算结果

由计算结果可知，弃土场稳定性不满足边坡安全控制标准，自然状态下弃土场处于欠稳定状态，暴雨状况下则处于失稳状态。

此外，该弃土场为新近堆填而成，由图6、图7对弃土场沉降变形计算可知，该弃土场沉降固结后将产生约42cm的位移变形，其中水平向位移约40cm左右，若不及时对该弃土场变形及其稳定性进行控制，其对桥梁桩基的建设势必产生巨大影响，严重威胁桥梁建设安全。

图6 固结沉降变形(水平向) 图7 固结沉降变形(总变形)

3 处治措施数值模拟分析

由前述计算分析可知，该弃土场目前处于欠稳定状态，暴雨条件下处于失稳状态，且其固结沉降变形较大，需对弃土场进行工程处治[7-8]，以保证桥梁工程安全建设。

综合考虑弃土场环境位置、清方转运条件、特大桥建设施工情况以及变形控制要求，拟采用方案1：部分削方减载+抗滑桩；方案2：部分削方减载+抗滑桩+锚索二种工程防护设计方案对该弃土场进行工程处治，并采用数值模拟分析评价各方案处治效果[9-10]。

3.1 部分削方减载数值模型计算及结果分析

弃土场部分削方减载后，采用有限元数值分析其稳定性及变形，计算模型见图8所示，稳定性计算结果见图9，土体变形计算结果见图10、图11。

图8 部分削方减载计算模型 图9 稳定性计算结果

图10 固结沉降变形(水平向) 图11 固结沉降变形(总体)

数值模拟计算表明，对弃土场进行部分削方减载后，弃土场整体稳定性系数为1.112，不满足边坡稳定性安全控制标准(1.35)；土体固结沉降变形从最大42cm减小到15cm，水平变形从40cm减小到10cm左右，虽然沉降变形得到较大程度的控制，但对于特大桥工程建设来说，其变形并不能满足桥梁建设要求，须对弃土场作进一步的处治措施。

3.2 处治方案数值模型计算及结果分析

弃土场进行部分削方减载后其稳定性及变形均不满足安全控制要求，经对该弃土场潜在主滑面下滑推力进行分析计算，见下滑推力曲线图12，拟于A、B两处布设抗滑桩，抗滑桩规格为2×3m，其中，A型抗滑桩桩长22m，B型抗滑桩桩长30m，并拟采用方案1：部分削方减载+抗滑桩；方案2：部分削方减载+抗滑桩+锚索两种设计方案对该弃土场进行工程处治，并采用有限元数值模拟方法评价各处治方案的治理效果。

(1)削方减载+抗滑桩方案

方案1有限元计算模型见图13所示，稳定性计算结果见图14，弃土场土体变形计算结果见15。

图12 下滑推力曲线图 图13 方案1计算模型

图14 方案1稳定性计算结果 图15 方案1土体固结沉降变形变形 (水平向)

采用方案1进行工程处治后，弃土场稳定性系数为2.23，满足边坡安全控制标准，且弃土场变形已控制在合理范围；抗滑桩施工后，弃土场土体作用下，A型抗滑桩最大水平位移为4.0cm，B型抗滑桩最大水平位移为4.2cm，其变形满足抗滑桩变形控制要求，桥梁桩基施工后，由10#、11#墩最大水平位移曲线可知，10#墩最大水平位移为1.6mm，11#墩最大水平位移为2.7mm，满足特大桥变形控制要求(6mm)(图16～20)。表明削方减载+抗滑桩方案处治效果较好。需要说明的是，部分削方减载后，12#墩已在弃土场范围之外。

图16 A型抗滑桩水平位移

图18 方案1桥梁桩基水平位移云图

图19 10#墩桩基水平位移曲线 (方案1)

(2)削方减载+抗滑桩+锚索方案

采用削方减载+抗滑桩+锚索方案对弃土场进行工程处治，锚索为预应力锚索(6束)，锚固段长8m，施加预应力为300KN，其数值计算模型见图21，计算结果见图22～26所示。

图20 11#墩桩基水平位移曲线(方案1)

图22 方案2稳定性计算结果

图23 方案2土体固结沉降变形变形

图24 方案2桥梁桩基水平位移云图

图25 10#墩桩基水平位移曲线 (方案2)

图26 11#墩桩基水平位移曲线(方案2)

采用方案2进行工程处治后，在预应力锚索的作用下，弃土场稳定性得到进一步的提高，达到2.45，对于弃土场土体及桥梁桩基而言，采用方案1治理后，土体水平向最大变形为4.1mm，桥梁桩基施工后最大水平位移为2.7mm；采用方案2治理后，土体水平向最大变形为4.0mm，桥梁桩基最大变形为2.4mm。对比分析可知，采用方案2治理后，其对于弃土场土体位移变形、桥梁桩基变形等控制效果并不明显。

综合考虑方案1、方案2处治效果，在满足弃土场稳定及桥梁结构变形控制要求的前提下，从技术、经济、安全方面考虑，方案1优于方案2。

4 结论

本文通过系统分析弃土场稳定性及土体变形对桥梁桩基的影响，提出部分削方减载+抗滑桩、削方减载+抗滑桩+锚索两种方案对弃土场进行工程处治，并对处治效果进行数值模拟，得出以下结论：

(1)弃土场自然状态下处于欠稳定状态，暴雨条件下处于失稳状态，土体固结沉降后其水平变形达42cm。

(2)弃土场部分削方减载后其稳定性有所增加，固结沉降变形得到一定程度的控制，但总体而言不满足特大桥安全控制标准。

(3)采用方案1部分削方减载+抗滑桩进行工程处治后，弃土场整体稳定性为2.23，满足边坡安全控制标准；抗滑桩最大水平位移为4.2cm，其变形满足抗滑桩变形控制要求，桥梁桩基施工后，桩基最大位移变形为2.7mm，满足特大桥变形控制要求(6mm)。

(4)采用方案2部分削方减载+抗滑桩+锚索进行工程处治后，弃土场稳定性为2.45，土体水平向最大变形为4.0mm，桥梁桩基最大变形为2.4mm。其对于弃土场土体位移变形、桥梁桩基变形等控制效果相较于方案1来说并不明显。

综合比较方案1、方案2治理效果，方案1从技术、经济、安全方面均优于方案2。本研究可为相类似的工程建设施工提供一定的参考与借鉴。