古滑坡路段桥梁设计防护措施研究

徐金华

(山西省交通规划勘察设计院有限公司 太原市 030032)

0 引言

随着全国“县县通高速”建设的推进，山区高速公路受地形、采空区、自然保护区等限制路线无法避让稳定状态下的古滑坡体，为避免自然外力和人为因素造成古滑坡复活，古滑坡体段落常以桥梁形式通过，如何保证古滑坡体段落桥梁结构的安全是桥梁设计的关键。唐洪祥等[1]以云南省某高速公路为例，分析滑坡体特征，提出了确保桥墩安全的综合处治措施；卢三平[2]基于玉溪至磨憨铁路那苏河大桥设计实践，综合分析了桥梁墩台基础承载能力情况及滑坡特征，总结了滑坡体上桥梁设计的防护措施。陈玉欣等[3]以小河至安康高速公路某桥为依托，开展了现场滑坡体上桥梁病害调查，揭示了滑坡体致灾机制；杨艳[4]以316 国道刘家坡村滑坡为例，提出了抗滑墩设计理念；尹平保[5]深入研究了陡坡段桩柱式桥梁桩基承载机理、受力与变形计算以及稳定分析等问题，推导了陡坡段桩柱式桥梁桩基变形及稳定计算的理论解。以昔榆高速胡家沟滑坡为工程研究背景，分析滑坡体特征，利用条分法计算结果进行稳定性评价，拟定确保桥墩安全的综合处治措施；提出了钢护筒抗滑桩设计理念和工程方案，运用MIDAS 有限元软件对其进行了数值模拟，阐述了抗滑墩应力应变规律，验证了钢护筒抗滑墩的安全可行性，为类似工程设计提供了经验。

1 工程地质

胡家沟滑坡体位于构造侵蚀剥蚀中山区，微地貌为斜坡及冲沟，坡体三面临空。地形总体上南高北低，地面高程1180～1230m间，相对高差50m，路线沿滑坡体前缘通过，地表植被以草丛、灌木为主。

滑坡体西缘主要为上石盒子组P2s及石千峰组P2sh强～中风化砂泥岩组成的基岩陡坡；东侧缘为基岩冲沟，沟东侧上石盒子组P2s基岩完整，沟西侧底部可见上石盒子组P2s完整基岩，上部主要为石千峰组P2sh强风化紫红色砂质泥岩，与东侧岩层分布差异很大，极不连续，石千峰组P2sh砂质泥岩垂直位移很大，大约在20～30m以上。

图1 胡家沟古滑坡体平面图

2 滑坡体成因机制及稳定性分析

2.1 滑坡体成因机制

胡家沟滑坡体三面临空，后缘与基岩山体相连，山体陡立，坡体与基岩山体接触面较大，约70°左右，高差约30m，滑坡轮廓明显，周界清晰。滑坡年代久远，滑动面已固结压密，但仍可见较清晰的擦痕，显示是一处古老滑坡。坡体前缘岩层反翘，岩层角度约50°，局部能明显看到岩层滑动的擦痕。从坡体地貌特征、物质组成及滑动迹象等方面可以推断该滑坡体的成因机制，后缘山体岩性主要为砂泥岩，节理裂隙发育，前缘临空，受降雨及自重作用影响，山体内部竖向节理裂隙贯通，岩体发生滑塌，在岩体下滑过程中，运动一定距离后能量逐渐减弱，前缘受阻，岩层反翘，前缘局部岩体受挤压后，应力集中，局部岩体崩解，呈碎裂状构造，前缘停止运动，后部岩体在惯性作用下，继续运动，一部分超覆于前缘岩体上，故坡体前缘局部地形凸起，一部分岩体在前缘受阻的条件下，向侧缘移动，在坡体中后部形成了低洼地貌，随着地质年代的推移，自中更新世以来在坡体低洼部分沉积了土体，形成了当前的滑坡的地貌形态。表面该古滑坡体自中更新世以来整体没有发生过滑动，处于稳定状态，依次推断该古滑坡体形成于中更新世以前。

2.2 稳定性分析

经过对滑坡体进行挖探取样，进行室内试验、反算及工程类比等手段综合选取滑体的物理力学参数指标。其中滑体土的容重(γ)和滑动面(带)土的粘聚力(c)和内摩擦角(φ)为稳定性计算的主要参数。该滑坡体长期处于较为稳定的状态，因此K>1.15。该古滑坡原地表覆盖物主要为泥岩、砂岩风化残积物，物质组成主要为含碎石黏土类物质，滑面倾角φ=8°，滑体综合重度γ=23kN/m3，经过反算，黏聚力c=9.5kPa。通过挖探采取古滑坡底部代表性土体，通过室内试验，取得滑坡体残余强度标准值为黏聚力c=29.8kPa、内摩擦角φ=14.9°，残余强度试验最低值黏聚力c=27.3kPa、内摩擦角φ=12.4°。结合经验综合考虑，天然工况下采用岩土体强度参数黏聚力c=20.8kPa、内摩擦角φ=10.3°，土体综合重度γ=23 kN/m3；暴雨工况下采用岩土体强度参数黏聚力c=18.7kPa、内摩擦角φ=9.3，土体综合重度γ=25 kN/m3。按条分法计算不同情况下的稳定系数K，采用“传递系数法”计算滑坡推力,其参数取值及计算结果如表1。

表1 稳定系数及滑坡推力计算表

由表1可知，该滑坡体在自然状态下、连续降雨工况及地震工况E1地震作用下处于稳定状态; 在地震工况E2地震作用下处于欠稳定状态;滑坡前缘临空局部稳定性差，随着时间的发展以及地震、降雨的影响，滑坡前缘的稳定性将进一步降低，滑坡体可能复活，对桥梁建设和行车安全造成危害，故需对该滑坡进行治理。

3 桥梁设计及防护措施

3.1 桥梁设计

胡家沟大桥上部结构采用15-40m装配式预应力混凝土T梁，先简支后连续，桥梁中心桩号为K47+070，右前夹角为90°，下部结构采用柱式墩、柱式台，墩台均采用钻孔灌注桩基础。桥址区K47+150～K47+400之间发育一古滑坡堆积体，路线从滑坡体前缘通过，其中9-12号墩位于坡体上，其平立面图如图2所示。

图2 胡家沟大桥平立面图

3.2 钢护筒抗滑桩设计

由计算可知，本桥所处胡家沟滑坡在自然状态下、连续降雨工况及地震工况E1地震作用下处于稳定状态; 在地震工况E2地震作用下处于欠稳定状态;滑坡前缘临空局部稳定性差，存在外界因素诱发下丧失自身稳定性而发生滑移的风险，结合滑坡剩余下滑力不大计算结果，基于“经济、适用、安全”的原则，采用钢护筒抗滑桩方案，钢护筒抗滑桩既作为桥墩的桩基，又兼具抗滑桩作用，节约工程造价，具体设计方案如下，对位于滑坡堆积体范围内的桥墩桩基采用钢护筒抗滑桩方案，桩基采用大直径双排束筋，并在桩基外侧设置2cm钢护筒进行永久防护，钢护筒设置范围为地系梁顶至滑坡体滑动面以下2m。

3.3 钢护筒抗滑桩受力分析

根据其受力特点，可对抗滑桩受力情况进行简化，其组合荷载包括桩顶竖向荷载N，偏心弯矩M、水平荷载F、桩后滑坡体的剩余下滑力、桩周岩(土)体抗力，为了精确模拟桩侧岩土的抗力，采用只受压的弹簧进行模拟，其简化受力模型如图3所示。

图3 抗滑桩简化受力模型图

采用有限元软件midas/civil建立三维空间有限元模型，对边界条件、荷载均进行了精细化模拟，其设计参数为：桩径D为2.4m；其中，堆积体桩长23.0m，嵌固段长26m；桩身重度均为25kN/m3，桩身C30弹性模量均为30GPa；上部结构传递到桩顶的荷载水平荷载为350kN，竖向荷载为12000kN，偏心弯矩为2868kN.m。桩侧抗力采用m法进行计算，堆积体的地基抗力比例系数m0=30MN/m4，稳定砂岩的地基抗力比例系数m0=80MN/m4。

钢护筒抗滑桩在组合荷载作用下，其柱顶水平位移计算结果如图4所示。基于大量试验和大量工程实践表明m法适用于桩在水平荷载作用下的内力计算，根据《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG 3363—2019要求，其地面处的水平位移X0不宜大于10mm，由计算结果可知桩顶最大位移为4.6mm；满足规范要求，说明钢护筒抗滑桩可有效保障大桥运营阶段的安全稳定。

图4 抗滑桩桩顶位移

4 综合治理措施

胡家沟滑坡体前缘临空、局部稳定性差。在自然外力和人为因素的作用下，容易引起古滑坡体复活，产生整体蠕变，危及桥梁安全。为消除胡家沟滑坡体潜在的蠕变危害，拟在滑坡体前缘进行大面积反压回填，并确保桥梁水平投影外10m范围内的反压回填压实度不少于93%。地表水渗透润滑滑动面是导致滑坡体复活的关键因素之一。如何防止地表水渗入是防止滑坡体滑动的关键。结合桥梁地形特点，为防止地表水渗入，于反压回填体上设置0.3m厚的粘土封层进行封水处理，并在桥墩上游设置纵横向截排水沟保障排水通畅。

桥梁施工应避免扰动滑坡体，施工用水和废水不能排入滑坡体。严禁在滑坡体上堆土，同时应加强滑坡体监控量测工作，如监测异常，应及时采取措施及时处置。

5 结论

为避免不良地质影响桥梁结构安全，在路线选线时最好绕避不良地质地段；受地形、采空区、自然保护区等限制路线无法避让时，也应避开规模大、危害严重、治理困难的滑坡体，选择在稳定状态下的滑坡体通过，并采取可靠措施确保桥梁工程的安全。通过昔榆高速胡家沟古滑坡为例，综合分析滑坡体特征，拟定确保桥墩安全的综合处治措施。通过对胡家沟大桥的设计研究， 总结出以下结论：

(1)滑坡体处治以“消除隐患，经济节约”为原则，应加强地质勘察，在对滑坡体进行稳定性评价基础上，对其安全隐患综合处治。

(2)对通过古滑坡体段落桥梁结构，基于“经济、适用、安全”的原则，提出了钢护筒抗滑桩设计理念和工程方案，对钢护筒抗滑桩组合受力情况进行了数值分析，研究了抗滑墩应力应变规律，验证了钢护筒抗滑墩的安全可行性，为类似工程提供了参考和借鉴。

(3)采取反压回填、加强整体防排水、局部封水等综合处治措施，可有效避免滑坡体发生蠕滑。