重慶某長江大橋基底圍堰穩(wěn)定性分析
2017-09-18
橋梁工程中，特別是大型橋梁的許多結(jié)構(gòu)，如橋梁基礎(chǔ)、墩臺等，一部分位于河流、湖泊或海洋中。如果基礎(chǔ)底面離水底不深，可在水中修筑基坑，施工方法是先在將要開挖的基坑周圍建一道擋水圍堰，把圍堰內(nèi)的水排干，然后再開挖基坑和支護，修筑構(gòu)造物。圍堰的類型主要有土石圍堰、鋼筋混凝土圍堰、混凝土圍堰等。在進行圍堰施工前，進行穩(wěn)定性和抗滑性分析是必不可少的工作。
1、工程概況
重慶是某長江大橋為雙塔懸索橋，其中東橋塔基礎(chǔ)圍堰采用啞鈴型、混凝土圍堰與雙壁鋼圍堰相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。混凝土圍堰高6m，厚度為2.3m，內(nèi)徑24m，外徑28.6m。鋼圍堰為獨立的兩個圓形結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑為25m，外徑為28m，壁厚1.5m，高為22.9m。分4個節(jié)段.平面等分為12塊，每層設(shè)置9個隔艙。見圖1-1。
圖1-1 圍堰立面圖
在圍堰施工過程中發(fā)現(xiàn)，下游側(cè)圍堰基底巖石完整性較好，無明顯滲水現(xiàn)象。為防止基坑開挖破壞混凝土圍堰基礎(chǔ)，以及混凝土圍堰嵌巖后與巖石結(jié)合的密實、穩(wěn)定性，混凝土圍堰基底嵌入巖石150～300cm。同時下游側(cè)圍堰封底混凝土充分利用基底巖石，形成封底混凝土與基底巖石組合的封底結(jié)構(gòu)。由于混凝土圍堰嵌入不透水基巖上，因此，圍堰結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)徑向水壓力作用?？紤]到封底混凝土實際澆筑方量減少，使得圍堰自重降低，同時，封底混凝土未能和圍堰壁混凝土形成整體，因此，在水壓力作用下混凝土圍堰壁相對于基巖的整體抗滑穩(wěn)定性可能降低。本文針對橋位處水文、地勘資料，結(jié)合根據(jù)現(xiàn)場勘測，主要分析東塔基礎(chǔ)混凝土圍堰壁抗滑穩(wěn)定性。
2、計算方法及模型
依據(jù)勘測資料得到的巖石類別（單軸飽和抗壓強度）、巖體裂隙發(fā)育程度、參考巖體完整性等參數(shù)按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTGD63-2007）給定大橋總體設(shè)計參數(shù)建議值，見表2-1。
表2-1基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)建議值表
巖土名稱 素填土 砂卵石 砂巖 砂質(zhì)泥巖
重度（kN/m3） 20* 22* 24.9 25.6
自然抗壓強度（MPa） 32.9 11.8
飽和抗壓強度（MPa） 23.7 7.3
地基基本承載力 （kPa） 100 400 2000 800
內(nèi)摩擦角φ（ο） 25（綜合） 41.4 32.4
內(nèi)聚力C（kPa） 1830 670
彈性模量（MPa） 3483 1378
變性模量（MPa） 3912 996
泊松比μ 0.13 0.38
抗拉強度（kPa） 470 160
基底摩擦系數(shù) 0.30 0.40 0.50 0.45
如前所述，實際施工中圍堰混凝土未能和封底混凝土形成整體，在水壓力作用下，可能導(dǎo)致圍堰壁結(jié)構(gòu)混凝土與基巖接觸面發(fā)生滑動失穩(wěn)，進而引起圍堰內(nèi)滲水，嚴重的可能導(dǎo)致圍堰整體滑移。參考《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL319-2005）中關(guān)于抗滑穩(wěn)定性的規(guī)定，計算東塔橋基下游側(cè)圍堰壁結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定性。
本圍堰設(shè)計洪水水位為176.6m，即在圍堰標高176.0m位置處設(shè)置排水口。當(dāng)圍堰外水位達到高程176.0m后，自動開始向圍堰內(nèi)注水，從而限制圍堰最大水壓力作用。
圖2-1 圍堰實際狀況示意及有限元模型
沿圍堰環(huán)向每延米重量為：
G=6*1*2.3*24+5000/2/（28*3.14）=359.6KN
在176.6m水位條件下，由于水壓力作用圍堰壁基底界面沿圍堰環(huán)向產(chǎn)生的每延米徑向壓力F=59.5KN。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL319-2005）中第6.4.1條款，圍堰壁基底混凝土與基巖接觸面抗剪強度計算的抗滑穩(wěn)定系數(shù)為：
K= =0.45*359.6/59.5=2.4>1
式中：f-為混凝土圍堰壁與基巖接觸面抗剪摩擦系數(shù)；
W-為接觸面豎向荷載；P-為接觸面徑向荷載；
圍堰壁基底混凝土與基巖接觸面抗剪斷強度計算的抗滑穩(wěn)定系數(shù)為：
K`= =（0.45*359.6+670*2.3）/ 59.5=28>3
式中：f-為混凝土圍堰壁與基巖接觸面抗剪斷摩擦系數(shù)；
C-為混凝土圍堰壁與基巖接觸面抗剪斷凝聚力；
A-為圍堰壁基巖接觸面積；
W-為接觸面豎向荷載；
P-為接觸面徑向荷載；
在圍堰壁基底混凝土與基巖接觸面抗剪斷強度計算的抗滑穩(wěn)定系數(shù)計算中，從偏于安全考慮，不考慮圍堰壁的嵌巖作用。由以上分析可知，在176.6m水位條件下，圍堰壁基底混凝土與基巖接觸面抗滑穩(wěn)定性滿足抗滑穩(wěn)定性要求。
3、結(jié)論
1.根據(jù)水位變化情況，在確保圍堰自身受力滿足要求的前提下，采用雙壁鋼圍堰間注水方式，增加圍堰自重，提高圍堰基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定性。
2.圍堰施工中應(yīng)嚴格按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG_D63-2007）相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，加強洪水期的圍堰變形觀測及圍堰基礎(chǔ)孔隙水壓力觀測，對于滲水嚴重部位應(yīng)及時采用有效措施處理。
3.使用MIDAS CIVIL軟件的有限元分析可以較好的解決圍堰基地抗滑穩(wěn)定性驗算分析。
參考文獻：
[1] 劉志明.橋粱深水基礎(chǔ)[M].北京：人民交通出版社，2003.
[2] 中華人民共和國行業(yè)標準.《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTGTF50-2011）.
[3] 中華人民共和國行業(yè)標準.《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG_D63-2007）.
[4] 中華人民共和國行業(yè)標準.《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL319-2005）.
