蔣鈺峰，吳 光，匡經(jīng)桃

(西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，四川成都 610031)

近年來，成蘭線、長昆線等山區(qū)高速鐵路的興建，使我國山區(qū)高速鐵路的建造水平達到一個新的高度。山區(qū)修建鐵路最大問題之一是要克服高差起伏的地形，所以橋梁和隧道成為穿越山區(qū)的最佳選擇，許多橋隧相連工程也出現(xiàn)在峽谷兩岸的高坡上。當隧道口邊坡較緩，而路基建造困難時，常采用橋臺在隧道外邊坡上的對接型橋隧相連工程通過［1-2］。

由于地形地貌多樣、地質條件復雜、水文環(huán)境各異，加上橋隧結構與邊坡相互作用機理極其復雜，對接型橋隧相連工程如何確定橋基位置，在當前的鐵路規(guī)范和手冊中并沒有明確規(guī)定。這方面的研究也比較缺乏，如何確定橋基的位置是一個有待考慮的問題。

若以隧道口底端中點為原點O，則對接型橋隧相連工程橋基埋置深度為y，水平距離為x。確定了x和y，也就確定了橋基的位置，見圖1。工程中，難點在于缺少定量確定x和y的依據(jù)，從而使橋基位置的確定成為一個難題。合理的橋基位置不僅要確保鐵路運行的安全，而且造價要低、工期要短，對環(huán)境的影響要小，總體上還要保證橋基邊坡的穩(wěn)定和施工安全。

為了確保橋基邊坡的穩(wěn)定，本文對邊坡的局部和整體的穩(wěn)定性進行分析。邊坡局部穩(wěn)定性主要與局部應力變化及局部塑性變形有關，邊坡整體穩(wěn)定性則主要依據(jù)邊坡的穩(wěn)定系數(shù)以及是否出現(xiàn)貫通的塑性變形區(qū)。結合長昆高速鐵路客運專線雪峰山工點，通過現(xiàn)場調查研究和數(shù)值模擬，分析不同橋基設計位置的邊坡整體和局部的穩(wěn)定性，從而確定合理的橋基位置。

圖1 位置示意

1 相連工程橋基位置確定依據(jù)

1.1 邊坡整體穩(wěn)定性

邊坡上的橋梁大多采用樁基礎。首先，樁基設計必須滿足3個要求:①樁自身強度足夠。也就是埋入土中的樁，在受到橋梁結構傳遞來的各種荷載作用時，樁與巖土的相互作用既確保樁具有足夠的承載力，同時，又使樁基不致產(chǎn)生過大的沉降或沉降差。而且在水平荷載作用下，樁身不同截面的彎矩和撓度在容許范圍內(nèi)。②樁與其周圍巖土間的作用是穩(wěn)定的。本文中由于研究區(qū)屬于巖質邊坡，樁基為端承樁，所以不考慮樁與周圍巖土間的作用。③橋隧相連邊坡必須是穩(wěn)定安全的。其次，橋基的合理位置需要考慮邊坡巖土體的穩(wěn)定性，當坡體不夠穩(wěn)定或基礎埋深不夠時，可能形成貫通的塑性區(qū)從而使橋基從邊坡上剪出破壞。最后，還要考慮樁基底巖體的應力增量，當增量過大時，基底巖土體發(fā)生破壞，橋基可能失穩(wěn)。

1.2 邊坡局部穩(wěn)定性

趙文提出基于第一主應力變化確定橋基位置的方法［3］。由于只計算第一主應力的變化，而未能全面考慮橋基荷載作用下邊坡的應力變化情況。從巖體的屈服準則觀點出發(fā)，認為可以用等效應力的變化情況來反映邊坡巖體應力的變化。

在塑性力學中，等效應力定義如下

由上式可知，等效應力不表示實際作用在某個面上或點上的力，它是為了方便而將復雜的應力狀態(tài)轉化為具有相同“效應”的單項應力狀態(tài)。

以應力變化系數(shù)η表示應力的變化

式中:σq為橋基荷載作用產(chǎn)生的基底附加等效應力;σ0為自重產(chǎn)生的坡體內(nèi)巖土的原始等效應力。

本文在討論橋基荷載對邊坡巖體的影響范圍時取η=0.1，同時把η=0.1作為樁基底應力變化的一個判定標準。若基底巖土體在橋基荷載作用下應力變化超過0.1，則認為基底巖體應力變化過大。

1.3 動力響應

行車過程中，由于車輪磨損不規(guī)則、輪的偏心、軌道幾何不平順、軌下基礎缺陷、鐵軌對接處狀態(tài)不佳等眾多原因，列車產(chǎn)生隨機振動。列車振動傳播過程中與橋基及周圍巖土體相互作用，通過動力分析可以得到橋基邊坡的動力響應參數(shù)，若動力響應較小，則可認為對邊坡穩(wěn)定有利［4-6］。

1.4 五個確定依據(jù)

本文采用2個定量標準和3個定性標準作為確定對接型橋隧相連工程橋基合理位置的判據(jù):①橋基邊坡的安全系數(shù)K;②橋基底部應力變化系數(shù)η;③橋基邊坡是否出現(xiàn)貫通的塑性區(qū);④橋基荷載的應力影響范圍是否達到邊坡坡面;⑤動力響應較小。

2 工程實例

擬建的長昆鐵路客運專線在穿越山區(qū)時，出現(xiàn)了多處對接型橋隧相連工程。結合長昆鐵路雪峰山一號隧道出口工點，運用上文5個判據(jù)計算分析得到合理的橋基位置。

2.1 工點概況

雪峰山一號隧道出口地貌單元屬構造剝蝕中低山間河谷地貌(圖2)，溝谷寬約150 m，多辟為農(nóng)田、旱地，中間為一條寬約15 m的小溪。橋址區(qū)及附近海拔高程560～640 m，起伏變化較大。山坡地形較陡，坡面自然坡度15°～35°，植被發(fā)育。隧址地層上覆第四系殘積層粗角礫土，下伏基巖為震旦系下統(tǒng)洪江組(Z1hj)灰綠色薄至厚層狀絹云母板巖、砂質板巖、含礫砂質板巖，強～弱風化，巖體較完整，局部破碎［7］。

圖2 雪峰山一號隧道出口地貌

2.2 橋基邊坡安全系數(shù)計算方法

本文采用有限元強度折減法計算橋基邊坡安全系數(shù)K。強度折減法在計算最小安全系數(shù)時，認為邊坡的彈性模量E和泊松比ν不變，將黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ按下面方式逐漸減小，直到計算發(fā)散為止，將發(fā)散時的Fs作為最小安全系數(shù)［8-9］。邊坡發(fā)生剪切破壞時的安全系數(shù)公式為

式中:cf，φf分別為折減后的黏聚力和內(nèi)摩擦角;SRF為強度折減系數(shù);τ為邊坡的剪切強度;τf為折減后的剪切強度，τf=cf+ σntanφf，σn為正應力。

2.3 分析模型

由于線路正交于坡體，所以橋基位置主要是在線路縱向進行選擇，因而建立橋基邊坡分析模型時以考慮橋基邊坡中心縱斷面為主，將中心縱斷面向兩側垂直方向拉伸建立數(shù)值分析模型。

2.4 計算參數(shù)

通過查閱相關文獻及規(guī)范手冊，結合現(xiàn)場原位試驗和室內(nèi)土工試驗得到的結果，確定出巖土參數(shù)取值如表1所示。橋基荷載選用均布荷載作用于承臺之上，數(shù)值在原設計基礎上提高至800 kPa。地震工況采用順坡向施加地震峰值加速度的方式加載。

表1 計算用巖土參數(shù)取值

2.5 橋基埋置深度的確定

為了確定出橋基的合理埋置深度，從10 m開始以5 m為間隔取至40 m，設定橋基承臺距離邊坡表面水平距離1 m，進行靜力穩(wěn)定分析和動力響應分析。

1)橋基邊坡安全系數(shù)K

采用有限元強度折減法求得的不同橋基埋深的橋基邊坡安全系數(shù)均在2.31～2.44。

2)橋基底部應力變化系數(shù)η

提取樁基底部不同位置在加載前后的等效應力值，計算后得到結果(圖3)。

3)橋基邊坡是否出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)

經(jīng)過比較各個橋基埋深的塑性區(qū)分布，可以發(fā)現(xiàn)橋基埋深15 m時，出現(xiàn)自承臺下部貫穿到下部坡面的塑性變形區(qū)(圖4(a))，其他埋深處(如20 m)雖然都出現(xiàn)范圍不同的塑性區(qū)，但均未貫通(圖4(b))。地震工況下，橋基邊坡的塑性變形區(qū)分布與自然工況基本一致，只是塑性變形的值稍有增大。

圖3 不同橋基埋深樁底應力變化趨勢

圖4 自然工況橋基邊坡塑性區(qū)分布

4)橋基荷載的應力影響范圍是否達到邊坡坡面

取η=0.1，計算各個埋深下應力影響范圍，發(fā)現(xiàn)只有25 m和40 m埋深應力影響范圍未達到坡面，由此可見在距離坡面1 m時，橋基的應力影響范圍是否達到坡面和橋基埋置深度關系不大。

5)動力響應是否較小

為了比較不同橋基埋深下邊坡對列車動力響應的差異，提取了橋基邊坡上距離承臺外側中心點最近的節(jié)點的順坡向的位移、加速度分析結果繪制時程曲線，見圖5。

由圖可知，橋基埋深在10 m和15 m時，位移峰值明顯大于其它埋深時的位移峰值，最大順坡向位移值為0.176 mm。邊坡順坡向動力響應加速度峰值均＜0.05g。由此可知列車荷載作用下橋基邊坡表面的動力響應較小，橋基邊坡穩(wěn)定。

綜合以上的邊坡穩(wěn)定性分析和動力響應分析結果，發(fā)現(xiàn)當橋基承臺距離坡面水平距離1 m時，在不同橋基埋深下邊坡整體都是穩(wěn)定的。由于橋基埋深對橋基荷載的應力影響范圍是否達到邊坡表面的作用不明顯，因而可以推斷橋基的合理埋置深度取決于樁基底應力的變化，依據(jù)前面的分析結果得出:橋基埋深應≥20 m。

圖5 節(jié)點時程曲線

2.6 橋基水平位置的確定

橋基水平距離即橋基頂部橋臺近斜坡邊緣距離臨空面的水平距離。以橋基埋深20，25 m為基礎，建立橋基水平位置為5，10，15，20 m的模型進行計算分析。

1)橋基邊坡安全系數(shù)K

采用有限元強度折減法計算得到不同橋基水平距離的橋基邊坡的安全系數(shù)，見圖6。

圖6 邊坡安全系數(shù)和應力影響范圍

2)橋基邊坡是否出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)

經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，橋基埋深在20 m和25 m，4種不同水平位置的情況下均未出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)。但是塑性區(qū)遵循隨著橋基向坡內(nèi)水平移動，橋基承臺以下的外側邊坡表層塑性區(qū)的厚度變小，承臺以上的邊坡表層塑性變形區(qū)增加的規(guī)律。

3)橋基荷載的應力影響范圍是否達到邊坡坡面

取η=0.1，發(fā)現(xiàn)當橋基水平距離為5 m時，橋基應力影響范圍恰好將要達到橋基邊坡表面(圖6)，5 m以后則未能到達邊坡表面。由此可見橋基荷載的應力影響范圍是否能達到橋基邊坡表面，主要取決于橋基的水平距離，和橋基的埋深關系不大。

4)動力響應是否較小

由計算結果發(fā)現(xiàn)，在同一埋深下，水平距離越大，橋基邊坡動力響應越小。水平距離為5～20 m時，橋基邊坡表面的最大位移值為0.130 38 mm，加速度峰值＜0.05g，說明列車荷載作用下橋基邊坡的動力響應小，橋基邊坡穩(wěn)定。

綜合以上的邊坡穩(wěn)定性分析和動力響應分析結果，發(fā)現(xiàn)橋基水平位置在5～20 m時，橋基邊坡都是穩(wěn)定的，所以橋基水平位置應≥5 m。

3 結論

本文針對山區(qū)高速鐵路對接型橋隧相連工程橋基位置確定問題，采用2個定量判定標準和3個定性判定標準，結合長昆線雪峰山一號隧道出口工點進行數(shù)值模擬試驗并對結果加以分析，得到以下結論:

1)隨著橋基內(nèi)移，橋基施工對邊坡的開挖增大，易形成高陡工程邊坡，增加了工程量和安全隱患，所以橋基水平距離宜取5 m。埋深越深對樁基要求越高，在滿足安全的前提下，過深的埋深造成了設計的浪費，因而橋基埋深宜取20 m。

2)對接型橋隧相連工程中，橋基邊坡的塑性區(qū)是否貫通與橋基邊坡安全系數(shù)大小無必然對應關系，因而分析邊坡穩(wěn)定性時將邊坡安全系數(shù)和塑性區(qū)的分布放到一起綜合考慮是合理可行的。

3)樁基底的應力變化隨著橋基埋深增加而減少，橋基埋深＞20 m時，基底等效應力變化比率＜0.1。橋基荷載能否對邊坡表層產(chǎn)生影響，主要取決于橋基的水平位置。

4)在高速列車振動荷載下，橋基邊坡動力響應較小，但是由于缺少多種高速機車的振動荷載參數(shù)，還需深入研究探討。

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