橋基荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性計算分析與設計優(yōu)化

建筑工程中，橋基荷載作用下的邊坡問題長期以來為建筑業(yè)、廣大學者所關注，橋基荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性計算與設計優(yōu)化對于橋基工程，甚至是建筑施工的發(fā)展都起著巨大的作用。因此，對于橋基荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性的分析意義重大。

一、橋基荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性計算分析

(一)有限元法概述

有限元法是用有限個單元體所構成的離散化結構替代原來的連續(xù)體結構分析巖土體的應力和變形。一般材料本構關系和應變一關系位移可以分別表示為:

{σ}=[D]{ε}，{ε}=[B]{6} (1)

式中:{σ}為應力列向量，[D]為彈塑性系數(shù)矩陣，{ε}為應變列向量，[B]為應變矩陣;{δ}為位移列向量。

由虛位移原理可建立單元體的結點力與結點位移之間的關系，進而寫出總體平衡方程:

{R}=[K]{δ} (2)

式中:[K]為剛度矩陣;{R}為節(jié)點荷載列向量。

(1)、(2)是有限單元法的基本方程，巖土體的應力一應變非線性關系，反映到式中，就是[D]和[K]都不是常量，都隨著應力或應變的變化而變化。利用有限元法，求得每一個計算單元的應力及變形后，便可根據(jù)材料的屈服強度指標確定破壞區(qū)的位置及破壞范圍的擴展情況。

(二)計算方法

首先根據(jù)現(xiàn)場的工程地質調查確定分析對象的類型，并在幾何模型的基礎上，根據(jù)岸坡參數(shù)建立數(shù)值分析模型。結合“強度折減系數(shù)法”求出邊坡在橋基荷載作用下的穩(wěn)定性系數(shù)。強度折減系數(shù)法的基本原理是將士體參數(shù)c，西值同時除以一個折減系數(shù)F，得到一組新的c，值，然后作為新的材料參數(shù)進行試算，當邊坡處于臨界狀態(tài)時，也即F再稍大一些，邊坡將發(fā)生破壞，對應的F被稱為邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，此時土體即將發(fā)生剪切破壞，即計算結果是指達到臨界狀態(tài)時的折減系數(shù)F。

C'=C/F;tanφ'=tanφ/F (3)

采用強度折減法原理來進行計算，在ANSYS中單元的屈服標準為D-P準則。計算結果比M-C準則要大些，根據(jù)屈服函數(shù)以及莫爾等面積圓屈服準則下的轉換關系系數(shù)η，需將巖體的內摩擦角φ及黏聚力η折減后進行計算。分析中通過提取加載情況下基底巖體的應力值，分析基底平面在加載情況下的應力變化規(guī)律。評價基礎位置的合理性。

二、橋基荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性的設計優(yōu)化

(一)橋基荷載作用下斜坡穩(wěn)定性

本文對于橋基荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性的設計優(yōu)化以印家溪大橋為例，其是多跨連續(xù)一剛構體系橋，橋位地處湘西自治州瀘溪縣洗溪鎮(zhèn)印家村。橋位區(qū)屬低山丘陵地貌，地形起伏較大，切割深。該橋跨越武水支流印家溪，溪寬15-20m，大致自北向南流入武水。水位標高一般為201.0m左右，水深一般約0.2-0.3m。溪溝兩岸均為陡坡地，自然坡度3°-45°橋墩樁基均采用D280嵌巖樁，橋基設計參數(shù):橋基長20m，橫向橋基中心距6.6m，縱向中心距40m。根據(jù)現(xiàn)場勘查測試及室內試驗結果，橋位處的主要巖土層地基設計參數(shù):弱風化砂巖的凝聚力c取70kPa，計算摩擦角西取39°，彈性模量E取6000MPa，泊松比0.3，容重取25k N/m。橋梁上部結構采用《大型橋梁復雜結構空間分析程序LBS-1》進行空間分析，得出成橋狀態(tài)下作用于橋梁樁基頂?shù)暮奢d分別為:軸力、彎矩、水平力的值橋臺位置處荷載按等效荷載直接作用在地基面上。

由計算結果顯示。成橋狀態(tài)下，當折減系數(shù)為1.67時，坡面開始出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)，而折減系數(shù)大干1.677，取1.7時計算不收斂。從1.670到1.677，折減系數(shù)變化步長0.007，在滿足塑性區(qū)貫通的折減系數(shù)范圍內，不管取哪個值，對安全系數(shù)影響均較小，即1.670為采用外接圓屈服準則時的安全系數(shù)，根據(jù)屈服條件的轉換系數(shù)，可得出莫爾一庫侖等面積圓屈服準則下安全系數(shù)為1.56。由計算結果表明橋基荷載作用下邊坡是穩(wěn)定的。

(二)橋基位置確定

橋基合理位置的確定不僅關系到岸坡的穩(wěn)定和橋梁的安全，也直接關系到整個橋梁的技術指標和造價?？缭綅{谷大橋主墩臺位置的變化會導致橋跨的增減。帶來橋梁結構和造價的較大變化。如果橋基位置不能滿足橋梁結構要求，引起線路方案的改變。將造成建設費用大大增加。隨著工程實踐的深入，現(xiàn)在的重要工程越來越迫切需要建立符合實際的三維計算模型，從巖體的屈服準則觀點出發(fā)，認為可以采用等效應力影響曲線及強度折減系數(shù)來確定橋基的合理位置。等效應力考慮了局部穩(wěn)定，強度折減系數(shù)考慮了邊坡的整體穩(wěn)定，這樣確定的橋基位置更科學合理。注意到在重力場作用下，自然邊坡是處于平衡狀態(tài)，等效應力的增量越小，對邊坡局部穩(wěn)定安全系數(shù)影響越小。那么橋基位置的確定原則可為斜坡穩(wěn)定折減系數(shù)和橋基荷載作用下等效應力增量最小。以防止局部破壞的可能性為原則，選取坡趾，樁基底中心位置作為研究對象，根據(jù)它們的等效應力變化情況，繪制等效應力變化曲線圖，此來確定橋基對斜坡應力的影響及合理位置。以上計算主要從2個方面考慮:①附加荷載對坡趾應力的影響，②附加荷載對基底應力的影響。根據(jù)結果，可知橋基不同位置，得出的計算等效應力也不相同。坡趾等效應力增量變化曲線圖說明橋基的位置越遠離坡趾。對坡趾的影響越小，當超過一定距離后等效應力增量趨于穩(wěn)定。橋基中心位置巖體等效應力增量變化圖表明橋梁荷載在橋基底中心產(chǎn)生的等效應力增量隨著S的增大，先急劇減少后增大，當超過一定距離后，等效應力的增量開始增大，對邊坡的不利影響也隨之增大。這說明當橋基位于坡趾距離較近時(小于20m)，雖然邊坡的穩(wěn)定性提高，但是由于受到坡體重力的影響，基底應力增量較大。當橋基位置在坡趾附近時，應考慮端巖土層的承載力能力，避免由于過大應力造成基底塑性區(qū)擴大，影響上部結構安全。橋基的合理位移既要考慮坡體的整體穩(wěn)定性，也要考慮樁基底應力增量，以避免局部失穩(wěn)破壞。由以上分析，可知本橋基的合理位移應在距離坡趾位置20m左右。

三、結 論

總之，邊坡的穩(wěn)定性評價方法有很多種，主要包括圓弧法、條分法、不平衡推力傳遞系數(shù)法、有限元法等。而傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性計算理論是基于極限平衡方法來分析，沒有考慮土體本身的應力一應變關系，而有限單元法則克服了這些缺點，為處理邊坡穩(wěn)定分析開辟了新途徑。用強度折減法理論及附加應力的概念，提出山區(qū)斜坡橋基合理位置判斷的折減系數(shù)方法，該方法同時考慮基底附加應力的影響，避免邊坡局部失穩(wěn)破壞。