基于LRFD設(shè)計理論的不良地質(zhì)條件對橋梁結(jié)構(gòu)可靠度的影響研究

邱山，王芳，李鷺陽

（宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州234000）

1 緒論

當(dāng)前我國基礎(chǔ)道路設(shè)施建設(shè)迅速發(fā)展，橋梁作為基礎(chǔ)建設(shè)中最重要的一環(huán)，是保證道路工程連續(xù)的關(guān)鍵部位，這使得橋梁應(yīng)當(dāng)具有足夠的承載和耐久能力。橋梁在設(shè)計建設(shè)過程中常常遇到各種危害，而不良的地質(zhì)現(xiàn)象對橋梁結(jié)構(gòu)影響是致命的，經(jīng)常造成橋梁倒塌事故。不良的地質(zhì)現(xiàn)象對橋梁構(gòu)造有著巨大的影響，每年因為不良地質(zhì)現(xiàn)象而倒塌的橋梁不計其數(shù)[1-2]。

此外，由于工程地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，不同類型的橋梁對工程地質(zhì)的條件的要求又不盡相同，表現(xiàn)出的地質(zhì)工程問題又是多種多樣的[3]。因此確切了解和掌握各類不良工程地質(zhì)現(xiàn)象的本質(zhì)及相應(yīng)的防治方法，運用專業(yè)知識，科學(xué)合理的減少不良地質(zhì)問題現(xiàn)象的發(fā)生，保證人們的生命財產(chǎn)安全刻不容緩。綜合目前橋梁對于國家發(fā)展的重要性，以及不良地質(zhì)現(xiàn)象對于橋梁結(jié)構(gòu)的危害，文章基于LRFD設(shè)計理論，總結(jié)不良地質(zhì)現(xiàn)象對橋梁結(jié)構(gòu)可靠度的影響以及在具體的橋梁設(shè)計和施工過程中如何防治這些常見不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2 LRFD設(shè)計理論和可靠度理論

2.1 發(fā)展歷程

美國在1921年開始編寫公路橋梁設(shè)計規(guī)范，美國公路協(xié)會在1931年發(fā)表了《公路設(shè)計規(guī)范》，此規(guī)范中的設(shè)計原理為容許應(yīng)力設(shè)計ASD。1980年后，規(guī)范中新增加了荷載系數(shù)設(shè)計方法LFD，繼而荷載和抗力系數(shù)設(shè)計方法LRFD被越來越多的國家認可，此方法兼并容許應(yīng)力設(shè)計法與可靠度理論的長處。LFRD設(shè)計方法[4-5]同時兼顧了抗力與荷載的隨機性和偶然性，而且具有極高的實踐價值。1994年第一版關(guān)于LRFD理論的規(guī)范——《AASHTO荷載和抗力系數(shù)橋梁設(shè)計規(guī)范》發(fā)表了，該規(guī)范以可靠度理論為指導(dǎo)，以最新的理論研究和工程實踐成果為骨架，正式構(gòu)建美國橋梁工程體系。此后，該規(guī)范不斷的被修改和補充，目前最新版本是2010年第五版。

在LRFD設(shè)計方法中，通過以可靠度為基礎(chǔ)可獲得荷載與抗力之間的函數(shù)關(guān)系：

2.2 可靠度理論簡介

可靠度是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間和條件下，完成預(yù)定功能的概率[6]。可靠度理論要解決的問題是在設(shè)定結(jié)構(gòu)所處的正常條件以及規(guī)定時間后，結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性是否符合規(guī)范要求。在結(jié)構(gòu)可靠度分析中，第一步需設(shè)立結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的功能函數(shù)，從而再確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件或整體體系在極限狀態(tài)下的方程。結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)可用以下變量表示：

令R表示結(jié)構(gòu)抗力、S表示荷載效應(yīng)，由于R、S均為隨機變量，故結(jié)構(gòu)功能函數(shù)Z也是隨機變量，且有Z=R-S。

可靠指標(biāo)β與失效概率Pf對應(yīng)關(guān)系

可靠概率Ps指的是結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能的概率，而失效概率Pf是結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率，可靠指標(biāo)為β。已知隨機變量Z=R-S的概率密度函數(shù)為fz（Z），見上圖。

設(shè)結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)為Z，其均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別為μz、σz、δz，則可靠指標(biāo)β為：

3 常見不良地質(zhì)條件對橋梁的影響

3.1 不均勻沉降

不均勻沉降是指在同一結(jié)構(gòu)中由于地基土質(zhì)以及上部荷載的不均勻分布而導(dǎo)致相鄰的兩個基礎(chǔ)沉降量存在偏差[7]。當(dāng)沉降偏差超過限值時，會使其上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的應(yīng)力，這個應(yīng)力達到一定極限會使結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生裂紋、傾斜甚至破壞。而造成橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降的原因主要包括以下幾種情況：①地質(zhì)情況復(fù)雜；②流水沖刷侵蝕；③上部結(jié)構(gòu)超載；④基礎(chǔ)差異；⑤人為主導(dǎo)因素；⑥突發(fā)不可抗力。

一般情況下，連續(xù)梁橋為超靜定結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)的不均勻沉降會使橋梁上部產(chǎn)生一個附加應(yīng)力，并逐步影響上部結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能，從而破壞橋梁穩(wěn)定性，影響其正常使用。主要影響集中在如下幾種情況：

①橋面出現(xiàn)起伏，導(dǎo)致橋面水泥層破壞并引發(fā)行車顛箥、橋頭跳車等現(xiàn)象；

②橋墩、擋板移動而產(chǎn)生裂縫；

③上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)連接處應(yīng)力集中，使梁底支座與主梁都發(fā)生破壞；

④主梁結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)微小偏移，使主梁內(nèi)的受力發(fā)生變化，變形加劇，導(dǎo)致梁體內(nèi)混凝土破壞加劇，直接威脅橋梁的整體穩(wěn)定性；

⑤基礎(chǔ)不均勻沉降嚴(yán)重可能會導(dǎo)致橋梁坍塌。

防治措施：①地質(zhì)勘察時精度需準(zhǔn)確，注意地基地質(zhì)間的差異；②設(shè)計基礎(chǔ)時需考慮結(jié)構(gòu)的荷載差異選取合適的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類型；③避免基礎(chǔ)處于滑坡、溶洞等不良地質(zhì)下，可減少不均勻沉降。

3.2 泥石流

泥石流是在暴雨降落后山區(qū)內(nèi)的泥沙、石塊以及其它的固體組成的特殊洪流。泥石流為山區(qū)特有的一種不良地質(zhì)災(zāi)害，它具有短暫強爆發(fā)、移動速度快、持續(xù)沖擊強、瞬間破壞大的特點。泥石流對橋梁工程的危害主要有沖刷、沖擊、磨蝕等。

泥石流通過攜裹大量巨石、雜物、水流以極快的速度從山體上沖刷而下，對經(jīng)過的橋梁橋墩直接撞擊同時使水流不斷積聚，大量泥石流堆積體堵塞河道。通過對橋墩的沖擊，使其短期內(nèi)受力增大達到峰值并超過設(shè)計標(biāo)高，使其內(nèi)部出現(xiàn)裂縫甚至直接斷裂，造成橋梁結(jié)構(gòu)整體性破壞而出現(xiàn)橋體坍塌。而通過流水的不斷侵蝕，使橋體周圍基礎(chǔ)不斷侵蝕，使基礎(chǔ)失去承載能力，出現(xiàn)邊坡滑移，地基變淺。反復(fù)循環(huán)，致使堆積體越來越多，對橋梁損壞加深。

防治措施：①生物預(yù)防：在上游種植大量草木，可降低泥石流發(fā)生概率；②攔截：在中游設(shè)置一系列攔截構(gòu)筑物如攔截壩等，降低泥石流流速和沖擊力，降低對橋梁的沖撞力度；③引流：在下游設(shè)置排導(dǎo)措施使泥石流順利排除。

3.3 崩塌

崩塌是在陡峭的坡體上大型巖石突然地崩落，在重力作用下沿著坡體向下滑落翻滾，最后巖石匯集于坡腳的過程。崩塌是一種常見的不良地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，經(jīng)常造成橋梁和公路的損毀，同時阻塞交通路段給運輸帶來巨大損失。崩塌形成條件分為以下幾種。

①坡體的坡度和表面構(gòu)造：崩塌發(fā)生的先決條件為斜坡形狀高而陡峭，坡度一般在55度以上。當(dāng)坡體表面坎坷不平時，凸起的巖石極易發(fā)生崩塌。

②巖石性質(zhì)：不同巖石的性質(zhì)千差萬別，其強度、風(fēng)化程度、抗沖刷能力都是不同的。當(dāng)坡體由軟巖和硬巖組成時，軟巖可能優(yōu)先風(fēng)化而導(dǎo)致硬巖失去支持而脫落崩塌。

③節(jié)理程度：其是決定坡體穩(wěn)定性的主要因素之一。但當(dāng)節(jié)理順山坡發(fā)展時，極易誘發(fā)崩塌發(fā)生。

④地質(zhì)構(gòu)造：坡體一般由不同性質(zhì)的巖層以及構(gòu)造和產(chǎn)狀組成，其內(nèi)的構(gòu)造面一般為切割面，導(dǎo)致巖體內(nèi)的連接性能大大減弱，易誘發(fā)崩塌。

崩塌對橋梁結(jié)構(gòu)造成直接影響，大量巨石在重力作用下直接碰撞橋梁主體，致使橋梁受損，整體性能被破壞，結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)性能遭到削弱，承載能力降低，容易發(fā)生主梁、橋墩等受力部件斷裂，嚴(yán)重可能會導(dǎo)致橋梁坍塌。

防治措施：①主動措施：削坡、清除危巖、調(diào)整地表水流、加固軟弱土坡、設(shè)置支擋墻、對坡面噴漿等；②被動措施：設(shè)置攔截設(shè)施如筑護墻和維護棚、設(shè)置引導(dǎo)設(shè)施如筑明峒和御塌棚。

3.4 滑坡

滑坡是指在重力以及其他外力作用下使得坡體上的土和巖石喪失穩(wěn)定狀態(tài)，將會發(fā)生順著坡體向下整體滑動脫離的現(xiàn)象。在大量工程實踐中將影響滑坡的因素概括為以下幾種。

①斜坡外形：斜坡的存在構(gòu)成了滑坡發(fā)生的前提，斜坡的高度、形狀、坡度都有可能發(fā)生變化時，其內(nèi)應(yīng)力的改變會造成斜坡失穩(wěn)；

②巖性：滑坡主要發(fā)生在容易受水化影響的土層和軟巖里；

③構(gòu)造：當(dāng)斜坡內(nèi)的節(jié)理、斷層、層面等軟弱面與斜坡坡面幾近吻合時，斜坡容易發(fā)展成為滑坡；

④水：流水不斷沖刷侵蝕斜坡，使其土體逐漸軟化同時減小了土體之間的摩擦力，造成滑坡。

⑤地震：地震直接破壞斜坡土體結(jié)構(gòu)，降低了土體抗剪強度，同時給土體增加了下滑力，加速滑坡的發(fā)生。

⑥人為因素：人為的生產(chǎn)活動可能會破壞斜坡原本的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)造成滑坡。

滑坡對山區(qū)內(nèi)的橋梁工程有巨大威脅，通過摧毀橋涵，阻斷道路而造成巨額損失，同時經(jīng)過不斷積累，滑坡可能最終直接沖撞橋梁基礎(chǔ)，導(dǎo)致橋梁失穩(wěn)倒塌。

防治措施：①排除地表水和地下水；②支擋：利用支擋結(jié)構(gòu)增加滑坡下部的抗滑阻力；③刷方減重：通過削減坡腳或降低坡高，以減輕滑坡體自重，從而減少來自上部結(jié)構(gòu)的下滑力；④改善滑動面的巖土性質(zhì)：對巖質(zhì)滑坡采用固結(jié)灌漿、對土質(zhì)滑坡采用電化學(xué)加固、凍結(jié)等。

4 結(jié)語

橋梁作為當(dāng)今時代重要的交通組成部分，時時刻刻都在接受著自然的考驗，而在橋梁修建的過程中，不良地質(zhì)現(xiàn)象對其影響是不可忽略的，無數(shù)實踐經(jīng)歷都在提醒著人們忽視不良地質(zhì)的作用將會造成不可估量的損失。文章通過基于LRFD的研究，結(jié)合常見不良地質(zhì)現(xiàn)象進行分析總結(jié)得出，梁設(shè)計和施工過程中，要隨時注意不良地質(zhì)對工程的影響，根據(jù)所發(fā)生的災(zāi)害及時得出相應(yīng)的解決措施同時在施工科學(xué)運用防治方法，減少經(jīng)濟損失。