基于強度折減法的岸坡穩(wěn)定性評價

王章云 鄭維棟

（貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081）

1 工程概況

某公路橋梁跨越烏江，連接兩岸交通，大橋為混凝土拱橋，兩岸拱座均位于斜坡上，邊坡所受重力荷載大。橋區(qū)無斷層構(gòu)造分布，呈單斜構(gòu)造巖層綜合產(chǎn)狀12°∠26°，起點岸岸坡為反傾邊坡，拱座下方坡度較緩，岸坡穩(wěn)定性良好，終點岸岸坡為順層邊坡，拱座下方坡度較陡，強風化層厚，在河水沖刷及雨水等作用下易失穩(wěn)。由此可知，終點岸岸坡穩(wěn)定性較差，需著重分析評價[1]。

圖1 某公路橋梁岸坡斷面圖

2 地質(zhì)條件

2.1 地層巖性

項目區(qū)內(nèi)出露的地層由新到老有第四系(Q)、三迭系中統(tǒng)松子坎組（T2s），巖性為泥灰?guī)r夾泥巖。具體描述情況：

2.1.1 第四系（Q）：褐色、褐黃色粘土夾碎石（Qal+pl），局部為人工填土（Qml）。主要分布于山間沖溝、溝谷岸坡及緩坡地帶，以粘土夾碎石（Qal+pl）以及人工填土為主（Qml），河谷地段分布有卵石（Qal+pl）。

2.1.2 三迭系（T）

松子坎組（T2s）：泥灰?guī)r夾泥巖，呈淺灰、深灰色，整個橋區(qū)均有分布。

2.2 水文地質(zhì)

據(jù)場區(qū)內(nèi)的地層巖性、含水介質(zhì)特征及地下水動力條件，區(qū)內(nèi)地下水類型為主要為第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水三大類[2]。

橋區(qū)內(nèi)烏江河穿過，烏江屬雨源性河流，根據(jù)調(diào)研期間現(xiàn)場調(diào)查及鉆探揭露，岸坡巖土體地下水位埋藏較深，且烏江河水位較低，烏江河水位受地表降水和季風影響變化較大，雨季時河水位升高，并補給地下水，地下水位隨之升高。

3 岸坡破壞模式分析

終點岸岸坡為順層巖質(zhì)邊坡，在拱座基坑開挖階段，其主要破壞形式沿巖層層面平及結(jié)構(gòu)面的平面滑動。計算公式如下[3,4]：

如拱座基坑不采取防護措施，計算得到的基坑安全系數(shù)Fs=0.63,剩余下滑力為1121kN/m。如不采取防護措施，拱座基坑將會失穩(wěn)，并且剩余下滑力較大[5,6]。拱座基坑支護采用抗滑樁并在坡頂采用冠梁錨索進行聯(lián)合支擋。

橋梁施工完成后，暴雨季節(jié)烏江河水位上漲，河水沖刷岸坡，且河水和雨水易于通過節(jié)理、溶蝕裂隙等進入巖體，在節(jié)理裂隙內(nèi)會產(chǎn)生靜水壓力，影響岸坡的穩(wěn)定性。此外，橋梁荷載、地震荷載等也會影響岸坡穩(wěn)定性。故對運營期橋梁岸坡穩(wěn)定性，主要對以下三種工況進行分析計算[7]：工況一：自重+橋梁荷載（岸坡在自重及橋梁荷載作用下的的工況）；工況二：自重+橋梁荷載+暴雨（岸坡在自重及橋梁荷載作用下，并處于暴雨或連續(xù)降雨狀態(tài)時期的工況）；工況三：自重+橋梁荷載+地震（岸坡在自重、橋梁荷載及地震附加荷載作用下的工況）。

4 物理力學參數(shù)取值

物理力學參數(shù)取值參考該橋梁工程地質(zhì)勘察報告，如表1 所示。

表1 巖土（層）物理力學指標

5 岸坡穩(wěn)定性計算與評價

5.1 計算方法選定

岸坡傳統(tǒng)計算方法有Janbu 法、Bishop 法、傳遞系數(shù)法、Morgenstern-Price 法、Spencer 法等[8]，均屬于極限平衡理論的范疇。上述方法均忽略了土體內(nèi)部的應力、應變關(guān)系[9]，且因采取一系列的假定條件進行簡化，其計算得到的穩(wěn)定性結(jié)果精度不高，對于復雜邊坡尤其是需要考慮支護結(jié)構(gòu)與邊坡體的應力應變關(guān)系時，難以適用。而有限差分法以及有限元強度折減法不僅能夠模擬巖土體內(nèi)部應力應變，還能模擬工程結(jié)構(gòu)與巖土體的互相作用過程，應用邊坡的塑性區(qū)來定義滑動面的位置，彌補了極限平衡方法的不足，且得出的計算結(jié)果更為準確。

有限差分法主要適用于大變形的計算模型，而本項目的計算項目為橋臺岸坡，岸坡上部為橋梁，岸坡在滿足穩(wěn)定性的同時不允許有大的變形，因此，有限元強度折減法更為合適。

本文采用midas GTS NX 數(shù)值計算分析軟件對橋梁運營期的岸坡穩(wěn)定性進行數(shù)值計算分析。此外，采用GeoStudio 軟件中的SLOPE/W 模塊，計算得到Janbu 法安全系數(shù)，作為對比參考。

5.2 附加荷載

影響橋梁岸坡穩(wěn)定性的附加荷載主要為橋梁荷載、流體荷載、地震荷載。

5.2.1 橋梁荷載

橋梁荷載（軸力、剪力和彎矩）通過拱座傳遞給巖土體，荷載大小將直接影響岸坡的穩(wěn)定性。經(jīng)過橋梁的設計計算，烏江特大橋拱座荷載內(nèi)力控制值如表2 所示。

表2 終點岸拱座荷載控制值

5.2.2 流體荷載

根據(jù)調(diào)研期間現(xiàn)場調(diào)查及鉆探揭露，岸坡巖土體地下水位埋藏較深，且烏江河水位較低，但根據(jù)訪查及查閱相關(guān)資料得知，烏江河洪水位較高，會對岸坡帶來不利影響。因此，汛期，河水和雨水等對岸坡的作用，也是影響岸坡穩(wěn)定性的重要因素。暴雨工況采用調(diào)查的最高洪水位來模擬水對岸坡的影響。

5.2.3 地震荷載

本區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，地震反映譜特征周期為0.35s，地震基本烈度為Ⅵ度，該橋為A 類設防類別。拱橋由于結(jié)構(gòu)自重較大，拱座水平及豎向反力大，對基礎要求較高，且下部結(jié)構(gòu)在地震力作用下受力較大，產(chǎn)生的工程荷載會對岸坡造成擾動，影響岸坡的穩(wěn)定性。故應按Ⅶ度抗震要求驗算地震工況下的岸坡穩(wěn)定性。

5.3 計算結(jié)果及評價

根據(jù)岸坡工程地質(zhì)條件及所受附加荷載情況，基于莫爾-庫倫本構(gòu)模型，采用midas GTS NX 軟件建立計算模型如圖2 所示。

圖2 岸坡穩(wěn)定性數(shù)值計算模型

采用強度折減法計算得到各工況的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.43、1.26、1.29。各工況水平及豎向位移云圖，如圖3～8 所示。

圖3 工況一水平位移云圖（最大值7.9mm）

圖4 工況一豎向位移云圖（最大值5.8mm）

圖5 工況二水平位移云圖（最大值8.7mm）

圖6 工況二豎向位移云圖（最大值6.7mm）

圖7 工況三水平位移云圖（最大值8.3mm）

圖8 工況三豎向位移云圖（最大值6.1mm）

匯總各工況的結(jié)果，得到橋梁運營期岸坡的穩(wěn)定性計算結(jié)果，如表3 所示。

表3 岸坡穩(wěn)定性計算結(jié)果一覽表

經(jīng)過計算分析得知，強度折減法比Janbu 法計算得到的穩(wěn)定系數(shù)稍大，主要是由于Janbu 法忽略了土體內(nèi)部的應力、應變關(guān)系，可見強度折減法計算結(jié)果更貼合實際，而Janbu 法計算結(jié)果在工程上偏于安全。兩種方法的計算結(jié)果均在控制標準內(nèi)，位移均在毫米級，不會發(fā)生大變形而出現(xiàn)整體破壞可能，可見岸坡在各個階段的穩(wěn)定性良好。但由于巖體的完整性、結(jié)構(gòu)面強度和順傾巖層直接影響橋址邊坡整體穩(wěn)定性，且附近距離居民房及交通設施較近，在拱座基坑開挖過程中，應注意減小擾動并注意及時支護，防止基坑周邊局部塊體的塌落。在橋梁運營期，由于橋區(qū)巖體節(jié)理裂隙大面積張開且局部裂隙連通，對邊坡局部穩(wěn)定性不利，暴雨工況下岸坡穩(wěn)定性系數(shù)下降明顯，且岸坡變形最大，最大沉降為8.7mm，最大水平位移為6.7mm，說明水對岸坡穩(wěn)定性有較顯著的影響,應做好相應的防排水措施，拱座下方岸坡建議采用相應的防護措施，防止岸坡淺層失穩(wěn)及河水的沖刷，同時，應加強相應的監(jiān)測工作。

6 結(jié)論

6.1 橋梁岸坡除分析穩(wěn)定性外，還需嚴格控制變形，采用有限元強度折減法分析較為合適。

6.2 強度折減法計算結(jié)果更貼合實際，而Janbu 法等極限平衡理論的分析方法在工程上偏于安全。

6.3 水對橋梁岸坡穩(wěn)定性影響較大，建議避開雨季施工，并做好相應的防排水措施。