高地震區(qū)橋基邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

袁夢雄 鄧濤 謝榮凱 龔洪葦 郝作銳

[摘? 要]：高地震區(qū)橋基邊坡穩(wěn)定性受到橋基荷載及地震作用的共同影響，其穩(wěn)定性關(guān)系到施工以及運營安全是工程界關(guān)注的熱門課題。文章以高地震區(qū)某橋基邊坡實際工程為例，利用MIDAS GTS有限元軟件對其穩(wěn)定性進行模擬分析。通過對橋基荷載、橋基荷載+地震作用下2種工況下橋位的位移、應(yīng)力和塑性區(qū)變化規(guī)律以及邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分析，結(jié)果表明橋基荷載施加后邊坡塑性區(qū)主要集中在邊坡坡腳處，沿坡面向坡頂發(fā)展，主要匯于坡體表面;而增施動荷載后應(yīng)力分布由內(nèi)部逐漸衍生于整個坡體，其受到地震作用下的動荷載影響較大。由此得到不同工況下邊坡變化規(guī)律，對該類工程的橋基邊坡穩(wěn)定性評價具有借鑒意義。

[關(guān)鍵詞]：高地震區(qū); 橋基邊坡; 位移; 應(yīng)力; 穩(wěn)定性; 數(shù)值模擬

U443.1A

自我國西部大開發(fā)與“一帶一路”的政策實施以來，西部山區(qū)公路交通得到快速發(fā)展，在大規(guī)模的工程建設(shè)中，要穿越各種復(fù)雜地形地貌[1-2]，為保證線形指標(biāo)，橋梁工程的大量采用使得橋基位于邊坡之上，不可避免地有眾多橋基邊坡工程，我國西部山區(qū)處于高地震區(qū)，建設(shè)過程中以及后期運營需要重視地震作用對橋基邊坡穩(wěn)定性的影響，橋基邊坡穩(wěn)定性的問題一直以來受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。羅彥彪等[3]、趙亞飛等[4]采用簡化Bishop法和Morgenstern price法，而張愛軍等[5]、李曉凡等[6]通過有限元強度折減數(shù)值法進行分析。王春雷等[7]、周火明等[8]進一步結(jié)合極限平衡分析方法對橋梁荷載作用下邊坡巖體力學(xué)行為特征、規(guī)律及邊坡破壞模式研究。劉佑榮等[9]將塊體極限平衡理論與非線性彈塑性有限元相結(jié)合，分析橋位區(qū)斜坡穩(wěn)定性，并預(yù)測建成后的發(fā)展趨勢。李永軍等[10]認(rèn)為危險滑裂面止于橋樁基位置。進而部分學(xué)者考慮了地震作用下橋基邊坡的影響，尹小濤等[11]、張友鋒等[12]、呂大偉等[13]均開展了地震作用下的邊坡有限元數(shù)值模擬對邊坡穩(wěn)定性分析。程強等[14]考慮了地震的影響，根據(jù)建立的邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型對橋位穩(wěn)定性分析。Michalowski R L[15]采用靜力法繪制出三維邊坡穩(wěn)定性曲線。陳蜀俊等[16]采用傳遞系數(shù)法對邊坡在地震荷載作用下的穩(wěn)定性進行計算分析。張八二[17]采用強度折減數(shù)值法和極限平衡法，對不同工況下的橋梁荷載、天然狀態(tài)、暴雨狀態(tài)、地震作用及共同作用時橋基邊坡穩(wěn)定性分析。郭長寶[18]通過圖解法和彈塑性有限元數(shù)值模擬法對庫岸高邊坡在自重應(yīng)力場作用、地震作用影響和蓄水后的橋位兩側(cè)應(yīng)力變化及穩(wěn)定性評價。

以上學(xué)者主要對橋基邊坡整體穩(wěn)定性分析，對地震與橋基荷載共同作用和只施加橋基荷載作用下的橋位處位移與應(yīng)力變化規(guī)律分析研究較少。因此，本文結(jié)合實際工程，利用有限元數(shù)值模擬軟件對地震與橋基荷載和僅施加橋基荷載兩種工況作用下的位移與應(yīng)力變化規(guī)律及橋基邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，對橋基邊坡整體穩(wěn)定性進行評價。

1 工程概況

某連續(xù)鋼構(gòu)橋位于會東縣大崇境內(nèi)金沙江左岸一級支流雀依河中下游的廟梁子附近，屬中高山地貌，地形起伏大，左岸高程826 m、右岸高程876 m，兩岸基巖均出露，地層巖性為二疊系下統(tǒng)棲霞-茅口組灰?guī)r。右岸岸坡上部覆蓋層厚15～20 m，主要為粉土質(zhì)礫，右岸岸坡下部及左岸基巖裸露，為中風(fēng)化灰?guī)r，巖體內(nèi)多發(fā)育破碎帶，沿構(gòu)造發(fā)育溶蝕現(xiàn)象（圖1）。依照我國地震烈度劃分規(guī)則，高地震烈度區(qū)是按抗震設(shè)防烈度（即動峰值加速度）的區(qū)域統(tǒng)稱，橋址區(qū)區(qū)域?qū)倏拐鸩焕囟?，場地類別為Ⅱ類（左岸及右岸岸坡下部為Ⅰ類），場地地震動峰值加速度αmax=0.20g，特征周期TS為0.45 s（圖2）。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)測繪及鉆探、物探揭示，橋址區(qū)無大規(guī)模地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。

2 計算模型的構(gòu)建

根據(jù)調(diào)查橋址區(qū)兩岸邊坡巖性及巖體結(jié)構(gòu)特性等實際工程地質(zhì)條件，假定邊坡巖體應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)槔硐霃椝苄缘谋緲?gòu)關(guān)系，巖體破壞服從C-M準(zhǔn)則[19]。根據(jù)地質(zhì)資料，主要模擬中風(fēng)化灰?guī)r層、橋基荷載受到地震力作用對邊坡穩(wěn)定性影響。故將對橋基邊坡進行簡化，建立數(shù)值模型（圖3），模型尺寸為180 m×50 m×155 m，兩橋基間距80 m，樁間距2.2 m，樁直徑2.2 m，其樁長、上部承臺寬度及部分橋墩尺寸依據(jù)工程設(shè)計圖選取。采用MIDAS GTS有限元分析軟件進行三維數(shù)值模擬，對模型施加自由場邊界，同時輸入地震波水平加速度和垂直加速度的時程曲線進行地震動力分析，設(shè)2處監(jiān)測點進行時程分析（圖4）。

2.2 計算參數(shù)

本次數(shù)值模擬參數(shù)是根據(jù)橋基邊坡的勘察資料結(jié)合工程類比，綜合給出邊坡巖體以及C25混凝土的物理力學(xué)參數(shù)（表1）。其樁基和橋墩的計算參數(shù)，對每個樁基施加樁端承載力為4 000 kN，界面和樁-樁最終剪力為200 kN/m2，橋墩頂部施加均布荷載200 kN/m2。對模型施加自由場邊界以及地震波輸入（圖4）。橋址區(qū)位于小江斷裂帶，故采用歷史上小江斷裂帶的強震記錄（地震動峰值加速度a=0.2g）進行詳細解譯，并截取其中1段作為動力荷載，所施加的加速度幅值為0.2g，地震持續(xù)作用時間10 s。為保證地震數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，利用SeismoSignal軟件進行濾波處理及機械校正，得到地震加速度時程曲線見圖5，選用水平加速度和垂直加速度相同的動荷載。

2.3 計算工況

本次邊坡模擬主要考慮2種工況。

工況1：橋基荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性分析。

工況2：地震作用與橋基荷載共同作用下的邊坡穩(wěn)定性分析。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力及位移分析

由表2可知，針對2種工況下不同位置的位移及應(yīng)力變化趨勢進行對比分析。當(dāng)施加動荷載后，在橋基周圍區(qū)域明顯出現(xiàn)應(yīng)力集中，對X軸向、Z軸向的最大主應(yīng)力達到1.329×104 kPa、4.168×104 kPa，明顯比只施加橋基荷載下的應(yīng)力值要高。由圖6可知，在地震狀態(tài)下坡體受力從坡體表面逐漸向坡體內(nèi)部呈現(xiàn)遞增的特征;而只施加橋基荷載時，因應(yīng)力分布形式多數(shù)分布在坡體表面，其邊坡模型最大應(yīng)力的變化主要位于坡腳處。

隨著地震作用下的動荷載施加后最大水平和豎向位移分別由+4.621 cm和+1.202 cm增加至+14.71 cm和+15.61 cm，此時最大位移位于近坡腳處。當(dāng)只施加橋基荷載后監(jiān)測點的位移變化較小均小于2 cm，但隨著增施動荷載后，對監(jiān)測點的位移變化影響較大，最大位移達到13.26 cm。從監(jiān)測點1的變形位移大小及受到的應(yīng)力變化相對于監(jiān)測點2較小，原因在于橋基處出現(xiàn)應(yīng)力集中且邊坡坡腳處位于臨空面在荷載的施加后，力的釋放使得坡腳附近出現(xiàn)潛在的滑動面，使得該處受到的應(yīng)力較大，需要釋放的能量越多。

3.2 穩(wěn)定性系數(shù)分析

從總體來看，邊坡坡腳首先會發(fā)生塑性變形這與位移及應(yīng)力云圖中反映結(jié)果類似;從塑性區(qū)變化趨勢來看，邊坡塑性區(qū)會隨著地震作用的施加，起于坡腳經(jīng)坡體內(nèi)部向坡頂逐步發(fā)展為潛在的破裂面。由圖8（a）可知當(dāng)橋基荷載施加后邊坡塑性區(qū)主要集中在邊坡坡腳處，沿坡面向坡頂，位于監(jiān)測點1與監(jiān)測點2之間形成潛在破裂面;圖8（b）可知隨著增施地震作用塑性區(qū)主要集中于坡角處，但應(yīng)力分布由內(nèi)部逐漸衍生于整個坡體，其受到地震作用下的動荷載影響較大。

根據(jù)數(shù)值模擬得到不同工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)見表3。對于工況1邊坡穩(wěn)定性系數(shù)滿足規(guī)范規(guī)定的安全穩(wěn)定性系數(shù);當(dāng)增施地震作用時，針對工況2數(shù)值模擬的穩(wěn)定性系數(shù)小于1，此時的邊坡已發(fā)生破壞。因地震作用的復(fù)雜性，表明橋基邊坡存在潛在的安全風(fēng)險，應(yīng)予以重視。

4 結(jié)論

對于高地震區(qū)某橋基邊坡采用MIDAS GTS有限元軟件對其穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬分析，建立了2種工況下的數(shù)值模型，對比分析橋位的位移、應(yīng)力和塑性區(qū)變化規(guī)律以及邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

（1）在公路建設(shè)工程中，橋基荷載與地震作用對橋基邊坡穩(wěn)定性具有較大的影響，其中地震作用對橋基邊坡穩(wěn)定性的負(fù)面影響尤為顯著。

（2）當(dāng)施加地震動峰值加速度αmax=0.20g，特征周期TS=0.45 s，橋基邊坡坡腳處應(yīng)力集中，塑性區(qū)變化也主要分布于坡腳處，此時橋基邊坡已發(fā)生破壞，對工程安全存在潛在的風(fēng)險，故予以重視。

（3）通過數(shù)值方法對2種不同工況下橋基邊坡穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)橋基邊坡坡腳應(yīng)力與位移變化明顯，究其原因在于橋位處出現(xiàn)應(yīng)力集中且坡腳處于臨空面，隨著施加荷載的增大需要釋放的能量越大，使得坡體內(nèi)部應(yīng)力呈現(xiàn)出遞增的特征。從塑性區(qū)來看，橋基邊坡塑性區(qū)主要集中于坡腳處，而增施地震作用后坡體應(yīng)力的分布由內(nèi)部逐漸衍生于整個坡體，其受到地震作用下的動荷載影響較大。

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