基于有限元的順層坡橋梁群樁穩(wěn)定性分析

梁成立， 肖海東， 段永鳳， 王文杰， 趙春龍

（云南省建設(shè)投資控股集團有限公司市政總承包部，昆明 650500）

0 引言

公路工程中，順層邊坡上的橋梁樁基極為常見，由于不穩(wěn)定順層坡的推移、剪切等效應(yīng)會對樁基造成不可估量的損傷，因此研究樁基施工、運營過程中順層坡體的穩(wěn)定性有深遠意義。高榮雄等研究認(rèn)為采用安全系數(shù)和可靠度作為邊坡穩(wěn)定性的評價指標(biāo)，判定結(jié)果更為準(zhǔn)確和全面[1]；步紅軍等[2]研究了順層邊坡穩(wěn)定性影響因素，并根據(jù)研究結(jié)果提出來抗滑樁加固方案。文中以某工程實例為研究對象，依托順層邊坡的治理的經(jīng)驗，借鑒前人相關(guān)研究成果，建立了二維、三維模型模擬原始地層的應(yīng)力狀態(tài)，對順層邊坡的穩(wěn)定性進行計算分析[3]，根據(jù)分析結(jié)果，提出了采用嵌巖抗滑樁的加固方案的建議[4，5]。

1 工程概況

云南某特大橋為單塔雙索面現(xiàn)澆矮塔斜拉橋，橋9#主墩地基處于順層邊坡上，樁基采用25×2.2×65m鉆孔樁基礎(chǔ)，如圖1所示，墩底下設(shè)正方形承臺加群樁基礎(chǔ)，承臺縱橫向平面尺寸25.6m×25.6m，高為6m。主墩（9#、10#）采用鋼筋混凝土變截面薄壁空心墩，墩柱高為92、91m，橋墩橫橋向?qū)?4.224m，縱橋向墩頂寬9m，沿高度方向向下按80：1的傾率擴大橋墩截面。塔高44m，全橋共143個節(jié)段。

圖1 樁基設(shè)計圖（單位：mm）

樁基施工采用“筑島平臺圍堰+放坡開挖”形式，圍堰幾何尺寸184.6m×104.2m×22m，外坡以1：2的筑島坡比，外坡水位線以下使用噸袋自然堆碼，水位線以上使用土工布加砂帶碼砌防止河水沖刷，圍堰頂四周使用鋼管腳手架加安全防護網(wǎng)做臨邊防護。地層斷面如圖2所示。

圖2 墩底部邊坡潛在滑動面

圖中①為粉質(zhì)粘土、②為卵石、④為碎石、⑥為強風(fēng)化板巖、⑦為中風(fēng)化板巖。此外，中風(fēng)化板巖間存在順層夾層，現(xiàn)場施工反饋可能為中風(fēng)化砂巖。根據(jù)地質(zhì)鉆探等手段，分析地層信息，結(jié)合云南地區(qū)地質(zhì)方面的相關(guān)研究文獻[6，7]，綜合考慮已有地勘信息確定了地層的計算參數(shù)見表1。

表1 地層計算參數(shù)選取

2 邊坡地基穩(wěn)定性分析

2.1 分析方法簡介

在數(shù)值模擬中，利用Midas GTS NX軟件對9#墩承臺底部邊坡進行二維數(shù)值模擬?？紤]最危險受力情況，計算分析最危險受力情況下邊坡穩(wěn)定性。邊坡穩(wěn)定性計算采用強度折減法計算安全系數(shù)Fs。

在數(shù)值模擬過程中通過自重應(yīng)力模擬原始地層的應(yīng)力狀態(tài)，上部圍堰荷載采用均布荷載，樁頂荷載采用集中荷載，荷載數(shù)值根據(jù)橋梁主體的分析結(jié)果進行選取。

2.2 二維穩(wěn)定性分析

選取9#墩承臺以下地層作為模擬對象，用數(shù)值模擬方法計算地層邊坡穩(wěn)定性的安全系數(shù)。為消除模型邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，選取模型總長度為387m（x向）、高度為129m（y向），邊界條件設(shè)置為：底部施加固定約束，側(cè)面施加法向固定約束，而切向方向不約束，模型的上表面為自由邊界、無約束，巖土體采用Mohr-Coulumb本構(gòu)模型，摩擦樁等結(jié)構(gòu)體系采用彈性本構(gòu)模型，巖土體計算參數(shù)結(jié)合工程勘探資料和相關(guān)經(jīng)驗取值，以偏安全為原則進行選取，模型如圖3所示。

圖3 二維模型圖

模擬4個工況：工況1為初始場地平衡（計算場地初始應(yīng)力場，并將其產(chǎn)生的位移消除，以保證后續(xù)計算結(jié)果精確）；工況2中激活上部圍堰荷載；工況3中激活樁頂荷載；工況4中祛除粉質(zhì)粘土層，荷載直接施加于卵石層。

根據(jù)以上工況，建立二維計算模型，各工況分析結(jié)果見圖4～圖7，限于篇幅，僅展示部分計算圖示。

圖4 工況1位移云

圖5 工況2總位移云圖

圖6 工況3總位移圖

圖7 工況4總位移圖

工況1為初始應(yīng)力平衡階段，由強度折減法獲得的安全系數(shù)Fs=1.25。結(jié)果表明潛在滑動面可能出現(xiàn)在粉質(zhì)粘土層的臨空面。

工況2為圍堰施工完成，在頂部施加圍堰均布荷載，由強度折減法獲得的安全系數(shù)Fs=1.19。結(jié)果表明潛在滑動面可能出現(xiàn)在粉質(zhì)粘土層的臨空面。

工況3已施工完成所有樁基礎(chǔ)，主墩承臺、橋墩，此時施加樁頂最危險受力，由強度折減法獲得的安全系數(shù)Fs=1.15，結(jié)果表明潛在滑動面可能出現(xiàn)在粉質(zhì)粘土層的臨空面。

工況4為祛除上部粉質(zhì)粘土層，將上部荷載直接施加于卵石層，由強度折減法獲得的最小安全系數(shù)Fs=1.43。結(jié)果表明潛在滑動面可能出現(xiàn)在兩個位置，第一個位置是9#墩上部傾斜面卵石層與強風(fēng)化板巖的交界處，第二個位置是在9#墩下部傾斜面卵石層與強風(fēng)化板巖交界處。

二維模型安全系數(shù)見表2。

表2 二維分析安全系數(shù)

2.3 三維穩(wěn)定性分析

由于二維模型計算只能考慮平面應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，然而實際工程是一種三維受力狀態(tài)，圍堰體在施工過程中的位移、承臺和摩擦樁受力狀態(tài)、粉質(zhì)黏土層邊坡的位移等都是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素。

為了更符合工程的實際情況，通過Midas GTS NX有限元軟件，建立了三維模型進行計算分析，總長度為377m（x向）、寬度為266m（y向）、高度為129m（z向），邊界條件設(shè)置為底部施加完全固定約束，側(cè)面施加法向固定約束，而切向方向不約束，模型的上表面為自由邊界、無約束。巖土體采用Mohr-Coulumb本構(gòu)模型，摩擦樁等結(jié)構(gòu)體系采用彈性本構(gòu)模型。巖土體計算參數(shù)結(jié)合工程勘探資料和相關(guān)經(jīng)驗取值，以偏安全為原則進行選取。施工模擬6個工況，工況具體描述見表3。

表3 工況簡述

根據(jù)圖8～圖10工況，建立三維計算模型，限于篇幅，僅展示工況4和工況6部分計算結(jié)果，計算結(jié)果如下：

圖8 工況4模型整體位移圖（x向）

圖9 工況4模型整體應(yīng)力圖（x向）

圖10 工況6模型整體位移圖（x向）

分析知工況4的x向最大位移為46.7mm，y向最大位移為-14.5mm，z向最大位移為-159.1mm；粉質(zhì)黏土層邊坡的x向最大位移為29.9mm，y向最大位移為-3.5mm，z向最大位移為-6.2mm。

分析知工況6施加運營期最不利荷載計算結(jié)束后，承臺四周土體有向內(nèi)部位移的趨勢，最大x向位移量約20.8mm，最大y向位移量約18.5mm，最大z向位移量約48.9mm；粉質(zhì)黏土層邊坡的x向最大位移為0.28mm，y向最大位移為-0.04mm，z向最大位移為0.05mm。各工況位移如表4和圖11所示。

表4 結(jié)果統(tǒng)計 mm

圖11 工況6模型整體應(yīng)力圖（x向）

此外，提取施加運營期最不利荷載計算結(jié)束后，群樁的軸向應(yīng)力云圖、最大剪應(yīng)力云見圖12、圖13，最大剪應(yīng)力結(jié)果見表5。

圖12 工況6群樁軸向應(yīng)力云圖

圖13 工況6群樁最大剪應(yīng)力云圖

表5 運營階段群樁最大剪應(yīng)力結(jié)果統(tǒng)計kPa

由強度折減法計算的各工況下安全系數(shù)見表6。

表6 三維狀態(tài)各工況安全系數(shù)

3 結(jié)果分析與加固建議

根據(jù)二維和三位模型計算結(jié)果可知，橋圍堰下部的粉質(zhì)黏土層存在滑動的可能性。建議在粉質(zhì)粘土邊坡的臨空面增加抗滑樁，以防止?jié)撛诘幕瑒訉摺⒊信_、群樁造成影響。根據(jù)現(xiàn)有勘察資料，抗滑樁嵌固端建議打入中風(fēng)化板巖層，嵌固端長度建議為懸臂端長度的2倍，抗滑樁間距建議取2m，抗滑樁詳細設(shè)計應(yīng)參照相關(guān)設(shè)計規(guī)范及現(xiàn)場勘察資料進行。此外，根據(jù)現(xiàn)有勘察資料和現(xiàn)場施工反饋信息，承臺底部的粉質(zhì)黏土層和卵石層之間存在不穩(wěn)定層，該層詳細信息尚不明確，建議進行詳細勘探，并根據(jù)勘探結(jié)果再次進行分析。

4 結(jié)語

順層坡的推移、剪切效應(yīng)對樁基的影響不容忽視，矮塔斜拉橋?qū)儆诔o定結(jié)構(gòu)，在施工過程中，結(jié)構(gòu)的幾何特性、材料特性、所受荷載以及支承條件等均不斷變化，結(jié)構(gòu)體系也不斷轉(zhuǎn)換，受到樁基和土體運動相互作用的影響，土體位移會受到樁基的約束，而樁基也通過彎曲剛度來抵抗土體的波動作用。當(dāng)順層邊坡發(fā)生沿層面的失穩(wěn)，樁基發(fā)生的水平運動、偏移和彎曲最后會影響和改變橋梁結(jié)構(gòu)體系的變形和內(nèi)力，為確保施工和運營安全。

在設(shè)計和施工順層坡體上的橋梁時，要對各時期、各工況下的邊坡穩(wěn)定性進行細致驗算分析，以避免因坡體失穩(wěn)造成較大危害與損失。