不同順層巖質(zhì)邊坡特性對(duì)橋墩受力特性的影響研究

摘要：為研究順層巖質(zhì)邊坡不同邊坡特性對(duì)橋墩的受力影響，文章基于有限元方法，利用Midas GTS軟件建立順層巖質(zhì)邊坡橋墩模型，通過(guò)改變巖體彈性模量、結(jié)構(gòu)面傾角、粘聚力及內(nèi)摩擦角，對(duì)順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，從而影響橋墩受力。研究結(jié)果表明：巖體彈性模量對(duì)橋墩受力影響顯著，隨著彈性模量的增加，橋墩墩身內(nèi)力和變形減小；組合荷載作用下，結(jié)構(gòu)面傾角與坡腳越接近，邊坡穩(wěn)定性就越大，橋墩位移就越??；不同坡高條件下，隨著粘聚力、內(nèi)摩擦角的增大，安全系數(shù)也在增大；內(nèi)摩擦角的變化對(duì)穩(wěn)定性的影響大于粘聚力對(duì)其的影響。

關(guān)鍵詞：順層巖質(zhì)邊坡；有限元；橋墩受力；穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào)：U443.22 A 39 130 4

0 引言

受山區(qū)地形、地質(zhì)條件、天然氣候及自然降雨的影響［1-3］，橋梁在建設(shè)時(shí)的首要問(wèn)題是解決所處地域的自然災(zāi)害問(wèn)題，否則橋梁可能因此導(dǎo)致嚴(yán)重的安全隱患，輕則產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失，重則發(fā)生橋梁坍塌，威脅群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。另外，相對(duì)于平整地段的橋墩，山區(qū)高架橋墩力學(xué)機(jī)制復(fù)雜，主要表現(xiàn)為：

（1）橋墩受力原因多變。山區(qū)橋墩多處于邊坡滑移范圍內(nèi)［4］，不僅要承擔(dān)豎向動(dòng)力荷載作用，還要承擔(dān)滑坡水平推力作用，以防橋墩發(fā)生傾斜、偏移等問(wèn)題。

（2）受力原理復(fù)雜。陳玉欣等［5］通過(guò)對(duì)橋梁周?chē)吰聨r土體進(jìn)行勘察，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)邊坡由巖體和（或）土體構(gòu)成，受到自然界降雨作用、風(fēng)化剝蝕作用、地震荷載作用、人為挖填方等因素影響，破壞了原本邊坡穩(wěn)定性，使下滑力大于抗滑力，巨大的下滑推力對(duì)橋墩產(chǎn)生無(wú)法修復(fù)的毀滅性損傷，對(duì)橋墩的安全性產(chǎn)生非常直接的影響［6］。

常見(jiàn)橋墩與位于復(fù)雜山區(qū)順層巖質(zhì)邊坡橋墩的位移、變形、受力特征有較大差異。通常表現(xiàn)為：順層巖質(zhì)邊坡橋墩不僅要承擔(dān)上部豎向荷載，還要承擔(dān)樁前土體的抗力與邊坡自重作用；要保證橋梁受地震荷載時(shí)能夠正常使用。部分學(xué)者對(duì)橋墩力學(xué)機(jī)制進(jìn)行研究時(shí)并沒(méi)有考慮邊坡滑動(dòng)作用以及橋墩的阻滑作用，這些誤差可能會(huì)對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)和投入使用有一定程度的影響［7］。

因此，本文基于前人對(duì)橋墩力學(xué)機(jī)理的研究，進(jìn)一步考慮在復(fù)雜山區(qū)地質(zhì)條件下橋墩的受力特性，提出橋墩對(duì)順層巖質(zhì)邊坡的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制，并結(jié)合Midas GTS有限元軟件，模擬樁土作用的影響，為今后橋梁選址提供相應(yīng)依據(jù)。

1 工程概況

本文依托于某高速公路標(biāo)段的實(shí)際橋梁工程，其位置屬于山地地貌，地勢(shì)險(xiǎn)峻、高差大，橋址高程介于500～700 m。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域地層主要是第四系和侏羅系，上覆層以粉質(zhì)黏土為主，厚度較薄；下覆基巖以中風(fēng)化砂巖、泥巖為主，分布連續(xù)，場(chǎng)地穩(wěn)定性好。由于該區(qū)域存在地表常年性支流，根據(jù)預(yù)估流量，雨季時(shí)橋墩中部沖溝區(qū)容易大量積水，地表水沖刷作用對(duì)橋墩產(chǎn)生影響。通過(guò)查閱《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），該地區(qū)新構(gòu)造作用強(qiáng)烈，斷裂活動(dòng)頻繁，其地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g，地震基本烈度為Ⅶ度。

2 有限元方法基本理論

目前常用的有限元軟件主要為ANSYS、ABAQUS和Midas GTS。Midas GTS軟件可以對(duì)二維、三維巖土體進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，可以很好地反映巖土體的力學(xué)性質(zhì)，在前處理的基礎(chǔ)上提供了相對(duì)完整的后處理程序，并涵蓋常用的本構(gòu)模型，例如摩爾-庫(kù)侖模型、各向同性彈性模型、線(xiàn)彈性模型等。

因此，本文采用Midas GTS軟件對(duì)某邊坡進(jìn)行三維地質(zhì)建模。由于橋梁結(jié)構(gòu)主要采用混凝土材料，其力學(xué)特征表現(xiàn)為為線(xiàn)彈性應(yīng)力-應(yīng)變，故采用各向同性彈性模型來(lái)模擬均質(zhì)、各向同性的材料（橋梁墩樁）。而樁周巖土體力學(xué)特征復(fù)雜，出于對(duì)樁土作用的考慮，在摩爾-庫(kù)侖的基礎(chǔ)上，優(yōu)化模型計(jì)算收斂性，采用修正的摩爾-庫(kù)侖模型模擬樁周巖土體，如圖1所示。

3 順層巖質(zhì)邊坡三維模型的建立

3.1 細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定

數(shù)值模擬的正確性取決于細(xì)觀參數(shù)的確定。室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)直接獲得了宏觀力學(xué)參數(shù)，包括抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、粘聚力等，而Midas GTS軟件并未給出細(xì)觀力學(xué)參數(shù)與宏觀力學(xué)參數(shù)之間的定量關(guān)系表達(dá)式。因此，本文通過(guò)不斷地調(diào)試模擬試驗(yàn)的結(jié)果，將試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)作為驗(yàn)證項(xiàng)目，得到其細(xì)觀參數(shù)。

巖體參數(shù)由變形參數(shù)、強(qiáng)度參數(shù)兩方面組成。由于巖體具有非均質(zhì)、不連續(xù)等特點(diǎn)，需要監(jiān)測(cè)其離散性。在巖體力學(xué)中，泊松比u的變化幅度不大，遠(yuǎn)小于彈性模量E、粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ的變化。因此在計(jì)算模型中，將泊松比u當(dāng)成已知量，對(duì)彈性模量E、粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ進(jìn)行參數(shù)反演，得到合理參數(shù)［8］。

中風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化泥巖兩種巖體的細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定后的應(yīng)力-應(yīng)變擬合曲線(xiàn)如圖2所示，通過(guò)細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定得到的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2 三維模型的建立

本文研究以大橋邊坡勘察資料為基礎(chǔ)，建立順層巖質(zhì)邊坡橋墩模型。其具體參數(shù)如下：邊坡高度為35 m，坡度為12°，模型橫橋向厚度為45 m；橋墩墩柱長(zhǎng)39 m，墩臺(tái)高2.5 m。將CAD建模后導(dǎo)入Midas GTS軟件，得出順層巖質(zhì)邊坡模型如圖3所示。

對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖4所示。

3.3 荷載施加

橋墩受力復(fù)雜，因此本文中對(duì)橋墩部分施加組合荷載，但由于實(shí)際工程中橋墩的實(shí)際水平承載力遠(yuǎn)小于豎向承載力，因此在數(shù)值模擬過(guò)程中，只考慮水平荷載的傳遞作用，折減后施加于豎向荷載。如下頁(yè)表2所示為荷載的5種組合方式。

4 邊坡特性對(duì)順層巖質(zhì)邊坡橋墩受力的影響

4.1 巖體彈性模量

為研究巖體彈性模量對(duì)橋墩受力的影響，采用Midas GTS軟件建立順層巖質(zhì)邊坡橋墩模型。該橋墩墩長(zhǎng)為20 m，墩身剛度為EI，樁徑為2.5 m，不同彈性模量下橋墩位移影響如表3和圖5所示。

從圖5可知，墩身周?chē)鷰r土體的彈性模量變化對(duì)橋墩位移影響明顯，當(dāng)巖體彈性模量為1/4E時(shí)，墩頂?shù)乃轿灰茷?3.525 mm，豎向位移為33.823 mm，隨著彈性模量E的增大，樁墩的位移不斷減少?？梢园l(fā)現(xiàn)墩頂水平位移對(duì)彈性模量的敏感程度遠(yuǎn)高于豎向位移，當(dāng)彈性模量從1/4E增加到2E時(shí)，墩頂水平位移減少15.093 mm，墩頂豎向位移減少6.997 mm。因此，在橋梁工程建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)盡量選擇將橋墩置于巖土體性質(zhì)較好的工程段，若墩周巖體性質(zhì)較差，則可以增加其嵌固深度，提高其承載能力，為今后橋梁選線(xiàn)提供依據(jù)。

4.2 巖體結(jié)構(gòu)面傾角

為研究巖體結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)橋墩受力的影響，采用Midas GTS軟件建立順層巖質(zhì)邊坡橋墩模型，該橋墩墩長(zhǎng)為20 m，墩身剛度為EI，樁徑為2.5 m，如圖6所示為組合荷載下不同結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)橋墩水平位移的影響曲線(xiàn)圖。

根據(jù)圖6可知，結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)橋墩位移影響較大，在不同結(jié)構(gòu)面傾角下其曲線(xiàn)形式均表現(xiàn)為緩降型。由水平位移曲線(xiàn)可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為15°～35°時(shí)，其水平位移隨著荷載的增大而顯著增大，在最后一級(jí)組合荷載作用下水平位移增加23.382 mm，增幅高達(dá)82.6％；當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為45°時(shí)，水平位移突變幅度最小，僅為35°時(shí)的71.6％；當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角位于45°～60°時(shí)，其水平位移增長(zhǎng)緩慢。當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角從15°增大至45°時(shí)，橋墩豎向位移從31.213 mm減小至30.467 mm；當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角從 45°增大到 65°時(shí)，墩頂豎向位移從30.467 mm減小至26.256 mm，相比而言，大傾角時(shí)的橋墩豎向位移的減小幅度較大。

4.3 粘聚力及內(nèi)摩擦角

粘聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)順層巖質(zhì)邊坡橋墩受力產(chǎn)生影響的主要原因是改變其自身坡體的下滑力和抗滑力，通過(guò)下滑力和抗滑力的變化，影響邊坡坡體的安全系數(shù)，進(jìn)而影響樁與土之間的力學(xué)作用。因此，改變邊坡下滑力、側(cè)摩阻力，間接反映了橋墩的受力。

通過(guò)不同的結(jié)構(gòu)面參數(shù)（邊坡坡高、坡角、粘聚力、內(nèi)摩擦角）來(lái)模擬開(kāi)挖過(guò)程中的變化，更能準(zhǔn)確反映邊坡穩(wěn)定性。如表4所示為結(jié)構(gòu)面參數(shù)取值。

不同結(jié)構(gòu)面參數(shù)取值下，邊坡相應(yīng)安全系數(shù)如表5～8所示。

不同結(jié)構(gòu)面參數(shù)取值下，邊坡相應(yīng)安全系數(shù)變化如圖7所示。

如圖7所示，通過(guò)Midas GTS軟件模擬計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，在不同坡高下，粘聚力-安全系數(shù)曲線(xiàn)、內(nèi)摩擦角-安全系數(shù)曲線(xiàn)均呈現(xiàn)拋物型，在粘聚力、內(nèi)摩擦角不變的前提下，安全系數(shù)隨著坡高的增大而減??；隨著坡高的增加，粘聚力對(duì)穩(wěn)定性的影響在不斷減小，而摩擦角對(duì)穩(wěn)定性的影響在不斷增加。在不同坡角下，粘聚力的減小對(duì)穩(wěn)定性的影響明顯大于其增加所產(chǎn)生的影響，隨著坡度的增加，粘聚力對(duì)穩(wěn)定性的影響在不斷增加。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于有限元方法，利用Midas GTS軟件建立三維數(shù)值模型，考慮順層巖質(zhì)邊坡下橋墩的受力特性，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，主要結(jié)論如下：

（1）巖體彈性模量對(duì)橋墩受力影響顯著，隨著彈性模量的增加，橋墩墩身內(nèi)力和變形減小。因此在橋梁工程建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)盡量選擇將橋墩置于巖土體性質(zhì)較好的工程段，若墩周巖體性質(zhì)較差，則可以增加其嵌固深度，提高其承載能力，為今后鐵路橋梁選線(xiàn)提供依據(jù)。

（2）結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)橋墩影響顯著，在組合荷載作用下，結(jié)構(gòu)面傾角與坡腳越接近，邊坡穩(wěn)定性就越大，橋墩位移就越小。

（3）不同坡高條件下，隨著粘聚力、內(nèi)摩擦角的增大，安全系數(shù)也在增大；隨著坡高的增加，粘聚力對(duì)穩(wěn)定性的影響在不斷減小，而內(nèi)摩擦角對(duì)穩(wěn)定性的影響在不斷增加。內(nèi)摩擦角的變化對(duì)穩(wěn)定性的影響大于粘聚力對(duì)其產(chǎn)生的影響。

參考文獻(xiàn)

［1］楊果林，林天爵，譚 鵬，等.高陡邊坡段橋梁大直徑樁基變形內(nèi)力傳遞矩陣解［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，53（8）：2 974-2 987.

［2］Kailong F U，Cai J，Zhao J，et al.The Correlation Analysis of Bridge Piers Settlement amp; Rising and Geological Condition of Jianshanying Bridge of Guiyang-Guangzhou High Speed Railway［J］.Journal of Railway Engineering Society，2019（10）：50-56.

［3］Dong G，Zhang J，Xue F，et al.Numerical Simulation of Wind-rain Coupling Effect on Typical Bridge Section Based on Lagrangian System［J］.Journal of Hunan University（Natural Sciences），2017，44（9）：26-32.

［4］吳紅剛，任建凱，張永謀，等.正交通過(guò)滑坡體的橋梁墩基地震動(dòng)力響應(yīng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2021，40（S2）：3 443-3 454.

［5］陳玉欣，王 娜.滑坡體上橋梁病害分析及加固技術(shù)研究［J］.公路，2021，66（11）：189-193.

［6］歐陽(yáng)平，崔振山，劉文強(qiáng)，等.山區(qū)受災(zāi)橋梁病害成因分析及加固技術(shù)研究［J］.公路，2022，67（5）：164-170.

［7］劉 昂.跨越庫(kù)區(qū)橋梁基礎(chǔ)受力性能研究［J］.公路，2022，67（7）：243-248.

［8］王卓夫.基于離散元方法的深埋隧洞圍巖巖爆模擬研究［D］.長(zhǎng)沙：湘潭大學(xué)，2021.

收稿日期：2023-01-15