基于MIDAS-GTS的橋梁樁基開挖施工階段數(shù)值模擬

張烜途 李海鷗 向治州

在四川陡峭的山區(qū)開挖樁基是一項(xiàng)具有重大安全風(fēng)險(xiǎn)的工程活動(dòng)，研究橋樁施工過程中循環(huán)開挖與邊坡安全性的相互關(guān)系具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。結(jié)合GIS軟件可以看出安寨坪2號(hào)橋地處自然環(huán)境為山高坡陡、河流深切、邊坡破碎，基于MIDAS-GTS有限元軟件分析了安寨坪2號(hào)橋邊坡穩(wěn)定性并通過施工階段助手模擬了橋梁樁基開挖過程，結(jié)果表明：邊坡在切坡后整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，其應(yīng)力最大處在切坡坡腳；樁基的開挖深度與邊坡的橫向位移呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，開挖后的前10步邊坡位移變化較大。

復(fù)雜地形； MIDAS-GTS； 樁基開挖； 邊坡穩(wěn)定性

U443.15+9 A

［定稿日期］2022-03-17

［作者簡介］張烜途（1995—），男，碩士，研究方向?yàn)閹r土工程技術(shù)；李海鷗（1994—），男，碩士，研究方向?yàn)闃蛄菏┕た刂萍夹g(shù)。

在復(fù)雜地形條件下開挖橋梁樁基礎(chǔ)是一項(xiàng)有安全風(fēng)險(xiǎn)的工程活動(dòng)，研究橋梁樁基開挖過程與邊坡安全性的相互關(guān)系具有重大意義。

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度的加大，高速公路逐步走向山區(qū)，橋位及樁位勢(shì)必會(huì)面對(duì)越來越多的陡峭斜坡、滑坡體、泥石流等復(fù)雜多變的地形地貌，并遇到越來越多的地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)，應(yīng)用有限元手段對(duì)其危險(xiǎn)性進(jìn)行數(shù)值模擬是災(zāi)害評(píng)估的一種手段［1-4］。

1 工程環(huán)境

1.1 地理位置

安寨坪2號(hào)橋位于四川雷波縣曲依鄉(xiāng)境內(nèi)，在其中部腹地，區(qū)域面積約為0.11 km2，地理位置大概屬北緯28°10′～28°11′，東經(jīng)103°27′～103°28′，曲依鄉(xiāng)東臨千萬貫鄉(xiāng)，北接八寨鄉(xiāng)，西靠簸箕梁子鄉(xiāng)，南隔金沙江與上田壩鄉(xiāng)相望，區(qū)內(nèi)通有縣鄉(xiāng)公路，但路況較差，雨季通行困難（圖1）。

1.2 自然環(huán)境特征

安寨坪2號(hào)橋場區(qū)位于金沙江河岸旁，用GIS軟件對(duì)該場區(qū)地形進(jìn)行分析，海拔高程在672～946 m，地形相對(duì)開闊；坡度范圍為2°～80°，在高程較高的地方坡度較緩，其平均坡度大概為45°，結(jié)合影像照片，可以看出區(qū)域地勢(shì)十分陡峭，局部近直立。場區(qū)的水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，水系分布密集，通過查閱相關(guān)地質(zhì)水文資料，地下水類型主要有第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水（圖2）。

2 有限元計(jì)算模型

2.1 分析斷面的選取

擬建安寨坪2號(hào)橋橋樁基位置地形高陡，在暴雨、地震等因素的影響下，存在施工安全隱患，取坡體地勢(shì)較差的“Y”型沖溝剖面（坡度較陡處約60°，將整體全部考慮為風(fēng)化巖），利用MIDAS-GTS有限元軟件對(duì)自然斜坡剖面穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析，為現(xiàn)場施工提供一定的分析數(shù)據(jù)支撐。場區(qū)地形地貌如圖3所示。

2.2 邊坡數(shù)值模型

在該剖面上修挖安寨坪2號(hào)橋橋梁樁基，會(huì)對(duì)邊坡坡體進(jìn)行施工擾動(dòng)，造成邊坡應(yīng)力的重分布，從而影響邊坡的穩(wěn)定性，因此本文對(duì)開挖切腳的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，按照設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)圖說明，在標(biāo)高約750 m處向邊坡坡內(nèi)側(cè)開挖大概3 m，向下開挖樁徑為2.2 m的橋梁樁基，利用MIDAS-GTS有限元分析軟件建立坡體網(wǎng)格劃分圖，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并利用軟件施工階段助手功能，對(duì)橋梁樁基開挖施工進(jìn)行簡單數(shù)值模擬。其模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。

在MIDAS-GTS的計(jì)算中，邊坡風(fēng)化巖土層采用的是莫爾-庫倫（Mohr-Coulomb）彈塑性材料模型，具體參數(shù)如表1所示。

2.3 計(jì)算方法

本文應(yīng)用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，通過MIDAS-GTS巖土軟件假定不同的折減系數(shù)對(duì)邊坡巖土體強(qiáng)度參數(shù)c和tanφ進(jìn)行折減，削弱其值使單元應(yīng)力達(dá)到屈服或超出屈服，如果計(jì)算的結(jié)果收斂時(shí)土體處于穩(wěn)定狀態(tài)，然后繼續(xù)增加折減系數(shù)，直到計(jì)算的結(jié)果出現(xiàn)不收斂時(shí)，表示邊坡發(fā)生破壞，此時(shí)的折減系數(shù)就是邊坡的安全系數(shù)Fs。

c′=cFs（1）

′=arctan（tanφFs）（2）

式中：Fs為強(qiáng)度折減系數(shù)；c、φ為實(shí)際抗剪強(qiáng)度參數(shù)；c、φ為折減后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

2.4 邊坡穩(wěn)定性

由邊坡穩(wěn)定性分析（SRM）（圖5）可以看到，切坡后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.151 6，并且坡體的軟弱滑移面在切坡面上方，整個(gè)邊坡的應(yīng)力集中點(diǎn)在切坡坡腳處，由此可以分析出，在位于斜坡路段樁基施工時(shí)應(yīng)盡量減小對(duì)邊坡的擾動(dòng)，保持原土體的穩(wěn)定，對(duì)斜坡上本身不穩(wěn)定的碎屑?jí)K石應(yīng)適當(dāng)清除，必要時(shí)適當(dāng)對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)，同時(shí)做好切坡邊坡的監(jiān)測(cè)測(cè)量，確保其穩(wěn)定性。

3 樁基開挖施工階段模擬

3.1 開挖參數(shù)

本次樁基開挖的樁徑為2.2 m，施工階段模擬將開挖深度控制在1 m一個(gè)循環(huán)，同時(shí)跟上20 cm厚C30混凝土護(hù)壁，反復(fù)循環(huán)30次，向下開挖30 m，通過MIDAS-GTS施工階段助手對(duì)每個(gè)樁基開挖階段進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，查看每個(gè)施工階段邊坡x方向位移云圖。其C30混凝土材料參數(shù)如表2所示。

3.2 結(jié)果分析

在孔口左上方設(shè)A監(jiān)測(cè)點(diǎn)，右下方設(shè)B監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過MIDAS-GTS軟件提取樁基開挖中各分步的x方向位移計(jì)算結(jié)果，如圖6～圖9所示。

通過邊坡x方向位移云圖可以明顯看出，開挖后邊坡位移變化較大處在樁基施工開挖前10步，特別是孔口上方斜側(cè)坡腳位置以及順坡向下側(cè)向孔壁旁，這些位置在受到施工擾動(dòng)后，由于邊坡上的位移增速塊，坡上碎屑?jí)K石很容易發(fā)生滾動(dòng)滑落，對(duì)施工的安全造成威脅；隨著樁基開挖的進(jìn)行，整個(gè)坡體下部的側(cè)向位移在減小并逐漸趨于平穩(wěn)，A點(diǎn)在第10步的位移值為2.37 cm，B點(diǎn)在第10步的位移為2.58 cm，由此說明在模擬的樁基開挖過程中，樁基上部結(jié)構(gòu)的施工風(fēng)險(xiǎn)較下部結(jié)構(gòu)高，施工過程中需要重點(diǎn)注意防護(hù)的是樁基上部位置；由坡體現(xiàn)場實(shí)拍圖結(jié)合有限元應(yīng)力分析云圖，安寨坪2號(hào)橋旁地形陡峭，地形地貌很復(fù)雜，多處跨碎屑沖溝地帶，并且碎屑?jí)K石分布廣、方量大，在進(jìn)行橋梁樁基施工前很難將坡面表層碎石清理干凈，因此在該處進(jìn)行樁基施工的風(fēng)險(xiǎn)極高。

4 結(jié)論

（1）擬建安寨坪2號(hào)橋地理位置大概屬北緯28°10′～28°11′，東經(jīng)103°27′～103°28′，海拔高程在672～946 m，平均坡度大概為45°，基巖裸露部分近乎垂直。

（2）由MIDAS-GTS對(duì)切坡后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析結(jié)，擬建安寨坪2號(hào)橋旁邊坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，整個(gè)邊坡的應(yīng)力集中點(diǎn)在切坡坡腳處，因此在對(duì)邊坡進(jìn)行開挖時(shí)要注意對(duì)切坡坡腳的防護(hù)。

（3）通過MIDAS-GTS施工階段模擬結(jié)果，開挖后邊坡位移變化較大處在樁基施工開挖前10步，特別是孔口上方斜側(cè)坡腳位置以及順坡向下側(cè)向孔壁旁，這些位置在受到施工擾動(dòng)后，邊坡上的碎屑?jí)K石很容易發(fā)生滾動(dòng)滑落，對(duì)施工的安全造成威脅，建議對(duì)離孔口近的位置進(jìn)行必要的工程防治處理。

參考文獻(xiàn)

［1］ 田世寬，李盼盼. 山區(qū)復(fù)雜地形峽谷橋梁樁基及墩柱結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)［J］. 筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2019，36（8）：97-99+106.

［2］ 陳國慶，黃潤秋，石豫川，等. 基于動(dòng)態(tài)和整體強(qiáng)度折減發(fā)的邊坡穩(wěn)定性分析［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33（2）：243-256.

［3］ 鄭穎人. 巖土數(shù)值極限分析方法的發(fā)展與應(yīng)用［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（7）：1297-1316.

［4］ 程宏，李東陽，王少凡，等. 復(fù)雜地形下樁基開挖方案探討［J］. 四川水泥，2020（10）：176-177.