北盤(pán)江大橋推薦橋位安龍岸邊坡穩(wěn)定性分析

李和志 , 葛莎, 賀建清, 梅松華, 葉智淼

(1.湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院市政與路橋工程系, 湘潭 411104; 2.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院, 湘潭 411201; 3.中南電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 長(zhǎng)沙 410014)

自然界中的邊坡常常處于一個(gè)維持自身穩(wěn)定的狀態(tài),即內(nèi)部的抵抗力不小于外部擾動(dòng)力,而內(nèi)部抵抗力和外部擾動(dòng)力則隨著邊坡形狀、施加在邊坡的外力的改變而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。如果在外力擾動(dòng)較為強(qiáng)烈的情況下,邊坡容易出現(xiàn)失穩(wěn),進(jìn)而導(dǎo)致破壞[1],所以邊坡穩(wěn)定性的分析與評(píng)價(jià)極其重要。邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)是邊坡工程領(lǐng)域的重點(diǎn)工作之一。

邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)一般從定性與定量?jī)蓚€(gè)角度開(kāi)展,諸多學(xué)者在這個(gè)方面取得了較多的研究成果,如張小榮等[2]采用COMSOL Multiphy-sics數(shù)值模擬軟件,基于水-熱-力三場(chǎng)耦合作用下,分析了季凍區(qū)根-土復(fù)合體邊坡穩(wěn)定性。周粲銘等[3]采用Geo-studio軟件建立降雨入滲錨桿加固多級(jí)邊坡的流固耦合有限元分析模型,研究了錨桿加固多級(jí)邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律,及錨桿受力特性。宋健等[4]利用拉格朗日連續(xù)介質(zhì)法(fast lagrangian analysis of continua,FLAC)有限差分軟件對(duì)不同邊坡進(jìn)行地震穩(wěn)定性數(shù)值模擬,對(duì)比分析不同強(qiáng)度地震力作用下均質(zhì)土體、分層土體和含軟弱夾層土體邊坡的滑動(dòng)面演化過(guò)程和永久變形分布特征。李志強(qiáng)等[5]基于模糊層次分析法(fuzzy analytic hierarchy process,FAHP)與集對(duì)分析法(set pair analysis,SPA)建立了邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型,將該方法應(yīng)用于重慶市某岸坡穩(wěn)定性分析。王長(zhǎng)虹等[6]采用貝葉斯方法校準(zhǔn) (soil-water characteristic curve, SWCC)模型參數(shù),量化不同SWCC模型估計(jì)的不確定性,再使用隨機(jī)場(chǎng)理論,描述飽和滲透系數(shù),聯(lián)合隨機(jī)統(tǒng)計(jì)特征討論非飽和滲透系數(shù)空間變異性對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。以上方法對(duì)于不同邊坡的穩(wěn)定性的分析具有一定的幫助,但計(jì)算過(guò)程相對(duì)比較復(fù)雜,工作量比較大。

由于邊坡工程所處的地質(zhì)和水文環(huán)境千差萬(wàn)別,不同邊坡需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,采取科學(xué)合理的邊坡穩(wěn)定性分析方法。在前文諸多學(xué)者的研究基礎(chǔ)上,為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程,現(xiàn)提出在北盤(pán)江大橋推薦橋位安龍岸邊坡工程地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上采用Slide.v6007、Phase2 V9.0邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算軟件和FLAC3D軟件對(duì)安龍岸邊坡進(jìn)行二維和三維穩(wěn)定性計(jì)算,從定量分析的角度進(jìn)一步分析和評(píng)價(jià)安龍岸邊坡的穩(wěn)定性。

1 工程概況

六枝至安龍高速公路位于貴州省西南部,路線起點(diǎn)位于六枝特區(qū)城區(qū)南部的同云村,與都香高速公路(G7611)對(duì)接,設(shè)置樞紐互通立交實(shí)現(xiàn)交通流轉(zhuǎn)換;終點(diǎn)位于安龍縣西南側(cè)木咱鎮(zhèn),與汕昆高速公路(G78)對(duì)接,設(shè)置T型樞紐互通立交實(shí)現(xiàn)交通流轉(zhuǎn)換,路線整體呈南北走向。擬建的北盤(pán)江大橋橋址區(qū)位于關(guān)嶺縣鎮(zhèn)科力寨村至貞豐縣村,大橋沿線處于構(gòu)造侵蝕河谷工程地質(zhì)區(qū),跨越了北盤(pán)江。大橋初步設(shè)計(jì)的推薦橋位為K線方案一,采用1 366 m單跨吊簡(jiǎn)支體系,主纜間距為27 m;吊索在鋼桁架梁上的橫向錨固距離是27 m;順橋向標(biāo)準(zhǔn)吊索距離是15.2 m。六枝岸(也稱(chēng)南岸)引橋布置為45 m+70 m+45 m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋,安龍岸(也稱(chēng)北岸)引橋布置為[6×40+(70+130+70)+5×40] m的預(yù)制T梁+預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋。

根據(jù)工程地質(zhì)分析,北盤(pán)江大橋推薦橋位安龍岸邊坡可能的變形破壞模式是以邊坡坡腳切割出露巖層為潛在不穩(wěn)定巖體,易于在順層面方向形成平面型滑動(dòng)破壞,以及由于巖體節(jié)理、層面、各種裂隙切割形成的楔形體的滑移和局部塊體掉塊、崩塌,施加工程荷載后存在發(fā)生局部邊坡順層面滑動(dòng)破壞的可能性[7]。

2 邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)

邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)的確定是邊坡穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵步驟之一。結(jié)合推薦橋位區(qū)工程地質(zhì)條件和巖體結(jié)構(gòu)特征、采用Hoek-Brown建議的經(jīng)驗(yàn)公式[2]、類(lèi)比相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)并參考現(xiàn)行的《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)、《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487—2008)、《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 386—2007)等規(guī)范文件,綜合大橋初步設(shè)計(jì)地勘單位的建議參數(shù),表1提出了北盤(pán)江大橋推薦橋位區(qū)巖土體參數(shù)推薦值[8]。

3 計(jì)算工況與荷載

計(jì)算工況采用5種,分別為:①自然狀態(tài)下(工況1)邊坡的安全系數(shù);②自然狀態(tài)+地震作用下(工況2)邊坡的安全系數(shù);③巖體自重+橋梁荷載作用下(工況3)的邊坡安全系數(shù);④巖體自重 + 橋梁荷載 + 地震作用下(工況4)的邊坡安全系數(shù);⑤巖體自重+橋梁荷載+暴雨下(工況5)的邊坡安全系數(shù)。

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2015),北盤(pán)江大橋抗震設(shè)計(jì)按照Ⅶ設(shè)防,反應(yīng)譜特征周期0.40 s,地震加速度取0.1g(g為重力加速度)[9]。按照《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 386—2007)附錄D.2的要求算出地震慣性力[10]。利用折減巖土體強(qiáng)度參數(shù)的方式來(lái)模擬暴雨工況,其折減系數(shù)為0.85。

在計(jì)算過(guò)程中,因?yàn)檫吰露S極限平衡計(jì)算中所選取的寬度是單位寬度。所以要按照承臺(tái)單位寬度承受的荷載來(lái)計(jì)算承臺(tái)底部的荷載。在極限平衡分析時(shí),對(duì)單位寬度剪力與單位寬度軸向壓力進(jìn)行合成,再按照兩者的合力方向作用在承臺(tái)的底部。具體值如表2所示。

表2 巖體自重+橋梁荷載Table 2 Gravity of rock mass + bridge loadings

4 邊坡穩(wěn)定性二維分析

采用Rocscience公司的Slide.v6007和Phase2 V9.0邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算軟件對(duì)推薦橋位安龍岸邊坡在不同工況下進(jìn)行二維極限平衡分析和二維有限元分析。計(jì)算分析選用的參數(shù)如表1和表2所示。

4.1 二維地質(zhì)概化模型

因?yàn)椴煌闆r的邊坡可能發(fā)生的失穩(wěn)情形是各不相同的,所以需要綜合考慮工程地質(zhì)條件以及計(jì)算的要求來(lái)建立工程地質(zhì)概化模型。基于推薦橋位的主要水平荷載分為順橋軸向和垂直于橋軸線的兩個(gè)方向,因此在二維穩(wěn)定性分析時(shí),順橋軸向方向選擇平行于橋軸線縱剖面;橫橋向方向選擇方位角335°剖面(索塔位置巖層傾向方向,與垂直于橋軸線橫斷面的夾角為18°,計(jì)算橋梁荷載按照垂直于橋軸線方向的最不利荷載施加)。邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的地質(zhì)縱剖面、橫斷面及計(jì)算概化模型如圖1～圖3所示。

圖1 平行于橋軸線邊坡工程地質(zhì)剖面Fig.1 Slope engineering geological section parallel to the bridge axis

圖2 垂直于橋面軸線邊坡工程地質(zhì)剖面Fig.2 Engineeringgeological profile of slope perpendicular to bridge axis

圖3 邊坡計(jì)算概化模型Fig.3 Slope calculation generalized model

4.2 邊坡穩(wěn)定性二維計(jì)算分析

運(yùn)用二維極限平衡分析法分別對(duì)安龍岸平行于橋軸線縱剖面邊坡和垂直于橋軸線邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。首先在不同工況下指定層面搜索潛在的滑裂面,再依次利用 Morgenstern-Price(M-P)法、Janbu法、Bishop法來(lái)計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù),取其中安全系數(shù)值的最小值為邊坡計(jì)算安全系數(shù)。表3和表4分別為5種不同工況下邊坡的二維極限平衡分析的計(jì)算結(jié)果。選取工況2(自然狀態(tài)+地震作用)下安龍岸邊坡潛在滑裂面示意,如圖4所示。

圖4 工況2作用下安龍邊坡潛在滑裂面示意圖Fig.4 Schematic diagram of potential slip surface of Anlong slope under condition 2

表3 平行于橋軸線縱剖面邊坡安全系數(shù)Table 3 Slope safety factor of longitudinal section parallel to bridge axis

表4 垂直于橋軸線邊坡安全系數(shù)Table 4 Slope safety factor perpendicular to bridge axis

5 邊坡穩(wěn)定性三維分析

采用FLAC3D6.0軟件對(duì)推薦橋位安龍岸邊坡在不同工況下進(jìn)行三維有限差分分析。計(jì)算分析選用的參數(shù)如表1和表2所示。

5.1 三維地質(zhì)概化模型

根據(jù)工程地質(zhì)條件建立三維地質(zhì)概化模型。模型坐標(biāo)系以索塔中心為原點(diǎn),以垂直橋軸線位為X軸,以平行橋軸線方向?yàn)閅軸(方位角47°,以指向安龍側(cè)為Y軸正向),以豎直方向?yàn)閆軸(向上為正)。計(jì)算范圍為X軸向兩邊各延伸300 m,Y軸向北側(cè)延伸900 m,向南側(cè)延伸700 m,Z軸從高程400 m至地表。計(jì)算模型的尺寸是600 m×1600 m×480 m,采用四面體、五面體、六面體混合網(wǎng)格單元進(jìn)行離散,共劃分249 346個(gè)單元,45 730個(gè)節(jié)點(diǎn),三維網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 三維計(jì)算模型網(wǎng)格Fig.5 Three-dimensional computational model grid

在三個(gè)相鄰的邊坡剖面設(shè)置數(shù)值位移與速度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖6)。根據(jù)數(shù)值位移與速度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)在強(qiáng)度折減計(jì)算中的速度和位移的收斂情況來(lái)判定邊坡的臨界安全系數(shù),這個(gè)臨界安全系數(shù)就是邊坡三維穩(wěn)定性分析的計(jì)算安全系數(shù)。

圖6 三維計(jì)算模型中位移與速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.6 Displacement and velocity monitoring points in three-dimensional calculation model

計(jì)算時(shí)所施加的邊界約束條件:地表為自由邊界;其他各面為固定邊界。計(jì)算結(jié)果中,以拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù)。在三維計(jì)算過(guò)程中,巖體自重+橋梁荷載(壓力、剪刀)以面力形式施加到橋梁索塔及錨碇基坑底面,邊坡三維穩(wěn)定性計(jì)算工況與二維計(jì)算相同。

5.2 邊坡穩(wěn)定性三維計(jì)算分析

在不同工況下,邊坡表面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移及速度變化特征用邊坡數(shù)值監(jiān)測(cè)結(jié)果與折減系數(shù)關(guān)系曲線來(lái)表示,具體做法是以位移及速度大小為縱坐標(biāo),強(qiáng)度折減系數(shù)為橫坐標(biāo),不同顏色的曲線代表邊坡表面位置不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn),建立邊坡數(shù)值監(jiān)測(cè)結(jié)果與折減系數(shù)關(guān)系曲線。邊坡不同部位變形響應(yīng)的差異指示了邊坡不同部位穩(wěn)定性的區(qū)別。限于文章篇幅,列舉工況2(自然狀態(tài)+地震作用)的邊坡數(shù)值監(jiān)測(cè)結(jié)果與折減系數(shù)關(guān)系曲線(圖7)。

圖7 工況2作用下邊坡數(shù)值監(jiān)測(cè)結(jié)果與折減系數(shù)關(guān)系曲線Fig.7 The relationship curve between slope numerical monitoring results and reduction coefficient under working condition 2

根據(jù)邊坡數(shù)值監(jiān)測(cè)結(jié)果以及折減系數(shù)關(guān)系曲線中監(jiān)測(cè)點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)不收斂情況,速度和位移接近同時(shí)發(fā)散特征,綜合判定5種不同工況下邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算安全系數(shù)。如工況2(自然狀態(tài)+地震作用)下邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)在1.4左右出現(xiàn)不收斂情況,速度和位移接近同時(shí)發(fā)散特征,可以綜合分析,判斷其計(jì)算安全系數(shù)為1.4。用同樣的方法判斷其他工況下的計(jì)算安全系數(shù),分別是工況1(自然狀態(tài))為2.00,工況3(巖體自重+橋梁荷載作用)為2.00,工況4(巖體自重+橋梁荷載+地震作用)為1.40,工況5(巖體自重+橋梁荷載+暴雨)為1.45。

以臨界狀態(tài)總位移和剪切應(yīng)變的方式建立邊坡在失穩(wěn)狀態(tài)下的潛在滑動(dòng)面,可以看出邊坡各剖面的失穩(wěn)模式基本上是以近似圓弧的形狀整體失穩(wěn)的,失穩(wěn)的模式與二維穩(wěn)定性分析獲取的基本一致。圖8和圖9為工況2(自然狀態(tài)+地震作用)安龍邊坡失穩(wěn)狀態(tài)下各剖面潛在滑面示意圖。

位移量值僅示意梯度圖8 工況2作用下邊坡失穩(wěn)狀態(tài)下各剖面總位移分布Fig.8 The total displacement distribution of each section under the condition of slope instability under working condition 2

圖9 工況2作用下邊坡失穩(wěn)狀態(tài)下各剖面潛在滑面示意圖(最大剪切應(yīng)變集中帶)Fig.9 The schematic diagram of potential sliding surface (maximum shear strain concentration zone) of each section under the condition of slope instability under condition 2

6 邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)對(duì)比

中國(guó)各行業(yè)邊坡安全系數(shù)的取值標(biāo)準(zhǔn)與邊坡的重要性級(jí)別、破壞后造成的生命財(cái)產(chǎn)損失、社會(huì)影響、環(huán)境影響、治理與加固費(fèi)用以及運(yùn)用條件等因素密切相關(guān)。各行業(yè)邊坡安全系數(shù)的取值在1.05～1.50;其中工程邊坡在設(shè)計(jì)中,安全系數(shù)大致的取值范圍在1.20～1.50[11-15]。

綜合考慮北盤(pán)江大橋推薦橋位安龍岸工程地質(zhì)條件和工程本身的重要性等級(jí)等因素,將安龍岸不同工況下的邊坡安全系數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)定為:工況1(自然狀態(tài))、工況3(巖體自重+橋梁荷載作用)條件下1.35,工況2(自然狀態(tài)+地震作用)、工況4(巖體自重+橋梁荷載+地震作用)條件下取1.10,工況5(巖體自重+橋梁荷載+暴雨)條件下取1.20。各工況條件下二維、三維穩(wěn)定性分析的安全系數(shù)如表5所示。二維分析計(jì)算安全系數(shù)和三維分析計(jì)算安全系數(shù)均符合一般規(guī)律,且均大于安全系數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

表5 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 5 Comparison of calculation results of slope stability

7 結(jié)論

采用二維極限平衡分析和三維有限差分方法對(duì)北盤(pán)江大橋安龍岸邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,得到如下結(jié)論。

(1)北盤(pán)江大橋推薦橋位安龍岸邊坡5種工況下的計(jì)算安全系數(shù)均大于安全系數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明該邊坡是穩(wěn)定的,并且有一定的安全裕度。

(2)受三維方向的約束作用,三維分析的計(jì)算安全系數(shù)相對(duì)于二維分析的計(jì)算安全系數(shù)大。

(3)該邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法簡(jiǎn)單,效率較高,計(jì)算結(jié)果為北盤(pán)江大橋推薦橋位的初步設(shè)計(jì)提供了較為合理的依據(jù)。