基于有限元的橋基斜坡穩(wěn)定性及支護(hù)措施研究

作者簡介：馮錄雙（1985—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。

為研究橋基斜坡的穩(wěn)定性及支護(hù)措施，文章以云南省昆明市某邊坡工程為例，基于有限元數(shù)值模擬軟件MIDAS GTS分析了邊坡在不同工況下的位移變化特征，并提出錨索抗滑樁的邊坡支護(hù)措施。主要結(jié)論為：（1）橋梁荷載使巖土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角發(fā)生劣化，位移變化主要集中在邊坡中下部；（2）橋基邊坡對地震所產(chǎn)生的動(dòng)力荷載較為敏感，坡體內(nèi)部的巖土體與橋基均易受到動(dòng)力荷載的影響；（3）隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加，邊坡的最大位移由坡頂緩慢向坡底處移動(dòng)，且位移量不斷增加；（4）錨索抗滑樁改善了坡體的受力模式，進(jìn)而使得邊坡的位移量減少，起到了較好的預(yù)加固作用。

邊坡穩(wěn)定性；MIDAS GTS有限元軟件；錨索抗滑樁

U445.55A301064

0?引言

改革開放以來，我國基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。在交通運(yùn)輸、水利工程以及采礦行業(yè)飛速發(fā)展的同時(shí)，出現(xiàn)了大量的人工邊坡，人工邊坡自穩(wěn)性差，在強(qiáng)降雨和地震耦合作用下容易發(fā)生滑動(dòng)，嚴(yán)重威脅著國民的生命財(cái)產(chǎn)安全。例如2008年汶川發(fā)生的8.0級特大地震，嚴(yán)重危害了百姓的生命和財(cái)產(chǎn)安全，因地震而產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)不勝數(shù)，其中滑坡類地質(zhì)災(zāi)害就多達(dá)4 800余個(gè)。因此，研究邊坡穩(wěn)定性問題以及支護(hù)新方式顯得尤為關(guān)鍵。

近些年來，國內(nèi)外研究學(xué)者針對邊坡穩(wěn)定性及支護(hù)措施開展了大量的研究。目前的研究方法主要集中于數(shù)值分析方法（PFC、ANSYS、FLAC 3D等）與極限平衡法。Espinoza等［1］通過極限平衡法對露天礦邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，總結(jié)了缺陷地層對邊坡穩(wěn)定性的影響。Fredlund等［2］通過設(shè)置不同參數(shù)對邊坡的滲流過程進(jìn)行模擬，分析雨強(qiáng)變化對邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明：雨水的入滲會(huì)使得邊坡安全系數(shù)降低，基質(zhì)吸力下降。譚銀龍等［3］以三峽庫區(qū)金雞嶺滑坡為例，采用MIDAS-GTS軟件對不同工況下滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：在強(qiáng)降雨作用下，滑坡可能產(chǎn)生整體滑移。邵磊［4］通過FLAC 3D軟件建立了有錨索抗滑樁聯(lián)合加固支護(hù)的邊坡模型，研究了錨固位置的改變對錨索抗滑樁受力和位移的影響，結(jié)果表明：錨索抗滑樁加固位置的變化對邊坡最大位移的影響較小，對邊坡的安全系數(shù)的影響較大。裴強(qiáng)［5］利用FLAC 3D有限元軟件研究了錨索抗滑樁加固支護(hù)邊坡在地震作用下樁身內(nèi)應(yīng)力、坡體內(nèi)應(yīng)力以及坡體水平位移的變化規(guī)律，結(jié)果表明：在地震作用下邊坡水平位移減小，這是因?yàn)榈卣鹗蛊麦w形成了土拱，與普通的抗滑樁相比，預(yù)應(yīng)力錨索-抗滑樁的彎矩分布規(guī)律近似“S”型，與剪力的分布規(guī)律相反。Zhu等［6］通過數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)，分析了橋基邊坡在滲流侵蝕作用下的穩(wěn)定性問題，并提出了相應(yīng)的加固措施。

邊坡穩(wěn)定性是工程建設(shè)過程中的重點(diǎn)研究問題，而降雨與地震是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的直接因素，因此，本文基于前人對橋基邊坡研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合云南省昆明市某大橋工程左側(cè)橋基邊坡，采用數(shù)值模擬的手段對不同工況下橋基邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，基于分析結(jié)果提出相應(yīng)支護(hù)措施。

1?工程概況

研究區(qū)位于云南省昆明市，地勢險(xiǎn)峻，地形起伏較大，區(qū)域地勢差異較大，主要地貌為高山剝蝕山地陡坡地貌。

地層巖性按結(jié)構(gòu)順序從上至下為：雜填土，主要成分為碎石，粒徑約為0.5～3 cm，厚度約為0.2 m；黏土，硬塑，稍濕，厚度約為1～2 m，韌性以及干強(qiáng)度中等，結(jié)構(gòu)較松散、有較好的壓實(shí)性，容易產(chǎn)生豎直位移集中的沉降現(xiàn)象；下覆基巖上部為少量全風(fēng)化板巖，存在較多風(fēng)化不均勻的現(xiàn)象，大部分巖石已經(jīng)風(fēng)化為具有一定塑性的黏土；下部為較堅(jiān)硬的中風(fēng)化板巖，完整性較好，力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，承載能力較強(qiáng)，經(jīng)過施工處理后較適宜橋梁工程的建設(shè)。

工程區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯地表水的存在，地下水主要以第四系孔隙水、巖溶水以及裂隙水為主，裂隙水水量較小，以大氣補(bǔ)給為主。區(qū)斷裂帶走向北東，邊坡所處位置位于向斜南東翼，工程區(qū)內(nèi)次級褶曲不發(fā)育，區(qū)內(nèi)無斷層。根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015）附錄E，工程區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度值為0.10 g，設(shè)計(jì)特征周期為0.45 s，設(shè)計(jì)地震分組為第三組。設(shè)計(jì)應(yīng)按相關(guān)規(guī)范做好抗震設(shè)防。

2?有限元模型建立

2.1?MIDAS GTS有限元軟件介紹

MIDAS GTS是MIDAS公司旗下的一款針對巖土工程的有限元分析軟件，擁有較先進(jìn)的DIANA的有限元分析內(nèi)核，其非線性分析能力能出色解決在溶洞、隧道、邊坡等各類巖土工程上所遇到的難題，支持十余種本構(gòu)模型以及多種自定義模型，通過MIDAS GTS軟件中的不同計(jì)算模塊可以對不同工況下的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。如圖1所示為MIDAS GTS軟件的有限元建模過程［7］。

2.2?模型構(gòu)建

邊坡模型如圖2所示，按照實(shí)際工程橋基邊坡坡頂高程為50.2 m，坡底高程為20.2 m，高差為30 m。在邊坡底部布設(shè)1根直徑6 m，長12 m的橋梁樁基，在坡中部布設(shè)兩根直徑4 m，長8 m的樁基，在坡頂部布設(shè)一根直徑2 m，長6 m的樁基，并對橋基邊坡樁基位置處施加均布橋梁荷載，荷載按實(shí)際項(xiàng)目橋基承載力設(shè)計(jì)值q=0.259 MPa取值。

2.3?細(xì)觀參數(shù)的確定

細(xì)觀參數(shù)對MIDAS GTS軟件的模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大，而軟件未給出細(xì)觀參數(shù)與宏觀參數(shù)的定量關(guān)系，因此土體力學(xué)參數(shù)根據(jù)野外調(diào)查報(bào)告以及室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行確定，如表1所示為巖土體力學(xué)參數(shù)。

2.4?網(wǎng)格劃分及邊界條件

MIDAS GTS軟件的網(wǎng)格劃分需要對模型的重點(diǎn)分析部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，本文采用單位長度的方法對網(wǎng)格進(jìn)行尺寸控制，模型網(wǎng)格包括158 482個(gè)節(jié)點(diǎn)以及144 235個(gè)單元。

關(guān)于邊界條件，本文首先約束了邊坡左右兩側(cè)的位移，即在水平x方向設(shè)置位移約束，隨后在豎直y方向設(shè)置了模型前后端的位移約束，而模型的底部需要固定不動(dòng)，故設(shè)置了x、y、z 3個(gè)方向的位移約束。

3?模擬結(jié)果分析

為研究橋基邊坡的穩(wěn)定性問題，本節(jié)通過研究邊坡在自然條件、暴雨條件以及地震條件下的穩(wěn)定性，來綜合分析不同工況對邊坡穩(wěn)定性的影響。

為了確保本文的研究成果可運(yùn)用至實(shí)際工程中，本文提取了工程現(xiàn)場的邊坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)如圖3所示。

3.1?自然條件下橋基邊坡穩(wěn)定性分析

如圖4、圖5所示為橋基邊坡水平位移與豎直位移監(jiān)測曲線，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果可知，邊坡的水平位移集中于坡腳處，隨著邊坡高程的增加，水平位移逐漸減?。凰轿灰谱畲笾禐?.54 cm，豎直位移集中于坡頂處，隨著邊坡高程的增加，豎向位移逐漸增大，豎向位移的最大值為2.75 cm。由此可知，邊坡的主要位移區(qū)域集中于坡表處的粉質(zhì)黏土以及全風(fēng)化的板巖；橋梁荷載降低了巖土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角，使邊坡中下部的總體位移較大。通過計(jì)算得出邊坡安全系數(shù)為1.59，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測邊坡位移的變化規(guī)律一致，但存在較小的偏差。

主要原因如下：

（1）在建模過程中，簡化了邊坡的部分結(jié)構(gòu)以及土層的厚度，同時(shí)數(shù)值模擬中未能精確反映當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件。

（2）數(shù)值模擬并未考慮地表水及地下水的變化影響。

（3）施工期間的荷載變化也會(huì)對橋基邊坡的變形產(chǎn)生一定的影響。

3.2?暴雨條件下橋基邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)云南省氣象部門對暴雨氣候制定的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置降雨持時(shí)為12 h，降雨雨強(qiáng)為180 mm/d，如圖6所示為暴雨條件下橋基邊坡的水平與豎直位移監(jiān)測圖。

由圖6可知，橋基邊坡在降雨3 h后，產(chǎn)生最大水平位移約為4.6 cm，最大豎直位移約為3.2 cm，邊坡的總體位移較小，最大位移集中于坡腳處；經(jīng)過6 h的降雨后，最大位移集中上移到邊坡中下部，坡體頂部的位移增長速率逐漸下降，隨著降雨時(shí)間的增加，位移從坡頂向坡腳延伸變大，位移趨勢不斷增大。這是由于坡體內(nèi)部含水量增加，導(dǎo)致邊坡自重增大，粘聚力與內(nèi)摩擦角降低，坡體內(nèi)部的孔壓不斷增加，使邊坡的下滑力不斷增加。

在暴雨工況下，橋基邊坡的安全系數(shù)降低到1.09，查閱相關(guān)規(guī)范，在暴雨工況下該邊坡處于較穩(wěn)定狀態(tài)，但安全系數(shù)與自然工況下相比由1.59下降到1.09，下降幅度約31%，邊坡的穩(wěn)定性急劇下降。

3.3?地震條件下橋基邊坡穩(wěn)定性分析

本文根據(jù)工程地質(zhì)條件設(shè)計(jì)地震波的峰值加速度為0.15 g，反應(yīng)譜的特征值為0.35 s，如圖7和圖8所示分別為地震條件下橋基邊坡的水平與豎直位移監(jiān)測圖。

由圖7可知，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水平位移隨著地震波峰值加速度的增大而增大，但坡體各個(gè)部位的增長速率不同，坡體中部的水平位移的增長速率明顯大于坡頂處與坡腳處的增長速率，且坡腳處與坡中處在峰值加速度增大時(shí)其位移差值要明顯小于坡頂部的差值，表明橋基邊坡在地震條件下坡腳與坡中部的水平位移更加敏感。由圖8可知，橋基邊坡在地震作用下其豎直位移主要集中于坡頂處。橋基邊坡對地震所產(chǎn)生的動(dòng)力荷載較為敏感，不僅坡體內(nèi)部的巖土體受到動(dòng)力荷載的影響，橋基附近的位置也會(huì)受到影響，因?yàn)闃蛄簶痘膭偠认鄬τ趲r土體更大，在地震作用下更容易產(chǎn)生位移。

在地震工況下，橋基邊坡的安全系數(shù)降低到0.98，查閱相關(guān)規(guī)范，在地震工況下該邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，安全系數(shù)下降幅度約38%，說明動(dòng)力荷載對邊穩(wěn)定性影響非常大，也證明了地震是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要因素之一。

4?橋基邊坡支護(hù)措施分析

根據(jù)工程實(shí)際和前文對橋基邊坡在不同工況下的數(shù)值模擬，本文采用錨索預(yù)應(yīng)力抗滑樁對邊坡進(jìn)行支護(hù)，并通過MIDAS GTS軟件對支護(hù)方案在各個(gè)工況下進(jìn)行模擬。

首先在邊坡底部布設(shè)了一排錨索抗滑樁，錨索為4束16 mm的鋼絞線，抗滑樁樁長21 m，伸出地面長度為8 m；坡體中部與頂部的錨索預(yù)應(yīng)力抗滑樁與坡底的抗滑樁交錯(cuò)布設(shè)，錨索為3束16 mm的鋼絞線組成，樁長12 m，伸出地面長度為2 m，為懸臂式抗滑樁，如圖9所示。錨索抗滑樁的各個(gè)參數(shù)依照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）進(jìn)行取值。

4.1?自然工況

如圖10所示為支護(hù)過后的橋基邊坡在自然工況下的位移曲線圖。由圖10可知，錨索抗滑樁的布設(shè)減小了橋基邊坡中部的位移，并使坡體的整體位移趨勢向坡體頂部轉(zhuǎn)移，這是由于支護(hù)措施使邊坡的應(yīng)力分布更加均勻，坡面所受到的由重力控制的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，減少了應(yīng)力集中的現(xiàn)象。邊坡的安全系數(shù)由先前的1.59提升到了1.88，提升幅度為18%，錨索抗滑樁的支護(hù)效果較好。

4.2?暴雨工況

如圖11所示為支護(hù)過后的橋基邊坡在暴雨工況下的位移曲線圖。由圖11可知，隨著降雨時(shí)間的增長，橋基邊坡的位移增長趨勢與未支護(hù)前的圓滑曲線不同，而是呈波浪形的曲線，這是因?yàn)樵阱^索抗滑樁的加固作用下，坡體在緩慢變形時(shí)會(huì)受到錨索的牽制，逐漸減少坡體向下的滑動(dòng)，曲線出現(xiàn)較大浮動(dòng)的波動(dòng)。邊坡的安全系數(shù)由1.09提升到了1.68，提升幅度為54%，大幅度提升了邊坡的安全穩(wěn)定性。

4.3?地震工況

如圖12所示為支護(hù)過后的橋基邊坡在地震工況下的位移曲線圖。由圖12可知，支護(hù)過后的橋基邊坡在地震作用下的位移與支護(hù)前（圖7）相比明顯下降，這是由于隨著坡體下滑力的增加，錨索抗滑樁所受的拉力也隨之增加，改善了坡體的受力模式，減少潛在的滑體受力，從而限制邊坡的位移趨勢。邊坡的安全系數(shù)由0.98提升到了1.53，提升幅度為56%，說明錨索抗滑樁在地震作用下也能起到很好的支護(hù)作用。

5?結(jié)語

本文以云南省昆明市某橋梁工程左側(cè)橋基邊坡為例，

基于MIDAS GTS軟件，對各工況下橋基邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并對采用錨索抗滑樁加固后邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，分析邊坡安全系數(shù)以及位移變化，為西南高山峽谷地區(qū)的橋梁建設(shè)提供參考。

本文得到如下主要結(jié)論：

（1）邊坡的水平位移集中于坡腳處，隨著邊坡高程的增加，水平位移逐漸減小。

（2）橋梁荷載降低了巖土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角，使邊坡中下部的位移增長速率增加，導(dǎo)致邊坡中下部出現(xiàn)較大位移。

（3）橋基邊坡的水平位移隨著地震波峰值加速度的增大而增大，但坡頂、坡腰以及坡腳處的增長速率不同，坡體中部的水平位移增長速率明顯大于坡頂處與坡腳處的增長速率，坡腳與坡中部的水平位移更容易受到擾動(dòng)荷載的影響。

（4）錨索抗滑樁對橋基邊坡有較好的支護(hù)作用，使邊坡在各種工況下都能保持較好的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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