建筑工程中，橋基荷載作用下的邊坡問題長期以來為建筑業(yè)、廣大學(xué)者所關(guān)注，橋基荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算與設(shè)計(jì)優(yōu)化對于橋基工程，甚至是建筑施工的發(fā)展都起著巨大的作用。因此，對于橋基荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性的分析意義重大。

一、橋基荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析

(一)有限元法概述

有限元法是用有限個單元體所構(gòu)成的離散化結(jié)構(gòu)替代原來的連續(xù)體結(jié)構(gòu)分析巖土體的應(yīng)力和變形。一般材料本構(gòu)關(guān)系和應(yīng)變一關(guān)系位移可以分別表示為:

{σ}=[D]{ε}，{ε}=[B]{6} (1)

式中:{σ}為應(yīng)力列向量，[D]為彈塑性系數(shù)矩陣，{ε}為應(yīng)變列向量，[B]為應(yīng)變矩陣;{δ}為位移列向量。

由虛位移原理可建立單元體的結(jié)點(diǎn)力與結(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，進(jìn)而寫出總體平衡方程:

{R}=[K]{δ} (2)

式中:[K]為剛度矩陣;{R}為節(jié)點(diǎn)荷載列向量。

(1)、(2)是有限單元法的基本方程，巖土體的應(yīng)力一應(yīng)變非線性關(guān)系，反映到式中，就是[D]和[K]都不是常量，都隨著應(yīng)力或應(yīng)變的變化而變化。利用有限元法，求得每一個計(jì)算單元的應(yīng)力及變形后，便可根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度指標(biāo)確定破壞區(qū)的位置及破壞范圍的擴(kuò)展情況。

(二)計(jì)算方法

首先根據(jù)現(xiàn)場的工程地質(zhì)調(diào)查確定分析對象的類型，并在幾何模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)岸坡參數(shù)建立數(shù)值分析模型。結(jié)合“強(qiáng)度折減系數(shù)法”求出邊坡在橋基荷載作用下的穩(wěn)定性系數(shù)。強(qiáng)度折減系數(shù)法的基本原理是將士體參數(shù)c，西值同時除以一個折減系數(shù)F，得到一組新的c，值，然后作為新的材料參數(shù)進(jìn)行試算，當(dāng)邊坡處于臨界狀態(tài)時，也即F再稍大一些，邊坡將發(fā)生破壞，對應(yīng)的F被稱為邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，此時土體即將發(fā)生剪切破壞，即計(jì)算結(jié)果是指達(dá)到臨界狀態(tài)時的折減系數(shù)F。

C'=C/F;tanφ'=tanφ/F (3)

采用強(qiáng)度折減法原理來進(jìn)行計(jì)算，在ANSYS中單元的屈服標(biāo)準(zhǔn)為D-P準(zhǔn)則。計(jì)算結(jié)果比M-C準(zhǔn)則要大些，根據(jù)屈服函數(shù)以及莫爾等面積圓屈服準(zhǔn)則下的轉(zhuǎn)換關(guān)系系數(shù)η，需將巖體的內(nèi)摩擦角φ及黏聚力η折減后進(jìn)行計(jì)算。分析中通過提取加載情況下基底巖體的應(yīng)力值，分析基底平面在加載情況下的應(yīng)力變化規(guī)律。評價基礎(chǔ)位置的合理性。

二、橋基荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)優(yōu)化

(一)橋基荷載作用下斜坡穩(wěn)定性

本文對于橋基荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)優(yōu)化以印家溪大橋?yàn)槔?，其是多跨連續(xù)一剛構(gòu)體系橋，橋位地處湘西自治州瀘溪縣洗溪鎮(zhèn)印家村。橋位區(qū)屬低山丘陵地貌，地形起伏較大，切割深。該橋跨越武水支流印家溪，溪寬15-20m，大致自北向南流入武水。水位標(biāo)高一般為201.0m左右，水深一般約0.2-0.3m。溪溝兩岸均為陡坡地，自然坡度3°-45°橋墩樁基均采用D280嵌巖樁，橋基設(shè)計(jì)參數(shù):橋基長20m，橫向橋基中心距6.6m，縱向中心距40m。根據(jù)現(xiàn)場勘查測試及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，橋位處的主要巖土層地基設(shè)計(jì)參數(shù):弱風(fēng)化砂巖的凝聚力c取70kPa，計(jì)算摩擦角西取39°，彈性模量E取6000MPa，泊松比0.3，容重取25k N/m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用《大型橋梁復(fù)雜結(jié)構(gòu)空間分析程序LBS-1》進(jìn)行空間分析，得出成橋狀態(tài)下作用于橋梁樁基頂?shù)暮奢d分別為:軸力、彎矩、水平力的值橋臺位置處荷載按等效荷載直接作用在地基面上。

由計(jì)算結(jié)果顯示。成橋狀態(tài)下，當(dāng)折減系數(shù)為1.67時，坡面開始出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)，而折減系數(shù)大干1.677，取1.7時計(jì)算不收斂。從1.670到1.677，折減系數(shù)變化步長0.007，在滿足塑性區(qū)貫通的折減系數(shù)范圍內(nèi)，不管取哪個值，對安全系數(shù)影響均較小，即1.670為采用外接圓屈服準(zhǔn)則時的安全系數(shù)，根據(jù)屈服條件的轉(zhuǎn)換系數(shù)，可得出莫爾一庫侖等面積圓屈服準(zhǔn)則下安全系數(shù)為1.56。由計(jì)算結(jié)果表明橋基荷載作用下邊坡是穩(wěn)定的。

(二)橋基位置確定

橋基合理位置的確定不僅關(guān)系到岸坡的穩(wěn)定和橋梁的安全，也直接關(guān)系到整個橋梁的技術(shù)指標(biāo)和造價?？缭綅{谷大橋主墩臺位置的變化會導(dǎo)致橋跨的增減。帶來橋梁結(jié)構(gòu)和造價的較大變化。如果橋基位置不能滿足橋梁結(jié)構(gòu)要求，引起線路方案的改變。將造成建設(shè)費(fèi)用大大增加。隨著工程實(shí)踐的深入，現(xiàn)在的重要工程越來越迫切需要建立符合實(shí)際的三維計(jì)算模型，從巖體的屈服準(zhǔn)則觀點(diǎn)出發(fā)，認(rèn)為可以采用等效應(yīng)力影響曲線及強(qiáng)度折減系數(shù)來確定橋基的合理位置。等效應(yīng)力考慮了局部穩(wěn)定，強(qiáng)度折減系數(shù)考慮了邊坡的整體穩(wěn)定，這樣確定的橋基位置更科學(xué)合理。注意到在重力場作用下，自然邊坡是處于平衡狀態(tài)，等效應(yīng)力的增量越小，對邊坡局部穩(wěn)定安全系數(shù)影響越小。那么橋基位置的確定原則可為斜坡穩(wěn)定折減系數(shù)和橋基荷載作用下等效應(yīng)力增量最小。以防止局部破壞的可能性為原則，選取坡趾，樁基底中心位置作為研究對象，根據(jù)它們的等效應(yīng)力變化情況，繪制等效應(yīng)力變化曲線圖，此來確定橋基對斜坡應(yīng)力的影響及合理位置。以上計(jì)算主要從2個方面考慮:①附加荷載對坡趾應(yīng)力的影響，②附加荷載對基底應(yīng)力的影響。根據(jù)結(jié)果，可知橋基不同位置，得出的計(jì)算等效應(yīng)力也不相同。坡趾等效應(yīng)力增量變化曲線圖說明橋基的位置越遠(yuǎn)離坡趾。對坡趾的影響越小，當(dāng)超過一定距離后等效應(yīng)力增量趨于穩(wěn)定。橋基中心位置巖體等效應(yīng)力增量變化圖表明橋梁荷載在橋基底中心產(chǎn)生的等效應(yīng)力增量隨著S的增大，先急劇減少后增大，當(dāng)超過一定距離后，等效應(yīng)力的增量開始增大，對邊坡的不利影響也隨之增大。這說明當(dāng)橋基位于坡趾距離較近時(小于20m)，雖然邊坡的穩(wěn)定性提高，但是由于受到坡體重力的影響，基底應(yīng)力增量較大。當(dāng)橋基位置在坡趾附近時，應(yīng)考慮端巖土層的承載力能力，避免由于過大應(yīng)力造成基底塑性區(qū)擴(kuò)大，影響上部結(jié)構(gòu)安全。橋基的合理位移既要考慮坡體的整體穩(wěn)定性，也要考慮樁基底應(yīng)力增量，以避免局部失穩(wěn)破壞。由以上分析，可知本橋基的合理位移應(yīng)在距離坡趾位置20m左右。

三、結(jié) 論

總之，邊坡的穩(wěn)定性評價方法有很多種，主要包括圓弧法、條分法、不平衡推力傳遞系數(shù)法、有限元法等。而傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算理論是基于極限平衡方法來分析，沒有考慮土體本身的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，而有限單元法則克服了這些缺點(diǎn)，為處理邊坡穩(wěn)定分析開辟了新途徑。用強(qiáng)度折減法理論及附加應(yīng)力的概念，提出山區(qū)斜坡橋基合理位置判斷的折減系數(shù)方法，該方法同時考慮基底附加應(yīng)力的影響，避免邊坡局部失穩(wěn)破壞。