胡桂林 熊承仁 廖春梅

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)教育部長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，湖北 武漢 430074； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)馬克思主義學(xué)院，湖北 武漢 430074)

2.Marxism Institute, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

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某擬建跨江大橋橋位岸坡穩(wěn)定性研究

胡桂林1熊承仁1廖春梅2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)教育部長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，湖北 武漢 430074； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)馬克思主義學(xué)院，湖北 武漢 430074)

在研究某擬建跨江大橋橋位區(qū)工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用GeoStudio軟件分析了橋墩荷載施加及庫(kù)水位變動(dòng)情況下岸坡的穩(wěn)定性，結(jié)果表明：橋墩荷載施加后，主橋墩處的應(yīng)力及位移改變顯著，斜坡穩(wěn)定性情況較好；在庫(kù)水位升降作用下，斜坡穩(wěn)定性進(jìn)一步變差，整體穩(wěn)定性尚滿足要求。

跨江大橋，橋位，岸坡，穩(wěn)定性，GeoStudio

0 引言

擬建跨江大橋位于湖北省巴東縣水布埡鎮(zhèn)水布埡水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)，距水布埡大壩約1.8 km。主橋擬采用單跨雙絞鋼桁架懸索橋，全長(zhǎng)561 m，主跨420 m，橋墩采用樁基礎(chǔ)方案，橋荷重大，安全等級(jí)高。為確保大橋安全穩(wěn)定并為設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，在對(duì)橋位區(qū)工程地質(zhì)條件研究的基礎(chǔ)上，采用有限元分析軟件GeoStudio建立橋位區(qū)二維計(jì)算模型，計(jì)算了橋荷載施加后及庫(kù)水位變動(dòng)情況下岸坡的位移場(chǎng)及變形場(chǎng)，并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合分析。

1 橋位區(qū)工程地質(zhì)條件

區(qū)域地貌形態(tài)屬于鄂西剝蝕中山區(qū)峽谷地貌，橋位區(qū)河谷深切，地形上構(gòu)成“V”形峽谷。岸坡基巖地層表現(xiàn)出明顯的軟硬相間的特征，如棲霞組第3，8，13段為相對(duì)較軟的泥質(zhì)灰?guī)r或泥質(zhì)灰?guī)r。軟硬相間的物理力學(xué)特性往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面發(fā)育的非均勻性和產(chǎn)狀的折射現(xiàn)象。北岸臨坡面巖層產(chǎn)狀約76°∠13°，南岸臨坡面巖層產(chǎn)狀約60°∠10°。北岸為近水平的斜逆向基巖岸坡，南岸為平緩的斜順向基巖岸坡。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理統(tǒng)計(jì)及室內(nèi)結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果可知，橋位區(qū)主要發(fā)育有三組結(jié)構(gòu)面[3,4]。

岸坡陡崖處卸荷帶寬約10 m～30 m。卸荷帶總體平行坡面發(fā)育，平均寬度15 m～20 m。受卸荷作用影響，與坡面近于平行的一組高陡裂隙張開(kāi)。卸荷帶追蹤裂隙、斷層和層面而生成。水布埡水庫(kù)死水位350 m，正常高水位400 m，消落帶高度50 m，橋墩位于400 m水位線附近，橋梁岸坡受到水位變動(dòng)的影響。總而言之，該橋位區(qū)岸坡是被優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面切割的涉水軟硬相間的高陡卸荷層狀巖體斜坡。此外，坡體內(nèi)尚有巖溶發(fā)育。

2 橋位區(qū)二維數(shù)值模型

為保證大橋建成后邊坡和橋墩基礎(chǔ)的穩(wěn)定，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)邊坡和橋墩基礎(chǔ)進(jìn)行應(yīng)力變形分析和穩(wěn)定性分析。數(shù)值模擬研究依據(jù)前期勘察資料所提供的典型工程地質(zhì)剖面、巖土體物理力學(xué)性質(zhì)以及設(shè)計(jì)的荷載條件進(jìn)行。

2.1 數(shù)值模擬方法

采用GeoStudio巖土工程仿真軟件的SIGMA/W，SLOPE/W和QUAKE/W模塊進(jìn)行。SIGMA/W為巖土體應(yīng)力和變形有限元分析軟件，全面支持巖土材料本構(gòu)模型，可以分析高度復(fù)雜的巖土有效應(yīng)力問(wèn)題。SLOPE/W為專業(yè)的邊坡穩(wěn)定性分析軟件，可用極限平衡理論對(duì)不同材料類型、復(fù)雜地層和各種滑移面形狀的邊坡進(jìn)行建模分析，其獨(dú)特之處是將有限元法和極限平衡理論進(jìn)行結(jié)合，通過(guò)多種評(píng)價(jià)方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行有效的計(jì)算。QUAKE/W為專業(yè)的地震響應(yīng)分析軟件，可對(duì)地震沖擊波、爆炸產(chǎn)生的動(dòng)荷載等作用下的巖土動(dòng)力問(wèn)題進(jìn)行分析計(jì)算。

2.2 建立數(shù)值模型

以橋梁中心線剖面作為建模剖面，根據(jù)庫(kù)岸斜坡節(jié)理裂隙調(diào)查與分析結(jié)果，斜坡內(nèi)部一定深度內(nèi)發(fā)育的陡傾角卸荷裂隙對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響較大。為了更好地反映實(shí)際情況，在模型地表一定深度范圍內(nèi)設(shè)置均布的卸荷裂隙模型。裂隙分布間距取15 m，裂隙延伸受相對(duì)軟弱地層控制，僅貫穿相對(duì)較硬的地層。為了簡(jiǎn)化模型，根據(jù)地層巖性特征將模型材料分為四種，其中Plq第1，3，8，10，13，15段歸為一種相對(duì)軟弱層，Plq第2，4，5，6，7，9，11，12，14段歸為一種材料，D+C+Plm+P1ma歸為一種材料，橋墩和錨錠歸為一種材料，如圖1所示為二維數(shù)值模擬模型。

2.3 計(jì)算工況與荷載條件

橋岸邊坡和橋基所受的荷載主要包括橋梁荷載和庫(kù)水荷載，其中橋梁荷載取決于設(shè)計(jì)方案。模擬計(jì)算工況如下：1)天然工況，即橋梁岸坡處于天然含水量并不受附加荷載時(shí)的狀態(tài)，計(jì)算時(shí)所使用的材料抗剪強(qiáng)度取天然狀態(tài)時(shí)的參數(shù)(下同)；2)橋梁荷載工況；3)橋梁荷載+水位上升與暴雨工況；4)橋梁荷載+水位上升與暴雨+地震工況，本次數(shù)值模擬地震工況采用0.1g峰值加速度進(jìn)行計(jì)算。

2.4 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

參與計(jì)算的巖土體物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)、原位試驗(yàn)以及項(xiàng)目附近區(qū)域類似工程地質(zhì)條件的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)綜合確定。具體材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 岸坡和橋墩的應(yīng)力與變形分布

岸坡和橋墩基礎(chǔ)的應(yīng)力與變形分析基于SIGMA/W軟件進(jìn)行[6,7]。如圖2所示，計(jì)算結(jié)果顯示施加荷載后，樁端巖體的應(yīng)力莫爾圓在抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線下方，即基礎(chǔ)穩(wěn)定未發(fā)生破壞。承臺(tái)頂最大位移10.7 mm，最大水平位移3.2 mm，最大垂直位移10.6 mm。

3.2 岸坡和橋墩基礎(chǔ)的穩(wěn)定性分析

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

岸坡和橋墩基礎(chǔ)的穩(wěn)定性分析基于SLOPE/W軟件進(jìn)行。結(jié)合SIGMA/W的應(yīng)力分布計(jì)算數(shù)據(jù)和相應(yīng)的摩爾—庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，SLOPE/W軟件可自動(dòng)搜索或人工定義岸坡和橋墩基礎(chǔ)的潛在破壞面，并根據(jù)多種計(jì)算方法評(píng)價(jià)不同潛在破壞面的穩(wěn)定性系數(shù)。根據(jù)裂隙和軟弱層的分布與組合關(guān)系，假定岸坡存在由表及里的多層潛在破壞面(如圖1所示)，分別計(jì)算了9組～11組潛在破壞面的穩(wěn)定性系數(shù)，不同工況下各組潛在破壞面的穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。在工況4下，北岸、南岸最危險(xiǎn)潛在滑動(dòng)面的穩(wěn)定性系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線分別見(jiàn)圖3。根據(jù)GB 50330—2002建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范相關(guān)規(guī)定，不同安全等級(jí)邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)應(yīng)不小于相關(guān)規(guī)定，否則應(yīng)對(duì)邊坡進(jìn)行處理。

表2 不同工況各潛在破壞面穩(wěn)定性系數(shù)

根據(jù)擬建跨江特大橋工程性質(zhì)，其邊坡工程應(yīng)定為一級(jí)邊坡，

即邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)大于1.35。結(jié)合邊坡不同工況的穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果可知，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)滿足規(guī)范要求。但由于該項(xiàng)目區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，溶洞、卸荷裂隙發(fā)育較強(qiáng)烈，且該工程破壞后果較嚴(yán)重。綜合判斷，就橋基邊坡穩(wěn)定性而言，安全儲(chǔ)備較高[9,10]。

3.3 不同水位條件下岸坡穩(wěn)定性分析

由于橋位岸坡處于水布埡水庫(kù)周期性水位變化狀態(tài)下，其中最高庫(kù)水位約400 m，最低水位約350 m。為了分析不同水位條件下岸坡穩(wěn)定性變化情況，分別對(duì)最高水位和最低水位狀態(tài)的橋梁岸坡進(jìn)行穩(wěn)定性模擬計(jì)算。

數(shù)值模擬過(guò)程中水位線以下的巖體采用浮容重和飽和抗剪強(qiáng)度參數(shù)，水位線以上的巖體采用天然容重和天然抗剪強(qiáng)度參數(shù)。最高水位和最低水位時(shí)的岸坡穩(wěn)定性系數(shù)均大于3.00。岸坡在高水位時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)均低于低水位狀態(tài)。但水位上升對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響較小，高水位造成的岸坡穩(wěn)定性系數(shù)降低值小于0.2左右。

4 結(jié)語(yǔ)

1)本場(chǎng)地巖體主要由二疊紀(jì)灰?guī)r組成，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查與鉆探、物探資料分析表明，除局部巖溶發(fā)育外，巖體完整性較好，強(qiáng)風(fēng)化帶一般厚約5 m～10 m，其下中風(fēng)化和微風(fēng)化巖石強(qiáng)度較高。橋位區(qū)無(wú)影響橋梁場(chǎng)地及岸坡穩(wěn)定的重大不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，初步判斷場(chǎng)地穩(wěn)定、岸坡穩(wěn)定，適宜本橋梁方案的建設(shè)。

2)基于GeoStudio對(duì)橋墩荷載施加后及庫(kù)水位變動(dòng)情況下岸坡穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合分析，結(jié)果表明橋墩荷載施加后，主橋墩處的應(yīng)力及位移改變顯著，斜坡穩(wěn)定性情況較好；在庫(kù)水位升降作用下，斜坡穩(wěn)定性進(jìn)一步變差，但整體穩(wěn)定性尚滿足要求。

[1]徐瑞春，楊火平，柳景華.清江水布埡水利樞紐工程地質(zhì)研究.武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,2010:107-217.

[2]賈洪彪，唐輝明，劉佑榮.巖體結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)模擬理論與工程應(yīng)用.北京:科學(xué)出版社,2008:65-75.

[3]徐 偉，胡新麗，黃 磊，等.結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)模擬計(jì)算RQD及精度對(duì)比研究.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(4):822-833.

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[8]GB 50330—2013,建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范.

[9]JTG C20—2011,公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范.

[10]GB 50021—2001,巖土工程勘察.

Study on bank slope stability of a proposed cross-river bridge

Hu Guilin1Xiong Chengren1Liao Chunmei2

(1.ThreeGorgesResearchCenterforGeo-hazard,MinistryofEducation,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China；

Based on studying proposed river-crossing bridge site engineering geology conditions, GeoStudio software is using to analyze the slope stability after the bridge pier load applied and the water level change. Studies show that, after the bridge built, the stress and displacement around bridge piers change greatly, and the slope stability is well, slope further deteriorates in water level fluctuation effects, but the overall stability still meet the requirements.

river-crossing bridge， bridge site, bank slope, stability, GeoStudio

2.MarxismInstitute,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

1009-6825(2015)21-0133-02

2015-05-13

胡桂林(1987- )，男，在讀碩士； 熊承仁(1965- )，男，博士，副教授； 廖春梅(1989- )，女，在讀碩士

U443.1

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