宋勝錄

1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200126；2. 上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 200126

邊坡穩(wěn)定分析理論在高邊坡橋基中的應(yīng)用相對較少，但是隨著山區(qū)橋梁建設(shè)的發(fā)展需求，高邊坡橋基工程的應(yīng)用將不斷增多，而對于橋基邊坡穩(wěn)定的評估和分析越來越多。有限元作為數(shù)值分析方法的代表，憑借其強(qiáng)大的復(fù)雜邊界條件和材料模擬能力，目前已在多數(shù)大型巖石高邊坡工程穩(wěn)定性分析中得到應(yīng)用，并取得了良好的效果[1-4]。本文結(jié)合伊朗6#橋1#橋墩基礎(chǔ)巖石高邊坡，采用彈塑性有限元方法對該高邊坡在橋梁基礎(chǔ)荷載工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了建模分析，并對其計算結(jié)果進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了其在橋梁基礎(chǔ)荷載作用下的穩(wěn)定可靠性。

1 工程概況

伊朗6#橋位于伊朗首都德黑蘭北部厄爾布爾士山脈桑干河谷上，橋位地帶山高路險，交通不便、地質(zhì)地形復(fù)雜、施工環(huán)境惡劣。

該橋?yàn)榈潞谔m北部高速公路一期工程（德黑蘭通里海的高速公路）上1座結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)要求高、施工難度大的高墩大跨波形鋼腹板PC箱梁橋。其中1#橋墩位于高邊坡上，橋梁跨徑布置為83 m＋153 m＋83 m＝319 m。該橋?yàn)榈潞谔m北部高速公路一期工程的節(jié)點(diǎn)控制工程，其成敗直接關(guān)系到整條線路的能否順利通車。

伊朗6#橋左幅橋于2016年6月主跨結(jié)構(gòu)合龍，右幅橋于2016年11月主跨結(jié)構(gòu)合龍，德黑蘭北部高速公路一期工程于2020年1月全線通車（伊朗官方宣布）（圖1、圖2）。

圖1 伊朗6#橋立面布置示意

圖2 伊朗6#橋建成效果

2 橋址工程地質(zhì)概況

伊朗6#橋位于桑干河谷地帶，河谷深切，坡岸陡立，谷底到橋面高達(dá)81 m，橋址兩岸地層均為厚層-巨厚層夾中厚層凝灰質(zhì)砂巖為主，巨厚層厚大于4 m，中厚層厚20～40 cm。厚層巖石耐風(fēng)化，中厚層抗風(fēng)化能力較弱，風(fēng)化后易剝落，因此在地貌上厚層凝灰質(zhì)砂巖形成陡坎，中厚層凝灰質(zhì)砂巖形成緩坡，如此地貌，風(fēng)化后剝落物往坡下滾落，因此覆蓋層和風(fēng)化層厚度較淺，總厚度大多不超過5 m。

從新開挖剖面來看，厚層夾中厚層凝灰質(zhì)砂巖所表現(xiàn)出的只是色澤上的差別，中厚層凝灰質(zhì)砂巖形成淺色或深色條帶，巖性差異較小，但是經(jīng)過長期暴露風(fēng)化后，夾層風(fēng)化剝落形成緩坡。因此，新開挖橋基基礎(chǔ)不存在軟弱夾層問題。

伊朗6#橋1#橋墩基礎(chǔ)范圍內(nèi)地表為中厚層凝灰質(zhì)砂巖形成的斜坡，且?guī)r層以8°～13°的傾角傾向河谷，沿如此平緩傾向，滑動的可能性很小，斜坡以下為與公路近乎垂直的挖方邊坡，邊坡坡率為1∶0.3，邊坡由巨厚層凝灰質(zhì)砂巖構(gòu)成。

1#橋墩基礎(chǔ)的東北角已伸到公路邊坡頂部的邊緣，基礎(chǔ)完全在厚層凝灰質(zhì)砂巖中，巖體完整、巖質(zhì)堅(jiān)硬、承載力高。

另外，根據(jù)橋址處沿河谷和跨河谷的地震與電法物勘剖面分析，未發(fā)現(xiàn)斷層存在，所以河谷可以排除斷層的存在（圖3、圖4）。該地段邊坡地下水不發(fā)育，地震設(shè)防烈度為9度。巖石物理特性如表1所示。

圖3 1#橋墩位置地質(zhì)橫斷面示意

圖4 1#橋墩邊坡

表1 巖石物理特性

3 1#橋墩位置邊坡有限元模型

根據(jù)現(xiàn)場邊坡實(shí)測幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何建模分析，并根據(jù)地質(zhì)勘察報告和巖石完整的判斷情況，采用連續(xù)介質(zhì)理論進(jìn)行分析。

初始應(yīng)力場包括自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場。由于對于一般的地質(zhì)工程，主要是淺層計算分析，不考慮構(gòu)造應(yīng)力場。故本模型計算分析僅考慮自重應(yīng)力場。

對于高邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的發(fā)育，將巖石劃分為細(xì)小均勻的單元，單元體的尺寸相對于宏觀的高邊坡來說是很小的，因此從平均意義上來講，可以認(rèn)為巖石是均勻和各向同性的。應(yīng)用專業(yè)的有限元分析軟件建立模型進(jìn)行分析，采用四節(jié)點(diǎn)的平面單元進(jìn)行模擬，地質(zhì)力學(xué)模型如圖5所示。

圖5 地質(zhì)力學(xué)模型

模型沿x、y軸的計算范圍為220 m×190 m，整個模型劃分為8 180個單元。計算區(qū)域的底部邊界采用雙向約束，側(cè)面采用法向約束。根據(jù)橋梁1#橋墩計算出的墩底支撐力為88 063.25 kN（極限狀態(tài)作用下），橋梁基礎(chǔ)荷載為豎向。

采用彈塑性材料模擬巖體，屈服準(zhǔn)則采用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。巖體力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 等效計算分析參數(shù)取值

4 力學(xué)分析

4.1在橋梁荷載作用下的邊坡應(yīng)力特征

在橋梁基礎(chǔ)荷載作用下，基礎(chǔ)荷載作用對基礎(chǔ)附近的巖體應(yīng)力影響大，最大為0.117 MPa，到坡腳位置只有0.009 MPa，且對于坡面附近的巖體應(yīng)力影響很小。應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 應(yīng)力云圖

4.2在橋梁荷載作用下的邊坡位移特征

根據(jù)計算結(jié)果，邊坡的水平位移為0.17 mm、豎直位移為0.57 mm，均很小，在橋梁荷載作用下，對邊坡的穩(wěn)定性影響很?。▓D7、圖8）。

圖7 在橋梁基礎(chǔ)荷載作用下水平位移

圖8 在橋梁基礎(chǔ)荷載作用下豎直位移

4.3邊坡穩(wěn)定性分析

有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法與傳統(tǒng)的極限平衡法一致，均為強(qiáng)度儲備安全法。其基本原理是將巖體強(qiáng)度參數(shù)C、φ值同時除以折減系數(shù)F，得到1組新的C'、φ'值，然后作為新的強(qiáng)度參數(shù)代入有限元模型進(jìn)行試算，若程序收斂，則坡體整體穩(wěn)定。采用有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法分析邊坡的穩(wěn)定性具有如下優(yōu)點(diǎn)[5]：

1）能夠?qū)哂袕?fù)雜地貌情況和地質(zhì)條件的邊坡進(jìn)行計算。

2）考慮了土體的本構(gòu)關(guān)系，同時也納入了變形對應(yīng)力的影響。

3）能夠模擬巖土邊坡的滑移面形狀，滑移面大致在水平位移突變的地方和塑性變形發(fā)展嚴(yán)重的地方。

4）求解安全系數(shù)時，可以不需要假設(shè)滑移面的形狀，也無需進(jìn)行條分。

因此，本文采用有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法，獲取荷載作用下1#橋墩邊坡的安全系數(shù)，計算結(jié)果如圖9所示。采用折減系數(shù)法，經(jīng)計算1#橋墩的邊坡安全系數(shù)為2.437。

圖9 邊坡穩(wěn)定計算分析結(jié)果

5 1#橋墩承臺沉降變形監(jiān)測

在6#橋建設(shè)過程中，針對1#橋墩承臺設(shè)置了沉降觀測點(diǎn)，對其進(jìn)行了沉降觀測。根據(jù)沉降觀測數(shù)據(jù)反映，整個建設(shè)過程中1#橋墩承臺沉降很小，最大只有－1.5 mm，間接證明了橋梁基礎(chǔ)荷載對巖石邊坡的影響很?。▓D10）。

圖10 1#橋墩基礎(chǔ)承臺沉降觀測

6 結(jié)語

巖石高邊坡的穩(wěn)定性是一個具有挑戰(zhàn)性的學(xué)科和工程實(shí)踐問題。本文通過有限元計算分析和1#墩基礎(chǔ)承臺的沉降觀測，數(shù)據(jù)表明橋梁基礎(chǔ)荷載對坡面巖體的應(yīng)力和位移影響很小。

根據(jù)目前提供的地質(zhì)資料及荷載參數(shù)進(jìn)行計算分析，該邊坡的安全系數(shù)為2.437，邊坡整體是穩(wěn)定的。伊朗6#橋1#橋墩橋基為巖石邊坡，巖石邊坡中橋梁基礎(chǔ)荷載對于邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)和位移影響均較小，因?yàn)閹r石邊坡自身強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，巖石邊坡的變形通常很小，但一旦出現(xiàn)過大變形，邊坡就會失穩(wěn)。