葉 子

（江西科信水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，江西 上饒 334000）

我國(guó)沿江河湖布置的交通工程占比大，擁有大量的庫(kù)岸橋梁、公路及鐵路[1]。庫(kù)區(qū)水位變化對(duì)岸坡巖土體物理力學(xué)性能影響較大，水位變化將改變巖土體的飽和-非飽和狀態(tài)，使巖土體基質(zhì)吸力與孔隙水壓力發(fā)生改變，從而影響岸坡巖土層的變形沉降，甚至能誘發(fā)岸坡滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，進(jìn)而影響岸坡穩(wěn)定性以及庫(kù)岸橋梁等結(jié)構(gòu)的安全性[2-8]。因此，研究含橋梁結(jié)構(gòu)庫(kù)岸邊坡在不同水位變化下的穩(wěn)定性狀況，對(duì)保障岸坡的穩(wěn)定性及橋梁等結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義。目前，學(xué)者們主要研究了庫(kù)區(qū)水位變化對(duì)常規(guī)邊坡與橋梁等結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性影響，鮮有考慮橋梁的汽車荷載。本文依托某庫(kù)岸橋梁邊坡工程，采用GTS-NX 軟件建立含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的有限元模型，分析高低恒水位和驟降變水位工況下岸坡的應(yīng)力變形分布、橋墩變形特征與岸坡穩(wěn)定性狀況，對(duì)既有橋梁結(jié)構(gòu)岸坡進(jìn)行安全評(píng)估。

1 工程概況

為研究庫(kù)區(qū)水位變化對(duì)含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的穩(wěn)定性影響，選取四川盆地東南部某水庫(kù)的含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡為研究對(duì)象。橋梁為整體式，全長(zhǎng)260 m，設(shè)計(jì)為2橋臺(tái)、5橋墩，上部結(jié)構(gòu)采用6×40 m簡(jiǎn)支T梁，下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩，橋臺(tái)為“U”形重力式橋臺(tái)。含橋梁岸坡地區(qū)屬低中山地貌區(qū)，場(chǎng)地地形處于沖溝兩側(cè)，地勢(shì)總體南北高、中間低，左右兩岸斜坡坡度角為27°～35°和35°～42°。庫(kù)岸橋區(qū)地層為第四系崩坡堆積層和侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組，以泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖為主，巖石較致密，裂隙較發(fā)育。巖層呈單斜產(chǎn)出，產(chǎn)狀305°∠55°，區(qū)內(nèi)未見(jiàn)斷層結(jié)構(gòu)，屬單一構(gòu)造區(qū)。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 有限元數(shù)值模型

為分析不同水位情況下含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的穩(wěn)定性，利用GTS-NX 軟件建立了含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的有限元計(jì)算模型。如圖1 所示，模型包括橋梁結(jié)構(gòu)和岸坡，其中橋梁樁基深度從左至右分別為19.7、23.0、18.0、19.0 和10.0 m。梁體、樁體采用1D 梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，單元網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m；岸坡實(shí)體采用混合網(wǎng)格進(jìn)行劃分，混合網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m。岸坡地層從上至下主要為碎塊石土、泥巖、砂巖，砂巖和泥巖物理力學(xué)參數(shù)為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，碎石土參照工程地質(zhì)手冊(cè)取的經(jīng)驗(yàn)值，具體參數(shù)詳見(jiàn)表1。巖土體采用M-C屈服準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)采用線彈性材料。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型及其網(wǎng)格劃分

表1 地層及材料參數(shù)

2.2 邊界條件及計(jì)算工況

為獲得不同實(shí)際工況下含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的力學(xué)響應(yīng)特征，數(shù)值計(jì)算考慮了汽車荷載、重力恒載和水壓力荷載等作用。首先對(duì)整體邊坡網(wǎng)格組施加重力，然后施加水荷載及車輛荷載，水荷載體現(xiàn)于巖土體材料的飽和、天然狀態(tài)的變化，橋梁車輛荷載根據(jù)計(jì)算得到的質(zhì)點(diǎn)反力施加于各個(gè)橋墩的墩頂，橋墩從左至右施加反力分別為14 711、15 124、11 151、14 760和15 280 kN（橋墩編號(hào)依次為1#—5#）。邊界條件設(shè)置如下：底部約束水平和豎向位移，左右兩側(cè)約束水平位移。計(jì)算工況設(shè)置為：低水位（水位高程1 238 m）、高水位（水位高程1 273 m）和驟降水位（水位高程1 273 m 降至1 238 m）3 種水位工況。水位線以上巖土體取天然黏聚力、天然內(nèi)摩擦角、天然容重，而水位線以下巖土體則取飽和狀態(tài)參數(shù)。模型計(jì)算時(shí)，通過(guò)設(shè)定不同水位線從而賦予巖土體材料不同狀態(tài)下的力學(xué)指標(biāo)，即靜水位時(shí)水位線為水平線、水位驟降時(shí)水位線為浸潤(rùn)線。

3 結(jié)果及分析

3.1 含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的應(yīng)力變形特征

數(shù)值模擬獲得了3 種水位工況下含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的位移變化與應(yīng)力分布特征，如圖2 所示。對(duì)于低水位工況，由于岸坡水位較低，岸坡所受荷載主要為橋梁上的車輛荷載，最大水平位移出現(xiàn)于右岸5#橋墩附近的巖土體為0.87 mm，最大豎向位移出現(xiàn)于3#橋墩頂部為6.07 mm；對(duì)于高水位工況，水庫(kù)蓄水至高水位，使得水位線以下土體變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，最大水平位移出現(xiàn)于左岸土體為2.62 mm，最大豎向位移出現(xiàn)于左岸坡體為15.9 mm；對(duì)于驟降水位工況，最大水平位移出現(xiàn)于左岸土體為2.58 mm，最大豎向位移出現(xiàn)于右岸坡體為13.62 mm?？傮w而言，水位的變化對(duì)岸坡變形影響較小。

圖2 高水位工況下含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的位移云圖

提取出各橋墩及橋臺(tái)底部岸坡位移值詳見(jiàn)表2，發(fā)現(xiàn)3 種工況下左右橋臺(tái)最大水平位移相差不大，在1 mm以內(nèi)；最大豎向位移出現(xiàn)于高水位工況，達(dá)到15.44 mm，較低水位和驟降水位工況分別增加了15.97 mm和3.34 mm。對(duì)于1#—5#橋墩，最大水平位移和最大豎向位移均出現(xiàn)于高水位工況，分別為2.29 mm和11.24 mm，較低水位和驟降水位工況分別增加了2.18 mm和0.32 mm、13.52 mm和5.18 mm。總而言之，高水位工況對(duì)含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的變形影響最大。此外，通過(guò)岸坡的應(yīng)力分布云圖發(fā)現(xiàn)：岸坡最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在右岸橋墩位置，為0.42 MPa；最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)于庫(kù)區(qū)底部，最大值為2.61 MPa，小于基巖強(qiáng)度，表明水位的變化對(duì)橋墩的變形和內(nèi)力影響較小。

表2 不同水位工況下各橋墩底部岸坡位移值 mm

3.2 含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的穩(wěn)定性分析

數(shù)值模擬得到了不同水位工況下含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的穩(wěn)定性系數(shù)。為更好研究橋梁結(jié)構(gòu)與上覆汽車載荷對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響，設(shè)計(jì)了無(wú)橋梁結(jié)構(gòu)的普通岸坡模擬對(duì)照組（包括左岸邊坡和右岸邊坡2組模型）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡，由于橋梁的樁體結(jié)構(gòu)對(duì)岸坡穩(wěn)定性具有一定的加固作用，3種水位工況下最危險(xiǎn)滑弧均出現(xiàn)于左岸，如圖3所示，最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.40，出現(xiàn)于水位驟降工況。對(duì)于無(wú)橋梁結(jié)構(gòu)的普通岸坡，由于沒(méi)有橋梁結(jié)構(gòu)的加固作用，高水位和水位驟降條件下，岸坡穩(wěn)定性系數(shù)均減??；由于左岸坡度角更大影響，左岸邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均小于右岸，其中左岸邊坡在水位驟降工況時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)最小為1.05，而右岸邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.22。此外，還發(fā)現(xiàn)左岸最危險(xiǎn)滑弧剪出口在坡腳位置，在低水位和高水位時(shí)最危險(xiǎn)滑弧剪出口位置較水位驟降工況時(shí)更高，沿堆積層土巖分界線分布。根據(jù)水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范，左岸邊坡屬于欠穩(wěn)定狀態(tài)，需要對(duì)其進(jìn)行加固處理。如對(duì)碎石土層較薄處可進(jìn)行清方處理，對(duì)于厚度較大的碎石土層可采用抗滑樁加固等措施。

圖3 驟降水位工況下岸坡最大剪切應(yīng)變?cè)茍D

4 結(jié)論

基于GTS-NX 軟件建立了含橋梁結(jié)構(gòu)的岸坡穩(wěn)定性計(jì)算模型，分析了3 種水位工況下岸坡應(yīng)力變形分布、橋墩橋臺(tái)變形特征與岸坡穩(wěn)定性狀況，獲得以下結(jié)論。

（1）3 種工況下岸坡最大水平位移和豎向位移分別為0.87～2.62 mm 和6.07～15.9 mm；高水位工況對(duì)橋梁岸坡變形影響最大，此時(shí)岸坡水平位移和豎向變形分別為2.62 mm和15.9 mm。

（2）3 種工況下左右橋臺(tái)最大水平位移相差小，最大豎向位移出現(xiàn)于高水位工況，為15.44 mm；橋墩的最大水平位移和豎向位移出現(xiàn)于高水位工況，分別為2.29 mm和11.24 mm。

（3）由于橋梁對(duì)岸坡的加固作用，橋梁岸坡最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.40，不同水位工況下最危險(xiǎn)滑弧均在左岸；無(wú)橋梁岸坡的左岸穩(wěn)定性系數(shù)小于右岸，在水位驟降工況下左、右岸坡穩(wěn)定性系數(shù)最小，分別為1.05 和1.22，左岸邊坡為欠穩(wěn)定狀態(tài)，需對(duì)其進(jìn)行加固處理。