張烜途 李海鷗 向治州

在四川陡峭的山區(qū)開挖樁基是一項具有重大安全風險的工程活動，研究橋樁施工過程中循環(huán)開挖與邊坡安全性的相互關系具有重大的現(xiàn)實意義。結合GIS軟件可以看出安寨坪2號橋地處自然環(huán)境為山高坡陡、河流深切、邊坡破碎，基于MIDAS-GTS有限元軟件分析了安寨坪2號橋邊坡穩(wěn)定性并通過施工階段助手模擬了橋梁樁基開挖過程，結果表明：邊坡在切坡后整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，其應力最大處在切坡坡腳；樁基的開挖深度與邊坡的橫向位移呈對數(shù)函數(shù)關系，開挖后的前10步邊坡位移變化較大。

復雜地形； MIDAS-GTS； 樁基開挖； 邊坡穩(wěn)定性

U443.15+9 A

［定稿日期］2022-03-17

［作者簡介］張烜途（1995—），男，碩士，研究方向為巖土工程技術；李海鷗（1994—），男，碩士，研究方向為橋梁施工控制技術。

在復雜地形條件下開挖橋梁樁基礎是一項有安全風險的工程活動，研究橋梁樁基開挖過程與邊坡安全性的相互關系具有重大意義。

隨著交通基礎設施建設力度的加大，高速公路逐步走向山區(qū)，橋位及樁位勢必會面對越來越多的陡峭斜坡、滑坡體、泥石流等復雜多變的地形地貌，并遇到越來越多的地質災害高發(fā)區(qū)，應用有限元手段對其危險性進行數(shù)值模擬是災害評估的一種手段［1-4］。

1 工程環(huán)境

1.1 地理位置

安寨坪2號橋位于四川雷波縣曲依鄉(xiāng)境內，在其中部腹地，區(qū)域面積約為0.11 km2，地理位置大概屬北緯28°10′～28°11′，東經103°27′～103°28′，曲依鄉(xiāng)東臨千萬貫鄉(xiāng)，北接八寨鄉(xiāng)，西靠簸箕梁子鄉(xiāng)，南隔金沙江與上田壩鄉(xiāng)相望，區(qū)內通有縣鄉(xiāng)公路，但路況較差，雨季通行困難（圖1）。

1.2 自然環(huán)境特征

安寨坪2號橋場區(qū)位于金沙江河岸旁，用GIS軟件對該場區(qū)地形進行分析，海拔高程在672～946 m，地形相對開闊；坡度范圍為2°～80°，在高程較高的地方坡度較緩，其平均坡度大概為45°，結合影像照片，可以看出區(qū)域地勢十分陡峭，局部近直立。場區(qū)的水文地質條件較復雜，水系分布密集，通過查閱相關地質水文資料，地下水類型主要有第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水（圖2）。

2 有限元計算模型

2.1 分析斷面的選取

擬建安寨坪2號橋橋樁基位置地形高陡，在暴雨、地震等因素的影響下，存在施工安全隱患，取坡體地勢較差的“Y”型沖溝剖面（坡度較陡處約60°，將整體全部考慮為風化巖），利用MIDAS-GTS有限元軟件對自然斜坡剖面穩(wěn)定性進行定量分析，為現(xiàn)場施工提供一定的分析數(shù)據支撐。場區(qū)地形地貌如圖3所示。

2.2 邊坡數(shù)值模型

在該剖面上修挖安寨坪2號橋橋梁樁基，會對邊坡坡體進行施工擾動，造成邊坡應力的重分布，從而影響邊坡的穩(wěn)定性，因此本文對開挖切腳的邊坡進行穩(wěn)定性分析，按照設計院設計圖說明，在標高約750 m處向邊坡坡內側開挖大概3 m，向下開挖樁徑為2.2 m的橋梁樁基，利用MIDAS-GTS有限元分析軟件建立坡體網格劃分圖，對其穩(wěn)定性進行分析，并利用軟件施工階段助手功能，對橋梁樁基開挖施工進行簡單數(shù)值模擬。其模型網格劃分如圖4所示。

在MIDAS-GTS的計算中，邊坡風化巖土層采用的是莫爾-庫倫（Mohr-Coulomb）彈塑性材料模型，具體參數(shù)如表1所示。

2.3 計算方法

本文應用強度折減法計算邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，通過MIDAS-GTS巖土軟件假定不同的折減系數(shù)對邊坡巖土體強度參數(shù)c和tanφ進行折減，削弱其值使單元應力達到屈服或超出屈服，如果計算的結果收斂時土體處于穩(wěn)定狀態(tài)，然后繼續(xù)增加折減系數(shù)，直到計算的結果出現(xiàn)不收斂時，表示邊坡發(fā)生破壞，此時的折減系數(shù)就是邊坡的安全系數(shù)Fs。

c′=cFs（1）

′=arctan（tanφFs）（2）

式中：Fs為強度折減系數(shù)；c、φ為實際抗剪強度參數(shù)；c、φ為折減后的抗剪強度參數(shù)。

2.4 邊坡穩(wěn)定性

由邊坡穩(wěn)定性分析（SRM）（圖5）可以看到，切坡后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.151 6，并且坡體的軟弱滑移面在切坡面上方，整個邊坡的應力集中點在切坡坡腳處，由此可以分析出，在位于斜坡路段樁基施工時應盡量減小對邊坡的擾動，保持原土體的穩(wěn)定，對斜坡上本身不穩(wěn)定的碎屑塊石應適當清除，必要時適當對邊坡進行防護，同時做好切坡邊坡的監(jiān)測測量，確保其穩(wěn)定性。

3 樁基開挖施工階段模擬

3.1 開挖參數(shù)

本次樁基開挖的樁徑為2.2 m，施工階段模擬將開挖深度控制在1 m一個循環(huán)，同時跟上20 cm厚C30混凝土護壁，反復循環(huán)30次，向下開挖30 m，通過MIDAS-GTS施工階段助手對每個樁基開挖階段進行有限元數(shù)值模擬，查看每個施工階段邊坡x方向位移云圖。其C30混凝土材料參數(shù)如表2所示。

3.2 結果分析

在孔口左上方設A監(jiān)測點，右下方設B監(jiān)測點，通過MIDAS-GTS軟件提取樁基開挖中各分步的x方向位移計算結果，如圖6～圖9所示。

通過邊坡x方向位移云圖可以明顯看出，開挖后邊坡位移變化較大處在樁基施工開挖前10步，特別是孔口上方斜側坡腳位置以及順坡向下側向孔壁旁，這些位置在受到施工擾動后，由于邊坡上的位移增速塊，坡上碎屑塊石很容易發(fā)生滾動滑落，對施工的安全造成威脅；隨著樁基開挖的進行，整個坡體下部的側向位移在減小并逐漸趨于平穩(wěn)，A點在第10步的位移值為2.37 cm，B點在第10步的位移為2.58 cm，由此說明在模擬的樁基開挖過程中，樁基上部結構的施工風險較下部結構高，施工過程中需要重點注意防護的是樁基上部位置；由坡體現(xiàn)場實拍圖結合有限元應力分析云圖，安寨坪2號橋旁地形陡峭，地形地貌很復雜，多處跨碎屑沖溝地帶，并且碎屑塊石分布廣、方量大，在進行橋梁樁基施工前很難將坡面表層碎石清理干凈，因此在該處進行樁基施工的風險極高。

4 結論

（1）擬建安寨坪2號橋地理位置大概屬北緯28°10′～28°11′，東經103°27′～103°28′，海拔高程在672～946 m，平均坡度大概為45°，基巖裸露部分近乎垂直。

（2）由MIDAS-GTS對切坡后的邊坡穩(wěn)定性進行了分析結，擬建安寨坪2號橋旁邊坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，整個邊坡的應力集中點在切坡坡腳處，因此在對邊坡進行開挖時要注意對切坡坡腳的防護。

（3）通過MIDAS-GTS施工階段模擬結果，開挖后邊坡位移變化較大處在樁基施工開挖前10步，特別是孔口上方斜側坡腳位置以及順坡向下側向孔壁旁，這些位置在受到施工擾動后，邊坡上的碎屑塊石很容易發(fā)生滾動滑落，對施工的安全造成威脅，建議對離孔口近的位置進行必要的工程防治處理。

參考文獻

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