汪紅武 李文菊 饒穎曜 秦 輝

(1.云南大保高速公路有限公司, 云南 大理 672600;2.云南交投集團(tuán)投資有限公司, 昆明 650000;3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430071)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展,工程復(fù)雜程度也不斷增加,橋梁的使用在線路工程中十分普遍[1-2].尤其是西南山區(qū),橋梁占比巨大.因此,橋址邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)成為一項(xiàng)重要課題[3-6].

許強(qiáng)等[7]開展模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)滑坡變形破壞機(jī)制深入分析,并將汶川地震引發(fā)的滑坡劃分為五大類.張奇華[8]在總結(jié)傳統(tǒng)滑坡體計(jì)算理論的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出了針對(duì)多滑面的極限平衡分析理論;劉明維等[9-11]基于強(qiáng)度折減和數(shù)值模擬方法開展了對(duì)具有多滑面的滑坡穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)方面的研究;地震影響下,邊坡極易形成多級(jí)滑面,陳力華等[12]針對(duì)多滑面滑坡體,提出了一種能夠考慮滑面之間相互作用的滑坡穩(wěn)定性分析方法;張巖巖等[13]結(jié)合歷史記錄資料、衛(wèi)星遙感影像、無人機(jī)航拍以及現(xiàn)場調(diào)查資料等多源數(shù)據(jù)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn),對(duì)蔡家壩發(fā)生的“8·31”特大型滑坡的成因機(jī)制進(jìn)行探討,發(fā)現(xiàn)該滑坡為降雨誘發(fā)的特大型多級(jí)平推式滑坡,具有多次、多層、逐級(jí)后退式演化的變形特點(diǎn),并對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測.劉誠等[14]構(gòu)建基于擬動(dòng)力下限法的地震力作用下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的函數(shù)規(guī)劃模型,并使用系列二次規(guī)劃算法循環(huán)求解模型,獲得地震作用下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線.胡軍偉等[15]針對(duì)巖質(zhì)滑坡,建立相應(yīng)的力學(xué)分析模型,通過定性和定量的穩(wěn)定性評(píng)價(jià),提出不同的治理思路.最終通過經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的比較,確定合理有效的支護(hù)方案.康欽容等[16]基于現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬方法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)邊坡有可能出現(xiàn)淺層滑坡和深層滑動(dòng),飽水狀態(tài)下極易發(fā)生整體滑移.

具有多級(jí)滑面的邊坡地震的穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)方面的研究成果豐富.軟弱結(jié)構(gòu)面在邊坡工程中十分常見.含緩傾軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育的邊坡存在較大安全隱患,但由于其傾斜角度較小,且緩傾軟弱結(jié)構(gòu)面的致災(zāi)機(jī)理不明,在進(jìn)行地震的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)往往容易忽視而導(dǎo)致災(zāi)難的發(fā)生.為此,以我國地震多發(fā)的西南山區(qū)跨江大橋橋址邊坡為例.利用有限元數(shù)值分析方法,通過分析含緩傾軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡地震響應(yīng)規(guī)律和坡體穩(wěn)定狀態(tài),揭示此類邊坡變形失穩(wěn)機(jī)制.采用不同的加固方案,對(duì)比分析其加固效果,優(yōu)化加固方案,為該類邊坡工程設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo).

1 山區(qū)公路橋梁典型橋址邊坡簡介

某特大橋橋址區(qū)屬構(gòu)造侵蝕、溶蝕中山地貌,微地貌為河流峽谷地貌,海拔高程介于1 116～1 530 m之間,相對(duì)高差約414 m,切割強(qiáng)烈,為“V”型谷.兩岸斜坡總體均為上緩下陡,地形坡度35°～45°,實(shí)景如圖1所示.地層情況和巖土體強(qiáng)度參數(shù)見表1.κpsr為殘余時(shí)刻的塑性剪應(yīng)變閾值,是應(yīng)變軟化本構(gòu)模型中的重要參數(shù)[17-18].

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

圖1 工程整體實(shí)景圖

兩岸斜坡下部為陡崖,斜坡中上部多陡坡、陡坎,區(qū)內(nèi)發(fā)育有巖溶等不良地質(zhì)現(xiàn)象.開挖擾動(dòng)后墩臺(tái)基坑等各類邊坡穩(wěn)定性差,且屬不均勻地基.路線所經(jīng)區(qū)域地處小江斷裂帶和大關(guān)-馬邊地震帶之間,地震活動(dòng)頻繁,因此,橋址區(qū)劃分為對(duì)建筑抗震不利地段.根據(jù)地震專項(xiàng)評(píng)價(jià),地震基本烈度為8(Ⅷ)度.該類橋址邊坡的穩(wěn)定性普遍受緩傾結(jié)構(gòu)面和陡傾卸荷裂隙控制,并且西南山區(qū)的高地震烈度特征加劇了邊坡穩(wěn)定帶來的安全問題,亟需重視其地震的穩(wěn)定性.

2 含緩傾結(jié)構(gòu)面橋址邊坡計(jì)算方案

2.1 應(yīng)變軟化本構(gòu)基本理論

沈珠江根據(jù)應(yīng)變軟化產(chǎn)生機(jī)理,將應(yīng)變軟化分為減壓軟化、剪脹軟化和損傷軟化等三大類[19].選擇最簡單的線性應(yīng)變軟化Mohr-Coulomb 模型[17],其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖2所示;其抗剪強(qiáng)度參數(shù)選擇如圖3所示,具體表達(dá)式見式(1)～(2);應(yīng)力達(dá)到峰值后繼續(xù)加載,巖土體進(jìn)入軟化階段,此時(shí)應(yīng)力下降而塑性變形繼續(xù)發(fā)展.

圖2 簡單線性應(yīng)變軟化模型

圖3 線性應(yīng)變軟化M-C模型參數(shù)的選擇

2.2 數(shù)值分析模型

擬建橋址區(qū)主要有含碎石粉質(zhì)黏土、玄武巖、灰?guī)r和泥化夾層.根據(jù)室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)和巖土體力學(xué)參數(shù)反分析方法獲得巖土物理力學(xué)參數(shù),應(yīng)變軟化參數(shù)通常取值為0,取值見表1.結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查情況以及工程設(shè)計(jì)要求,建立橋址邊坡數(shù)值分析模型,如圖4所示.采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型,模型邊界條件為:兩側(cè)約束橫向位移,底部約束橫向和豎向位移.為方便大橋主墩施工,需要在原有斜坡上開挖高約40 m 的邊坡.該邊坡分四級(jí)開挖,開挖坡率為1∶0.75.因?yàn)楸韺臃圪|(zhì)黏土層較薄,且分布范圍較小,所以對(duì)橋址整體穩(wěn)定性有影響的主要是橋址區(qū)域內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化玄武巖和軟弱結(jié)構(gòu)面.為分析在地震工況下橋址邊坡穩(wěn)定性及其變形失穩(wěn)演化規(guī)律,并提出合理的加固方案,本文重點(diǎn)研究對(duì)工程穩(wěn)定性有較大影響的強(qiáng)風(fēng)化玄武巖和軟弱結(jié)構(gòu)面在地震荷載作用下,考慮力學(xué)參數(shù)應(yīng)變軟化特性時(shí)對(duì)挖方邊坡穩(wěn)定性、滑面漸進(jìn)形式產(chǎn)生的影響.地震穩(wěn)定性分析時(shí),采用擬靜力法,考慮水平向慣性力作用,抗震設(shè)防烈度為8(Ⅷ)度,水平峰值加速度為2.45 m/s2.

圖4 數(shù)值分析模型

3 橋址邊坡地震穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 多級(jí)滑動(dòng)特征分析

跨江大橋橋址邊坡施工往往會(huì)產(chǎn)生較大工程開挖量,確定合適的開挖深度以保證邊坡的長期穩(wěn)定性,提高經(jīng)濟(jì)效益.因此分析不同開挖深度下的邊坡在地震作用下變形破壞機(jī)制和穩(wěn)定性演化規(guī)律有助于優(yōu)化開挖方案.

在地震荷載作用下,考慮參數(shù)應(yīng)變軟化特性的邊坡不同開挖深度下塑性區(qū)漸進(jìn)發(fā)展云圖如圖5所示.可以看出,未開挖時(shí),邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面區(qū)域局部進(jìn)入塑性狀態(tài),此時(shí)邊坡仍然處于較穩(wěn)定狀態(tài),局部有松弛和裂縫發(fā)育,這與工程現(xiàn)場情況相對(duì)較吻合.第一開挖步后,在地震荷載作用下,邊坡塑性區(qū)從軟弱結(jié)構(gòu)面向開挖邊坡坡腳延伸并貫通,一級(jí)主滑面形成(按滑面形成先后時(shí)間分主次滑帶,空間分布關(guān)系分一級(jí)和二級(jí)滑帶).隨著開挖深度的增加,一級(jí)主滑面的剪切破壞區(qū)在開挖坡腳和軟弱結(jié)構(gòu)面區(qū)域逐步向上擴(kuò)展.當(dāng)達(dá)到終了開挖步時(shí),在地震力作用下,二級(jí)主滑面形成.由于下部開挖導(dǎo)致上部坡體牽引變形,形成次級(jí)滑面.次級(jí)滑面與一級(jí)主滑面和二級(jí)主滑面交匯,導(dǎo)致橋址邊坡在開挖坡腳位置出現(xiàn)分叉型剪切破壞區(qū).最終,隨著滑面的進(jìn)一步發(fā)展,形成由一級(jí)主滑面為優(yōu)勢剪切面,一級(jí)主滑面、次級(jí)滑面和二級(jí)主滑面控制的變形特征由坡腳繼續(xù)向坡頂表面擴(kuò)張直至整體失穩(wěn).

圖5 多級(jí)滑動(dòng)面形成過程中塑性區(qū)漸進(jìn)發(fā)展云圖

從破壞形式分析,由于開挖卸荷作用,坡腳應(yīng)力集中,開挖體下部減載,抗滑力減小導(dǎo)致上部坡體受到牽引變形,因此,開挖體下部土體主要受到剪切變形破壞,開挖體上部土體主要受張拉破壞.即:一級(jí)主滑面主要是由于拉張和剪切破壞所致,次級(jí)滑面和二級(jí)主滑面主要是張拉破壞,且張拉破壞區(qū)正逐漸向上擴(kuò)張.從多級(jí)滑動(dòng)面形成過程中位移漸進(jìn)發(fā)展云圖(如圖6所示),4 副圖分別代表開挖深度:20、30 和40 m.可以看出,橋址邊坡未開挖前,由于地震荷載的作用,橋址邊坡產(chǎn)生變形,第一開挖步后,橋址下邊坡變形有減小趨勢,隨著開挖深度進(jìn)一步增加,變形逐漸增大.

圖6 多級(jí)滑動(dòng)面形成過程中位移漸進(jìn)發(fā)展云圖

綜合上述可知,開挖后,橋址上邊坡受地震荷載作用,變形較大,成為橋址邊坡穩(wěn)定性主要的影響區(qū)域.橋址下邊坡雖然變形相對(duì)較小,但由于主墩不能承受水平荷載,微小變形仍然會(huì)導(dǎo)致主墩基礎(chǔ)受到較大損壞.因此橋址下邊坡對(duì)變形的控制相對(duì)于上邊坡更加嚴(yán)苛.

為進(jìn)一步分析地震荷載對(duì)含緩傾軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡影響,對(duì)比了自然工況和地震工況下塑性區(qū)擴(kuò)展云圖(如圖7所示),圖中○表示拉應(yīng)力集中區(qū),×代表剪應(yīng)力集中區(qū).自然工況下,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.13,地震工況下,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.97.可以發(fā)現(xiàn),自然工況下,邊坡失穩(wěn)主要是由于開挖卸荷作用導(dǎo)致斜坡下部發(fā)生剪切破壞,坡頂出現(xiàn)張拉破壞的單滑面破壞形式,橋址下邊坡并沒有發(fā)生破壞.在地震工況下,邊坡呈現(xiàn)出多級(jí)滑面破壞形式.主要區(qū)別在于:地震工況下,橋址下邊坡滑體呈現(xiàn)沿緩傾軟弱結(jié)構(gòu)面向臨空面拋出的破壞形式.說明緩傾軟弱結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響在自然工況下并不顯著,但在地震工況下,軟弱結(jié)構(gòu)面對(duì)橋址邊坡穩(wěn)定性影響較為明顯,嚴(yán)重威脅主墩的穩(wěn)定性.

圖7 不同工況下塑性區(qū)云圖

通過上述對(duì)塑性區(qū)、變形的漸進(jìn)發(fā)展規(guī)律分析,可將地震荷載作用下,含緩傾軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡多級(jí)滑面形成及對(duì)橋址邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律歸納為:在開挖和地震荷載共同影響下,含緩傾軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡坡體前緣由于地震慣性力作用,開挖坡腳與緩傾軟弱結(jié)構(gòu)面之間發(fā)生拉剪破壞.該區(qū)域貫通后在坡體前緣內(nèi)部形成一個(gè)初始剪切帶,此為一級(jí)主滑面.與此同時(shí),由于坡體前緣發(fā)生變形,導(dǎo)致上部土體所受抗滑力降低,坡體內(nèi)局部出現(xiàn)拉伸和剪切破壞區(qū)并逐漸發(fā)展,進(jìn)而形成二級(jí)主滑面.隨著時(shí)間推移,軟弱結(jié)構(gòu)面與二級(jí)主滑面之間受拉剪破壞控制的區(qū)域逐漸增大貫通,從而形成優(yōu)勢滑動(dòng)面,即次級(jí)滑動(dòng)面.多級(jí)滑面空間分布如圖8所示.

圖8 多級(jí)滑動(dòng)面剪應(yīng)變云圖

3.2 穩(wěn)定性演化規(guī)律

在不同開挖深度下,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)在自然工況和地震工況下有著不同的變化規(guī)律,如圖9所示.

圖9 穩(wěn)定性系數(shù)隨開挖步變化情況

自然工況下,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨開挖深度增加,呈現(xiàn)出先減小后增加再減小的趨勢,而地震工況下,穩(wěn)定性系數(shù)隨著開挖深度增加呈現(xiàn)出先增加后持續(xù)減小的趨勢.該變化趨勢主要和邊坡開挖位置以及最危險(xiǎn)滑面的變化有關(guān),所以該邊坡穩(wěn)定性系數(shù)并沒有隨著開挖深度的增加而減小.

自然工況下,第一開挖步的開挖導(dǎo)致坡體前緣卸載,抗滑力減小,因此邊坡整體穩(wěn)定性有減小趨勢.進(jìn)一步開挖到第二開挖步時(shí),開挖位置上部的坡體與下部的坡體之間相連接的土層變薄,導(dǎo)致上部下滑力不能完全地傳遞到下部含緩傾軟弱結(jié)構(gòu)面的土體,上部土體自身就能夠承受下滑力,此時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)有所增加,即穩(wěn)定性系數(shù)為1.23.進(jìn)一步的開挖將導(dǎo)致開挖位置上部坡體發(fā)生進(jìn)一步的卸荷松弛變形,穩(wěn)定性系數(shù)一直處于下降趨勢.

將地震工況下穩(wěn)定性系數(shù)變化情況與多級(jí)滑動(dòng)面形成過程中塑性區(qū)漸進(jìn)發(fā)展云圖(圖5)對(duì)應(yīng)分析,可發(fā)現(xiàn):第一開挖步后,雖然邊坡發(fā)生卸荷,但整體的重量有所減小,相比沒有開挖前來說,地震慣性力作用對(duì)開挖體下部邊坡穩(wěn)定性的影響有所減弱,因此穩(wěn)定性系數(shù)略微有所增加,此時(shí)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.07應(yīng)該是一級(jí)滑帶的穩(wěn)定性系數(shù).且隨著開挖深度的增加,地震對(duì)開挖位置下部的坡體穩(wěn)定性的影響是減弱的.相反,對(duì)開挖位置上邊坡來說,進(jìn)一步的開挖,導(dǎo)致開挖臨空面不斷擴(kuò)大.已有研究表明,坡度越陡,地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響越大,因此,開挖位置上部坡體受地震荷載影響隨開挖深度增加變得愈加顯著,因此,穩(wěn)定性系數(shù)隨著開挖步的增加而持續(xù)減小(參見圖9).因此,含緩傾軟弱結(jié)構(gòu)面的橋址邊坡地震穩(wěn)定性評(píng)價(jià)需要分開挖位置上下邊坡分別分析.該案例中,有限元求解的穩(wěn)定性系數(shù)只能說明是該狀態(tài)下邊坡對(duì)應(yīng)的最不利的穩(wěn)定性系數(shù).對(duì)含多級(jí)滑面的邊坡來說,不同的開挖時(shí)刻,對(duì)應(yīng)不同的滑面和不同的穩(wěn)定性系數(shù),所以不能一概而論按照一個(gè)穩(wěn)定性系數(shù)來開展工程設(shè)計(jì).

3.3 不同方案加固效果對(duì)比及優(yōu)化

橋址邊坡工程地震工況下穩(wěn)定性系數(shù)需要滿足1.15才符合規(guī)范要求.對(duì)本文邊坡采用3 種加固方式對(duì)比,預(yù)應(yīng)力錨索每束施加預(yù)應(yīng)力40 t,錨固段10 m,4 m×4 m 錨索布局.如圖10所示,只采用預(yù)應(yīng)力錨索加固,穩(wěn)定性系數(shù)為1.06;采用預(yù)應(yīng)力錨索加固至穩(wěn)定性系數(shù)為1.15;對(duì)軟弱結(jié)構(gòu)面注漿加固且結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨索加固至穩(wěn)定性系數(shù)為1.15.采用預(yù)應(yīng)力錨索和注漿加固結(jié)合的方式加固需5 900 k N/m加固力,錨索長度為60 m,即可滿足工程穩(wěn)定性要求.而只采用預(yù)應(yīng)力錨索加固的方式則需9 400 k N/m,且加固深度需增加約20 m,錨索長度為80 m 才能滿足工程穩(wěn)定性要求,施工難度大幅增加.最終,采用注漿加固和預(yù)應(yīng)力錨索加固相結(jié)合的方式加固.

圖10 不同加固形式下剪應(yīng)變云圖

4 結(jié)論與建議

依托山區(qū)公路橋梁典型橋址邊坡工程,利用考慮材料強(qiáng)度應(yīng)變軟化特性的有限元方法揭示了含有緩傾結(jié)構(gòu)面橋址邊坡的多級(jí)滑動(dòng)特征和地震影響效應(yīng),得到如下結(jié)論:

1)工程活動(dòng)會(huì)對(duì)自然邊坡的巖土特性造成擾動(dòng),間接影響其穩(wěn)定性,考慮巖土材料軟化的數(shù)值仿真技術(shù)可以較好地反映上述擾動(dòng)機(jī)制并揭示此類邊坡的漸進(jìn)破壞過程和規(guī)律.

2)地震作用加劇了該類含緩傾結(jié)構(gòu)面橋址邊坡的多級(jí)滑動(dòng)趨勢.滑動(dòng)面的產(chǎn)生和發(fā)展在時(shí)間和空間的順序是先形成一級(jí)主滑面,而后在一級(jí)主滑面基礎(chǔ)上產(chǎn)生二級(jí)主滑面,接著產(chǎn)生次級(jí)滑面,最終整體發(fā)生失穩(wěn).

3)地震作用下含緩傾軟弱結(jié)構(gòu)面的邊坡在不同開挖深度下對(duì)應(yīng)的破壞模式有所不同,穩(wěn)定性系數(shù)隨開挖深度先增大后減小.橋址下邊坡由于緩傾結(jié)構(gòu)面的影響,地震作用下存在整體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn).

4)含緩傾結(jié)構(gòu)面的橋址邊坡加固時(shí),采用注漿和預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合加固的方式優(yōu)于只采用預(yù)應(yīng)力錨索加固.注漿加固可有效控制橋址下邊坡的變形,對(duì)主墩穩(wěn)定性更加有利.