基于LRFD設計理論的不良地質條件對橋梁結構可靠度的影響研究

邱山，王芳，李鷺陽

（宿州學院資源與土木工程學院，安徽 宿州234000）

1 緒論

當前我國基礎道路設施建設迅速發展，橋梁作為基礎建設中最重要的一環，是保證道路工程連續的關鍵部位，這使得橋梁應當具有足夠的承載和耐久能力。橋梁在設計建設過程中常常遇到各種危害，而不良的地質現象對橋梁結構影響是致命的，經常造成橋梁倒塌事故。不良的地質現象對橋梁構造有著巨大的影響，每年因為不良地質現象而倒塌的橋梁不計其數[1-2]。

此外，由于工程地質條件復雜多樣，不同類型的橋梁對工程地質的條件的要求又不盡相同，表現出的地質工程問題又是多種多樣的[3]。因此確切了解和掌握各類不良工程地質現象的本質及相應的防治方法，運用專業知識，科學合理的減少不良地質問題現象的發生，保證人們的生命財產安全刻不容緩。綜合目前橋梁對于國家發展的重要性，以及不良地質現象對于橋梁結構的危害，文章基于LRFD設計理論，總結不良地質現象對橋梁結構可靠度的影響以及在具體的橋梁設計和施工過程中如何防治這些常見不良地質現象。

2 LRFD設計理論和可靠度理論

2.1 發展歷程

美國在1921年開始編寫公路橋梁設計規范，美國公路協會在1931年發表了《公路設計規范》，此規范中的設計原理為容許應力設計ASD。1980年后，規范中新增加了荷載系數設計方法LFD，繼而荷載和抗力系數設計方法LRFD被越來越多的國家認可，此方法兼并容許應力設計法與可靠度理論的長處。LFRD設計方法[4-5]同時兼顧了抗力與荷載的隨機性和偶然性，而且具有極高的實踐價值。1994年第一版關于LRFD理論的規范——《AASHTO荷載和抗力系數橋梁設計規范》發表了，該規范以可靠度理論為指導，以最新的理論研究和工程實踐成果為骨架，正式構建美國橋梁工程體系。此后，該規范不斷的被修改和補充，目前最新版本是2010年第五版。

在LRFD設計方法中，通過以可靠度為基礎可獲得荷載與抗力之間的函數關系：

2.2 可靠度理論簡介

可靠度是指結構在規定的時間和條件下，完成預定功能的概率[6]。可靠度理論要解決的問題是在設定結構所處的正常條件以及規定時間后，結構的安全性、適用性、耐久性是否符合規范要求。在結構可靠度分析中，第一步需設立結構相對應的功能函數，從而再確定結構構件或整體體系在極限狀態下的方程。結構的功能函數可用以下變量表示：

令R表示結構抗力、S表示荷載效應，由于R、S均為隨機變量，故結構功能函數Z也是隨機變量，且有Z=R-S。

可靠指標β與失效概率Pf對應關系

可靠概率Ps指的是結構完成預定功能的概率，而失效概率Pf是結構不能完成預定功能的概率，可靠指標為β。已知隨機變量Z=R-S的概率密度函數為fz（Z），見上圖。

設結構的功能函數為Z，其均值、標準差和變異系數分別為μz、σz、δz，則可靠指標β為：

3 常見不良地質條件對橋梁的影響

3.1 不均勻沉降

不均勻沉降是指在同一結構中由于地基土質以及上部荷載的不均勻分布而導致相鄰的兩個基礎沉降量存在偏差[7]。當沉降偏差超過限值時，會使其上部結構產生額外的應力，這個應力達到一定極限會使結構表面產生裂紋、傾斜甚至破壞。而造成橋梁基礎不均勻沉降的原因主要包括以下幾種情況：①地質情況復雜；②流水沖刷侵蝕；③上部結構超載；④基礎差異；⑤人為主導因素；⑥突發不可抗力。

一般情況下，連續梁橋為超靜定結構，基礎的不均勻沉降會使橋梁上部產生一個附加應力，并逐步影響上部結構的整體力學性能，從而破壞橋梁穩定性，影響其正常使用。主要影響集中在如下幾種情況：

①橋面出現起伏，導致橋面水泥層破壞并引發行車顛箥、橋頭跳車等現象；

②橋墩、擋板移動而產生裂縫；

③上部結構與下部結構連接處應力集中，使梁底支座與主梁都發生破壞；

④主梁結構可能會出現微小偏移，使主梁內的受力發生變化，變形加劇，導致梁體內混凝土破壞加劇，直接威脅橋梁的整體穩定性；

⑤基礎不均勻沉降嚴重可能會導致橋梁坍塌。

防治措施：①地質勘察時精度需準確，注意地基地質間的差異；②設計基礎時需考慮結構的荷載差異選取合適的結構基礎類型；③避免基礎處于滑坡、溶洞等不良地質下，可減少不均勻沉降。

3.2 泥石流

泥石流是在暴雨降落后山區內的泥沙、石塊以及其它的固體組成的特殊洪流。泥石流為山區特有的一種不良地質災害，它具有短暫強爆發、移動速度快、持續沖擊強、瞬間破壞大的特點。泥石流對橋梁工程的危害主要有沖刷、沖擊、磨蝕等。

泥石流通過攜裹大量巨石、雜物、水流以極快的速度從山體上沖刷而下，對經過的橋梁橋墩直接撞擊同時使水流不斷積聚，大量泥石流堆積體堵塞河道。通過對橋墩的沖擊，使其短期內受力增大達到峰值并超過設計標高，使其內部出現裂縫甚至直接斷裂，造成橋梁結構整體性破壞而出現橋體坍塌。而通過流水的不斷侵蝕，使橋體周圍基礎不斷侵蝕，使基礎失去承載能力，出現邊坡滑移，地基變淺。反復循環，致使堆積體越來越多，對橋梁損壞加深。

防治措施：①生物預防：在上游種植大量草木，可降低泥石流發生概率；②攔截：在中游設置一系列攔截構筑物如攔截壩等，降低泥石流流速和沖擊力，降低對橋梁的沖撞力度；③引流：在下游設置排導措施使泥石流順利排除。

3.3 崩塌

崩塌是在陡峭的坡體上大型巖石突然地崩落，在重力作用下沿著坡體向下滑落翻滾，最后巖石匯集于坡腳的過程。崩塌是一種常見的不良地質災害現象，經常造成橋梁和公路的損毀，同時阻塞交通路段給運輸帶來巨大損失。崩塌形成條件分為以下幾種。

①坡體的坡度和表面構造：崩塌發生的先決條件為斜坡形狀高而陡峭，坡度一般在55度以上。當坡體表面坎坷不平時，凸起的巖石極易發生崩塌。

②巖石性質：不同巖石的性質千差萬別，其強度、風化程度、抗沖刷能力都是不同的。當坡體由軟巖和硬巖組成時，軟巖可能優先風化而導致硬巖失去支持而脫落崩塌。

③節理程度：其是決定坡體穩定性的主要因素之一。但當節理順山坡發展時，極易誘發崩塌發生。

④地質構造：坡體一般由不同性質的巖層以及構造和產狀組成，其內的構造面一般為切割面，導致巖體內的連接性能大大減弱，易誘發崩塌。

崩塌對橋梁結構造成直接影響，大量巨石在重力作用下直接碰撞橋梁主體，致使橋梁受損，整體性能被破壞，結構內部力學性能遭到削弱，承載能力降低，容易發生主梁、橋墩等受力部件斷裂，嚴重可能會導致橋梁坍塌。

防治措施：①主動措施：削坡、清除危巖、調整地表水流、加固軟弱土坡、設置支擋墻、對坡面噴漿等；②被動措施：設置攔截設施如筑護墻和維護棚、設置引導設施如筑明峒和御塌棚。

3.4 滑坡

滑坡是指在重力以及其他外力作用下使得坡體上的土和巖石喪失穩定狀態，將會發生順著坡體向下整體滑動脫離的現象。在大量工程實踐中將影響滑坡的因素概括為以下幾種。

①斜坡外形：斜坡的存在構成了滑坡發生的前提，斜坡的高度、形狀、坡度都有可能發生變化時，其內應力的改變會造成斜坡失穩；

②巖性：滑坡主要發生在容易受水化影響的土層和軟巖里；

③構造：當斜坡內的節理、斷層、層面等軟弱面與斜坡坡面幾近吻合時，斜坡容易發展成為滑坡；

④水：流水不斷沖刷侵蝕斜坡，使其土體逐漸軟化同時減小了土體之間的摩擦力，造成滑坡。

⑤地震：地震直接破壞斜坡土體結構，降低了土體抗剪強度，同時給土體增加了下滑力，加速滑坡的發生。

⑥人為因素：人為的生產活動可能會破壞斜坡原本的穩定結構造成滑坡。

滑坡對山區內的橋梁工程有巨大威脅，通過摧毀橋涵，阻斷道路而造成巨額損失，同時經過不斷積累，滑坡可能最終直接沖撞橋梁基礎，導致橋梁失穩倒塌。

防治措施：①排除地表水和地下水；②支擋：利用支擋結構增加滑坡下部的抗滑阻力；③刷方減重：通過削減坡腳或降低坡高，以減輕滑坡體自重，從而減少來自上部結構的下滑力；④改善滑動面的巖土性質：對巖質滑坡采用固結灌漿、對土質滑坡采用電化學加固、凍結等。

4 結語

橋梁作為當今時代重要的交通組成部分，時時刻刻都在接受著自然的考驗，而在橋梁修建的過程中，不良地質現象對其影響是不可忽略的，無數實踐經歷都在提醒著人們忽視不良地質的作用將會造成不可估量的損失。文章通過基于LRFD的研究，結合常見不良地質現象進行分析總結得出，梁設計和施工過程中，要隨時注意不良地質對工程的影響，根據所發生的災害及時得出相應的解決措施同時在施工科學運用防治方法，減少經濟損失。