某長江大橋高峰岸錨碇基礎(chǔ)邊坡穩(wěn)定性研究①

葉智英，王 朦，梅松華，林孟源，肖擁軍

（1.浙江長征職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淅江 杭州 310023；2.湖南科技大學(xué)，湖南 湘潭 411201；3.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

目前邊坡穩(wěn)定性分析主要是基于平面應(yīng)變展開的二維分析，而實際工程中許多邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜、開挖寬度有限，二維分析得到的結(jié)果與實際情況存在較大出入。相比二維分析，三維分析可直觀判斷邊坡破壞性質(zhì)［1］，得到更準確、更符合實際的分析結(jié)果。目前邊坡穩(wěn)定的三維分析廣泛采用三維極限平衡法。三維有限元強度折減法與傳統(tǒng)三維極限平衡法中“條柱法”的思路完全不同，它能夠得出更符合實際情況的計算結(jié)果，并且可以得到坡體內(nèi)應(yīng)力、變形分布及滑動趨勢等信息，對復(fù)雜模型更具優(yōu)勢［2－7］。

本文建立某長江大橋高峰岸錨碇基礎(chǔ)邊坡的三維地質(zhì)概化模型，對其高峰岸錨碇基礎(chǔ)邊坡的實際施工過程進行了有限元分析，詳細分析了邊坡在錨碇施工、運行過程中的應(yīng)力變形規(guī)律，并根據(jù)需要針對錨碇基礎(chǔ)邊坡提出了處理措施，可為大橋兩岸邊坡的設(shè)計方案和工程施工提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

某長江大橋高峰岸錨碇區(qū)位于斜坡中部地帶，地面分布高程210～240 m，地表土層為塊石土，土層厚度0.9～3.2 m。下伏中風化基巖巖體較完整，為沙溪廟組砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖，錨碇區(qū)基坑開挖后，邊坡主要出現(xiàn)在西側(cè)、北側(cè)、東側(cè)及南側(cè)，邊坡高度12.0～44.1 m，主要為泥巖和砂巖組成的巖質(zhì)邊坡，上覆少量塊石土。在錨碇基坑開挖過程中，開挖最大坡度約73°（垂直于橋軸線方向），因開挖卸荷的影響，基坑上部的覆蓋層可能發(fā)生滑動破壞；因高峰岸錨碇基礎(chǔ)大部分位于中風化泥巖中（見圖1），其單軸飽和抗壓強度為5.65 MPa，強度較低，而受地形影響，高峰岸基坑開挖邊坡較陡，高度大，開挖范圍大，且單側(cè)臨空，這些因素都可能導(dǎo)致基坑邊坡整體滑動。開挖后在基坑?xùn)|側(cè)形成順層層面，可能沿巖層層面發(fā)生破壞。大橋修建后，在錨碇水平力作用下可能會引起上部泥巖的局部滑動破壞。

圖1 高峰岸錨碇基礎(chǔ)邊坡地質(zhì)剖面圖

2 三維有限元分析

2.1 錨碇基礎(chǔ)邊坡三維計算模型

三維計算模型依據(jù)大橋錨碇基礎(chǔ)邊坡的工程地質(zhì)圖及錨碇設(shè)計方案確定。場地巖層走向一致，基本平行，模型按照巖層的總體產(chǎn)狀，將巖層分界面簡化為平面。由于錨碇的上部結(jié)構(gòu)對基坑穩(wěn)定性沒有影響，模型中錨碇上部結(jié)構(gòu)完全簡化。

計算模型坐標系：平行橋軸線方向為x軸，以指向高峰岸方向為正；垂直橋軸線方向為y軸，以向北偏東向延伸為正；豎直方向為z軸，向上為正。邊坡地層分界面以相應(yīng)的地質(zhì)剖面圖為參照；以錨碇基坑底面中心為原點。

計算模型范圍：錨碇基礎(chǔ)建模，以錨碇基坑中心為原點，向4個方向各擴展250 m，即計算模型面積為500 m×500 m。模型底面從Z＝0.0 m起取至底面標高。在三維模型概化時，考慮到強風化線埋深較淺，將覆蓋層和強風化層合并考慮，覆蓋層厚度概化為5 m。高峰岸三維模型共劃分單元180 839個、節(jié)點64 789個。模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 高峰岸三維模型網(wǎng)格劃分

邊界約束條件：地表面自由，無任何約束；底面固定，剩余各面受法向位移約束。

三維計算結(jié)果中，以拉應(yīng)力為正、壓應(yīng)力為負；各圖表中未特別說明時，應(yīng)力單位均為Pa，位移單位均為m。

2.2 邊坡巖體力學(xué)參數(shù)取值

目前Hoek?Brown準則是在國際上得到廣泛應(yīng)用的巖體強度準則之一，利用GSI（地質(zhì)強度指標）法確定巖體的Hoek?Brown準則參數(shù)快捷、方便，但也有一些缺陷，如GSI的兩個參數(shù)指標不能定量、GSI值的確定存在一定主觀性等［8］。針對GSI方法存在的缺陷，文獻［9］提出了基于巖體體積節(jié)理數(shù)（J v）的巖體結(jié)構(gòu)評分（structure rating，SR）和基于粗糙度、風化和充填評分的結(jié)構(gòu)面表面特征評分（surface condition rating，SC R）兩項指標的改進GSI方法。

J v值根據(jù)節(jié)理統(tǒng)計結(jié)果按下式計算［10］：

式中J v為巖體體積節(jié)理數(shù)，條／m3；S l i（i＝1，2，…，n）為第i組節(jié)理每米長度上的條數(shù)；S0為每立方米巖體非成組節(jié)理條數(shù)。

結(jié)構(gòu)面表面特征評分SCR根據(jù)下式計算［9］：

式中Rr、Rw、Rf分別為結(jié)構(gòu)面粗糙度、風化度和充填度評分。其評分標準見表1。

表1 SCR評分標準

基于J v獲取巖體結(jié)構(gòu)評分SR［9］，分析巖體結(jié)構(gòu)面特征評分，得到SCR，再由SCR確定GSI值，從而確定巖體強度參數(shù)。如圖3所示。

圖3 改進GSI方法

圖3 （a）中B、VB、BD、D分別表示塊狀結(jié)構(gòu)、鑲嵌結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)／擾動／裂縫以及散體結(jié)構(gòu)；圖3（b）中數(shù)值10～80為相應(yīng)的GSI值。綜合考慮大橋詳勘階段試驗成果，通過工程類比及改進的GSI方法對該區(qū)域長江邊坡巖土體計算參數(shù)綜合分析，確定邊坡巖體力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 高峰岸邊坡穩(wěn)定分析計算參數(shù)取值

2.3 強度折減法原理

強度折減法的原理為：取一折減系數(shù)Fs，將邊坡巖土體的強度指標c、φ采用式（3）～（4）進行折減，得到一組新的抗剪強度指標c′、φ′，然后在荷載保持不變的條件下采用新的一組抗剪強度指標c′、φ′分析邊坡的穩(wěn)定性；依次類推，不斷增加Fs值，折減巖土體強度指標，分析邊坡穩(wěn)定性；直到某一折減強度指標下邊坡達到失穩(wěn)狀態(tài)，上一級強度指標所對應(yīng)的折減系數(shù)即為邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。

3 模擬結(jié)果及分析

分別對自然狀態(tài)、自然狀態(tài)＋地震、基坑開挖、運行期、運行期＋地震、運行期＋暴雨共6個工況下的自然狀態(tài)、基坑開挖、運行期進行應(yīng)力變形分析，對每種工況計算安全系數(shù)。

3.1 邊坡變形破壞形式

采用強度折減法，分析不同工況下大橋高峰岸錨碇基礎(chǔ)邊坡的穩(wěn)定性，并取地勘報告附平面圖中高峰岸垂直于橋軸線32－32地質(zhì)剖面圖，分析其破壞形式及潛在滑裂面剪應(yīng)變增量分布，計算結(jié)果見圖4～5。由于其坡度較大，泥巖范圍較大，邊坡破壞形式除表面覆蓋層發(fā)生破壞外，在泥巖內(nèi)部剪應(yīng)變增量也比較明顯。從圖4可見，基坑?xùn)|北側(cè)，靠近模型邊界處覆蓋層內(nèi)剪應(yīng)變增量較大，此處為危險潛在滑裂面。從圖5可見，除表層覆蓋層外，由于坡度較陡，自然狀態(tài)在邊坡內(nèi)部產(chǎn)生了近圓弧形式的滑動趨勢，潛在滑裂面位于錨碇下方。在開挖和運行工況下，這種滑動趨勢更加明顯，潛在滑裂面向上幾乎貫通到地表，與極限平衡分析結(jié)果比較吻合。

圖4 整體剪應(yīng)變分布圖

圖5 32－32剖面剪應(yīng)變分布圖

3.2 安全系數(shù)計算結(jié)果

對大橋高峰岸錨碇基礎(chǔ)邊坡分別進行了二維極限平衡分析、三維強度折減法穩(wěn)定性分析，兩種分析方法計算結(jié)果見表3。從表3可以看出，兩種方法分析的結(jié)果規(guī)律比較一致，三維強度折減法計算的安全系數(shù)明顯高于極限平衡分析法，主要原因是二維模型同地質(zhì)剖面非常接近；而三維模型考慮整體更為全面，具體計算剖面和二維模型并不完全一致；另外最主要的原因是三維條件下邊坡巖土體受三維空間約束作用，巖土體間相互影響而導(dǎo)致其計算結(jié)果比極限平衡分析結(jié)果大，符合一般規(guī)律。

3.3 有限元模擬結(jié)果分析

3.3.1 自然狀態(tài)下的穩(wěn)定性

高峰岸邊坡為緩傾逆向坡，層面穩(wěn)定性較好，但地形坡度較陡，容易沿覆蓋層內(nèi)部發(fā)生局部滑動。在錨碇基坑開挖過程中，受開挖卸荷的影響，基坑上部的覆蓋層可能發(fā)生滑動破壞；因高峰岸錨碇基礎(chǔ)大部分位于中風化泥巖中，基坑可能因巖體強度過低發(fā)生整體滑動。大橋修建后，在錨碇水平力作用下可能會引起上部泥巖的整體滑動破壞。

3.3.2 基坑開挖狀態(tài)下的穩(wěn)定性

由于高峰岸錨碇結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，開挖面積較大，應(yīng)力集中現(xiàn)象相對較輕，開挖后基坑的整體變形趨勢是向上向臨空面回彈變形，由于自然坡面較大，且僅單側(cè)開挖，基坑開挖后整體位移除向上回彈外，還向開挖卸荷方向變形，從基坑底板變形規(guī)律看，隨著開挖的進展，變形方向是向上向山體內(nèi)，最大綜合位移符合一般規(guī)律。基坑開挖后，垂直橋軸線32－32剖面潛在滑裂面位于基坑后部巖體中，從基坑坡腳處剪出，安全系數(shù)為2.37，滿足邊坡設(shè)計要求。

3.3.3 運行期狀態(tài)下的穩(wěn)定性

高峰岸基礎(chǔ)邊坡在運行期間會施加主纜拉力，由于高峰岸錨碇單側(cè)臨空，基坑?xùn)|西兩側(cè)的巖體受力較大，塑性區(qū)范圍會擴大，但影響深度主要在覆蓋層內(nèi)，對整體穩(wěn)定性影響較小。高峰岸錨碇基礎(chǔ)邊坡的計算剖面在運行期及運行期＋地震、暴雨的工況下，最低安全系數(shù)為2.03，滿足邊坡設(shè)計要求，且有一定安全裕度。

4 結(jié) 論

采用改進的GSI方法確定邊坡巖體力學(xué)參數(shù)，基于有限元強度折減法建立某長江大橋高峰岸錨碇基礎(chǔ)邊坡三維模型，模擬分析施工及運營過程中該大橋高峰岸錨碇基礎(chǔ)邊坡變形特征及穩(wěn)定性，得到主要結(jié)論如下：

1）采用改進的GSI方法確定邊坡巖體力學(xué)參數(shù)，考慮了開挖方法對巖體擾動的影響，其分析結(jié)果更符合工程實際。

2）三維有限元分析法可直觀顯示邊坡破壞形式和位置，便于定性判斷邊坡破壞特征。由于三維條件下邊坡巖土體受三維空間約束作用，巖土體間相互影響而導(dǎo)致其計算結(jié)果較極限平衡分析結(jié)果偏大，但符合一般規(guī)律。

3）該長江大橋高峰岸邊坡在基坑開挖、錨碇填筑、橋梁運行階段各工況條件下，基礎(chǔ)邊坡穩(wěn)定性均可滿足設(shè)計要求。