基于UDEC的橋基順層邊坡穩定性數值模擬分析

車鐵成 龔洪葦 簡波 鄧濤 王陳賓 顧義

【摘 要】?橋基邊坡穩定性直接關系到橋梁的施工與運營安全，山區橋梁基礎位于順層巖質邊坡之上時形成橋基順層邊坡，其穩定性受到橋基荷載的影響，是工程界關注的熱門問題。文章利用UDEC離散元軟件對山區橋基順層邊坡的穩定性進行模擬分析。通過對橋基荷載施加前后順層邊坡的坡體位移與應力時程曲線變化規律對邊坡穩定性進行評價，模擬計算結果表明：橋基荷載施加前后順層邊坡整體有沿著層理面發生滑動的趨勢，滑裂面近似為直線形且最危滑裂面位于坡腳處。天然狀態下的順層邊坡只受到重力作用，坡腳處應力集中，坡體內部應力隨深度增大而增加;當施加橋梁荷載后橋基下方局部范圍內巖體的應力顯著增大，邊坡各處位移均有增加，但仍滿足規范對于邊坡安全性的要求。

【關鍵詞】順層巖質邊坡; 橋基荷載; 數值模擬; 位移; 應力; 穩定性

隨著我國西部大開發以來，西部山區公路交通得到快速發展，在大規模的公路建設中，要穿越各種復雜地形地貌[1-2]，為保障線形要求，橋梁工程被大量使用，使得部分橋基不可避免地位于順層邊坡之上，由于橋基邊坡穩定性對施工以及運營安全的影響，一直以來是受到工程界的關注。部分學者對橋基邊坡穩定性進行了研究，羅彥彪[3]、趙亞飛[4]采用簡化Bishop法和Morgenstern price法，而張愛軍[5]、鄒啟賢[6]通過有限元強度折減數值法進行分析。劉佑榮[7]進一步將塊體極限平衡理論與非線性彈塑性有限元相結合分析橋基斜坡穩定性。ZHAN Zhi-feng[8]利用工程地質方法分析橋基荷載作用下峽谷區邊坡的穩定性。張雷[9]利用FLAC和ANSYS數值軟件分析橋基荷載的巖質邊坡穩定性。另有部分學者研究了順層邊坡的穩定性，高永濤[10]、閆佐菲[11]、楊博[12]對順層巖質邊坡變形破壞過程以及穩定性開展數值分析，而楊博[12]考慮了橋基荷載下的順層邊坡穩定性。

目前學者研究岸坡穩定性分析主要對橋基荷載或順層邊坡進行單因素分析，而對兩因素綜合比較分析橋基順層邊坡穩定性研究仍然較少。因此，本文結合實際工程，利用UDEC離散元數值模擬軟件對橋基荷載施加于順層巖質邊坡之上的穩定性進行計算分析，對比分析坡體位移與應力的變化規律以及邊坡穩定性系數，以此對橋基順層邊坡整體穩定性進行評價。

1 工程概況

某連續鋼構橋位于會東縣大崇境內金沙江左岸一級支流雀依河中下游的廟梁子附近，屬中高山地貌，地形起伏大，岸坡坡角25～ 55°，平均坡角40°。坡高826 m，兩岸基巖均出露，地層巖性為二疊系下統棲霞-茅口組灰巖。邊坡上部覆蓋層厚2～5 m，主要為粉土質礫，坡體基巖裸露，為中風化灰巖，巖層傾向N30°～50°W，傾角NE∠20°～30°，層理間距4～9 m（圖1）。根據現場地質測繪及鉆探、物探揭示，橋址區無大規模地質構造發育。

2 計算模型及參數

2.1 計算模型

根據調查橋址區兩岸邊坡巖性及巖體結構特性等實際工程地質條件，假定邊坡巖體應力-應變為理想彈塑性的本構關系，巖體破壞服從C-M準則[13]。本文主要模擬順層巖質邊坡施加橋基荷載作用對邊坡穩定性的影響。依據現場地質資料，對橋基邊坡進行簡化，其中橋基作用依據張雷[9]對橋基荷載作用后邊坡穩定性分析的數值模型簡化，將橋基等效于作用力施加于邊坡之上，進而開展數值運算。故建立二維邊坡計算模型（圖2），邊坡模型尺寸為坡頂寬度100 m，坡高200 m，坡寬320 m，邊坡底部至邊界寬度為75 m，邊坡底邊界至底面為80 m，邊坡坡向40°;同時為計算方便，選取層理傾角為25°，層理間距按6 m且等厚層計算。采用UDEC離散元數值分析軟件，因計算范圍大，網格劃分較密，需對模型左右兩側加X方向約束，底部加Y方向約束（圖3）。為進一步分析施加橋基荷載前后的邊坡變化規律，將設四處監測點進行時程分析，其中監測點1、2分別為邊坡坡頂、坡腳處，監測點2、3為橋基荷載施加的位置（圖2）。

2.2 計算參數

本次數值模擬參數是根據橋基邊坡的現場勘察資料以及類似工程的文獻查閱，綜合確定邊坡巖體物理力學參數（表1）。同時設定施加的橋基荷載為8×107 kN（監測點2處F1=8×107 kN，監測點3處F2=8×107 kN），橋基荷載方向為豎向，橋基荷載作用位置如圖2所示。

2.3 計算工況

本次邊坡模擬主要考慮兩種工況：

工況1：天然狀態下（僅受重力作用）;

工況2：橋基荷載+重力作用。

3 模擬結果與分析

3.1 最大不平衡力的收斂性

不管是天然狀態下的邊坡還是施加橋基荷載下的邊坡，進行離散元運算過程中都有一個內力消散的過程，就是不平衡力的傳遞與分配過程[9]。當外荷載作用于邊坡后，模型整體形成一個穩定的力場，此時邊坡處于穩定狀態。若邊坡的最大不平衡力時程曲線不斷波動當處于低谷時由于微小的擾動使得不平衡力隨時間增加而增大，塊體的速度及位移均產生明顯的變化。從圖4中可以看出隨著時步的增加最大平衡力由最大值逐步降低，最終趨近于零由此判斷邊坡處于穩定狀態中。

3.2 位移變化

針對兩種邊坡模型開展離散元數值模擬，為此設置四處監測點進行數據時程監測。由圖5邊坡位移變化時程曲線所示，各監測點的位移變化趨勢基本一致，首先各監測點位移變化由增大而趨于初次平穩，后隨著時步增大而呈近線性增長，反觀坡腳位移變化增大而趨于穩定，未出現大幅度增大的趨勢，原因在于邊坡坡腳處發生變形后受到下部巖體的阻擋。對天然狀態下的邊坡只因受重力作用，由監測點2、3可知坡腰中部沿水平方向的位移變化最大，其位移分別達到4 mm、8 mm，坡腳處位移為7 mm，而坡頂初始階段變化較小，主要沿豎直方向位移變化最大可達到52 mm;當施加橋基荷載于邊坡之上，由監測點2、3可知施加作用力F1、F2位置的位移變化最大，其位移分別達到11 mm、9 mm，坡腳處位移為8 mm，沿豎直方向坡腰處位移最大可達到65 mm。區別于天然邊坡當施加橋基荷載后，位移變化經過初次平穩階段后隨著時步增大位移有再次趨于平穩的趨勢，究其原因在于施加橋基荷載后，坡體應力重新分布，使得位移發生不同的變化規律。從圖5位移云圖所示不管是天然狀態下的邊坡還是施加橋梁荷載下的邊坡，邊坡整體主要沿著層理面發生滑動，滑裂面近似為直線形且最危滑裂面位于坡腳處。

3.3 應力變化

開展兩種工況下邊坡模型的離散元數值運算，對其應力分布進行分析，由圖6邊坡應力變化時程曲線可對各監測點的應力變化趨勢開展分析，從初始階段應力波動至應力的平衡。天然狀況下的邊坡受沿水平與豎直方向的應力變化趨勢，各監測點受力在初始階段的增大逐步趨于平衡后除坡腳位置均出現應力遞減的趨勢變化，而坡腳處的應力增加明顯。當施加橋基荷載作用的邊坡應力變化時程曲線，其各監測點應力變化范圍均大于自然邊坡的受力情況，位于坡腰和坡腳處的應力變化較為明顯，而坡頂的應力變化基本趨于穩定。從圖7所示天然狀態下的邊坡應力分布應力變化主要集中于坡頂附近，當施加橋梁荷載的邊坡應力分布云圖，最大主應力位于施加橋基荷載處。究其原因在于對于自然條件下坡體只考慮體力的影響，坡腳處出現應力集中現象，坡體內部應力隨深度增加而增加;當施加荷載后主要影響橋基荷載作用點下方一定范圍內巖體的應力狀態，對巖體應力狀態影響深度較大;坡體內部的應力分布受層面影響較顯著。

3.4 穩定性分析

由表2可知利用數值運算得到的天然邊坡下穩定性系數FOS=1.61，而施加橋基荷載下后邊坡穩定性系數FOS=1.53，均滿足JTG D30-2015《公路路基設計規范》中要求的最小界限，此時邊坡處于穩定狀態。

將各監測點的位移與應力曲線進行分析，對邊坡整體而言應力隨著位移的增大而趨于穩定，產生位移變化較小而坡體受到的應力變化較大，邊坡均趨于穩定狀態。天然狀態下邊坡的坡腳處沿水平方向的應力最大，隨著應力增大位移出現遞增趨勢，坡頂和坡腰處的豎向位移變化較大，因坡腳處出現應力集中現象，坡頂處受力主要受到順層邊坡巖體層面的影響較大;當施加橋梁荷載后位移增大趨勢顯著，而坡頂處的位移-應力變化較小，主要發生變化的位于坡腰處，與天然邊坡相比各監測點的位移-應力變化顯著，坡腳的變化最終趨于平穩的趨勢，究其原因荷載作用下對坡體內部一定范圍的應力狀態產生影響，使得坡體內部應力重分布后使得位移-應力變化較大。

4 結論

采用UDEC離散元軟件對實際工程的橋基順層邊坡穩定性進行數值分析，建立兩種工況下數值模型，對比分析坡體的位移與應力的變化規律以及邊坡穩定性系數。

（1）橋基荷載施加前后順層邊坡整體有沿著層理面發生滑動的趨勢，滑裂面近似為直線形且最危滑裂面位于坡腳處。

（2）在天然狀態下邊坡主要受到層理面的顯著影響，當施加橋基荷載后邊坡坡腰、坡頂與坡腳位移均有增加，邊坡的最大的主應力位于橋基下部，橋基荷載的作用使得坡體內部的應力顯著增大。

（3）通過數值運算得到了兩種工況下的邊坡穩定性系數，其中天然狀態的邊坡穩定性系數為1.61，施加橋基荷載于邊坡之上后邊坡的定性系數降低為1.53，該橋基邊坡穩定性滿足規范對于邊坡安全性要求。

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