高地震區橋基邊坡穩定性數值模擬分析

袁夢雄 鄧濤 謝榮凱 龔洪葦 郝作銳

[摘? 要]：高地震區橋基邊坡穩定性受到橋基荷載及地震作用的共同影響，其穩定性關系到施工以及運營安全是工程界關注的熱門課題。文章以高地震區某橋基邊坡實際工程為例，利用MIDAS GTS有限元軟件對其穩定性進行模擬分析。通過對橋基荷載、橋基荷載+地震作用下2種工況下橋位的位移、應力和塑性區變化規律以及邊坡穩定性系數分析，結果表明橋基荷載施加后邊坡塑性區主要集中在邊坡坡腳處，沿坡面向坡頂發展，主要匯于坡體表面;而增施動荷載后應力分布由內部逐漸衍生于整個坡體，其受到地震作用下的動荷載影響較大。由此得到不同工況下邊坡變化規律，對該類工程的橋基邊坡穩定性評價具有借鑒意義。

[關鍵詞]：高地震區; 橋基邊坡; 位移; 應力; 穩定性; 數值模擬

U443.1A

自我國西部大開發與“一帶一路”的政策實施以來，西部山區公路交通得到快速發展，在大規模的工程建設中，要穿越各種復雜地形地貌[1-2]，為保證線形指標，橋梁工程的大量采用使得橋基位于邊坡之上，不可避免地有眾多橋基邊坡工程，我國西部山區處于高地震區，建設過程中以及后期運營需要重視地震作用對橋基邊坡穩定性的影響，橋基邊坡穩定性的問題一直以來受到國內外學者的關注。羅彥彪等[3]、趙亞飛等[4]采用簡化Bishop法和Morgenstern price法，而張愛軍等[5]、李曉凡等[6]通過有限元強度折減數值法進行分析。王春雷等[7]、周火明等[8]進一步結合極限平衡分析方法對橋梁荷載作用下邊坡巖體力學行為特征、規律及邊坡破壞模式研究。劉佑榮等[9]將塊體極限平衡理論與非線性彈塑性有限元相結合，分析橋位區斜坡穩定性，并預測建成后的發展趨勢。李永軍等[10]認為危險滑裂面止于橋樁基位置。進而部分學者考慮了地震作用下橋基邊坡的影響，尹小濤等[11]、張友鋒等[12]、呂大偉等[13]均開展了地震作用下的邊坡有限元數值模擬對邊坡穩定性分析。程強等[14]考慮了地震的影響，根據建立的邊坡地質結構模型對橋位穩定性分析。Michalowski R L[15]采用靜力法繪制出三維邊坡穩定性曲線。陳蜀俊等[16]采用傳遞系數法對邊坡在地震荷載作用下的穩定性進行計算分析。張八二[17]采用強度折減數值法和極限平衡法，對不同工況下的橋梁荷載、天然狀態、暴雨狀態、地震作用及共同作用時橋基邊坡穩定性分析。郭長寶[18]通過圖解法和彈塑性有限元數值模擬法對庫岸高邊坡在自重應力場作用、地震作用影響和蓄水后的橋位兩側應力變化及穩定性評價。

以上學者主要對橋基邊坡整體穩定性分析，對地震與橋基荷載共同作用和只施加橋基荷載作用下的橋位處位移與應力變化規律分析研究較少。因此，本文結合實際工程，利用有限元數值模擬軟件對地震與橋基荷載和僅施加橋基荷載兩種工況作用下的位移與應力變化規律及橋基邊坡穩定性系數，對橋基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，左岸高程826 m、右岸高程876 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。右岸岸坡上部覆蓋層厚15～20 m，主要為粉土質礫，右岸岸坡下部及左岸基巖裸露，為中風化灰巖，巖體內多發育破碎帶，沿構造發育溶蝕現象（圖1）。依照我國地震烈度劃分規則，高地震烈度區是按抗震設防烈度（即動峰值加速度）的區域統稱，橋址區區域屬抗震不利地段，場地類別為Ⅱ類（左岸及右岸岸坡下部為Ⅰ類），場地地震動峰值加速度αmax=0.20g，特征周期TS為0.45 s（圖2）。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 計算模型的構建

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[19]。根據地質資料，主要模擬中風化灰巖層、橋基荷載受到地震力作用對邊坡穩定性影響。故將對橋基邊坡進行簡化，建立數值模型（圖3），模型尺寸為180 m×50 m×155 m，兩橋基間距80 m，樁間距2.2 m，樁直徑2.2 m，其樁長、上部承臺寬度及部分橋墩尺寸依據工程設計圖選取。采用MIDAS GTS有限元分析軟件進行三維數值模擬，對模型施加自由場邊界，同時輸入地震波水平加速度和垂直加速度的時程曲線進行地震動力分析，設2處監測點進行時程分析（圖4）。

2.2 計算參數

本次數值模擬參數是根據橋基邊坡的勘察資料結合工程類比，綜合給出邊坡巖體以及C25混凝土的物理力學參數（表1）。其樁基和橋墩的計算參數，對每個樁基施加樁端承載力為4 000 kN，界面和樁-樁最終剪力為200 kN/m2，橋墩頂部施加均布荷載200 kN/m2。對模型施加自由場邊界以及地震波輸入（圖4）。橋址區位于小江斷裂帶，故采用歷史上小江斷裂帶的強震記錄（地震動峰值加速度a=0.2g）進行詳細解譯，并截取其中1段作為動力荷載，所施加的加速度幅值為0.2g，地震持續作用時間10 s。為保證地震數據準確性，利用SeismoSignal軟件進行濾波處理及機械校正，得到地震加速度時程曲線見圖5，選用水平加速度和垂直加速度相同的動荷載。

2.3 計算工況

本次邊坡模擬主要考慮2種工況。

工況1：橋基荷載作用下的邊坡穩定性分析。

工況2：地震作用與橋基荷載共同作用下的邊坡穩定性分析。

3 模擬結果與分析

3.1 應力及位移分析

由表2可知，針對2種工況下不同位置的位移及應力變化趨勢進行對比分析。當施加動荷載后，在橋基周圍區域明顯出現應力集中，對X軸向、Z軸向的最大主應力達到1.329×104 kPa、4.168×104 kPa，明顯比只施加橋基荷載下的應力值要高。由圖6可知，在地震狀態下坡體受力從坡體表面逐漸向坡體內部呈現遞增的特征;而只施加橋基荷載時，因應力分布形式多數分布在坡體表面，其邊坡模型最大應力的變化主要位于坡腳處。

隨著地震作用下的動荷載施加后最大水平和豎向位移分別由+4.621 cm和+1.202 cm增加至+14.71 cm和+15.61 cm，此時最大位移位于近坡腳處。當只施加橋基荷載后監測點的位移變化較小均小于2 cm，但隨著增施動荷載后，對監測點的位移變化影響較大，最大位移達到13.26 cm。從監測點1的變形位移大小及受到的應力變化相對于監測點2較小，原因在于橋基處出現應力集中且邊坡坡腳處位于臨空面在荷載的施加后，力的釋放使得坡腳附近出現潛在的滑動面，使得該處受到的應力較大，需要釋放的能量越多。

3.2 穩定性系數分析

從總體來看，邊坡坡腳首先會發生塑性變形這與位移及應力云圖中反映結果類似;從塑性區變化趨勢來看，邊坡塑性區會隨著地震作用的施加，起于坡腳經坡體內部向坡頂逐步發展為潛在的破裂面。由圖8（a）可知當橋基荷載施加后邊坡塑性區主要集中在邊坡坡腳處，沿坡面向坡頂，位于監測點1與監測點2之間形成潛在破裂面;圖8（b）可知隨著增施地震作用塑性區主要集中于坡角處，但應力分布由內部逐漸衍生于整個坡體，其受到地震作用下的動荷載影響較大。

根據數值模擬得到不同工況下邊坡穩定性系數見表3。對于工況1邊坡穩定性系數滿足規范規定的安全穩定性系數;當增施地震作用時，針對工況2數值模擬的穩定性系數小于1，此時的邊坡已發生破壞。因地震作用的復雜性，表明橋基邊坡存在潛在的安全風險，應予以重視。

4 結論

對于高地震區某橋基邊坡采用MIDAS GTS有限元軟件對其穩定性進行數值模擬分析，建立了2種工況下的數值模型，對比分析橋位的位移、應力和塑性區變化規律以及邊坡穩定性系數。

（1）在公路建設工程中，橋基荷載與地震作用對橋基邊坡穩定性具有較大的影響，其中地震作用對橋基邊坡穩定性的負面影響尤為顯著。

（2）當施加地震動峰值加速度αmax=0.20g，特征周期TS=0.45 s，橋基邊坡坡腳處應力集中，塑性區變化也主要分布于坡腳處，此時橋基邊坡已發生破壞，對工程安全存在潛在的風險，故予以重視。

（3）通過數值方法對2種不同工況下橋基邊坡穩定性分析，發現橋基邊坡坡腳應力與位移變化明顯，究其原因在于橋位處出現應力集中且坡腳處于臨空面，隨著施加荷載的增大需要釋放的能量越大，使得坡體內部應力呈現出遞增的特征。從塑性區來看，橋基邊坡塑性區主要集中于坡腳處，而增施地震作用后坡體應力的分布由內部逐漸衍生于整個坡體，其受到地震作用下的動荷載影響較大。

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