基于有限元的順層坡橋梁群樁穩定性分析

梁成立， 肖海東， 段永鳳， 王文杰， 趙春龍

（云南省建設投資控股集團有限公司市政總承包部，昆明 650500）

0 引言

公路工程中，順層邊坡上的橋梁樁基極為常見，由于不穩定順層坡的推移、剪切等效應會對樁基造成不可估量的損傷，因此研究樁基施工、運營過程中順層坡體的穩定性有深遠意義。高榮雄等研究認為采用安全系數和可靠度作為邊坡穩定性的評價指標，判定結果更為準確和全面[1]；步紅軍等[2]研究了順層邊坡穩定性影響因素，并根據研究結果提出來抗滑樁加固方案。文中以某工程實例為研究對象，依托順層邊坡的治理的經驗，借鑒前人相關研究成果，建立了二維、三維模型模擬原始地層的應力狀態，對順層邊坡的穩定性進行計算分析[3]，根據分析結果，提出了采用嵌巖抗滑樁的加固方案的建議[4，5]。

1 工程概況

云南某特大橋為單塔雙索面現澆矮塔斜拉橋，橋9#主墩地基處于順層邊坡上，樁基采用25×2.2×65m鉆孔樁基礎，如圖1所示，墩底下設正方形承臺加群樁基礎，承臺縱橫向平面尺寸25.6m×25.6m，高為6m。主墩（9#、10#）采用鋼筋混凝土變截面薄壁空心墩，墩柱高為92、91m，橋墩橫橋向寬14.224m，縱橋向墩頂寬9m，沿高度方向向下按80：1的傾率擴大橋墩截面。塔高44m，全橋共143個節段。

圖1 樁基設計圖（單位：mm）

樁基施工采用“筑島平臺圍堰+放坡開挖”形式，圍堰幾何尺寸184.6m×104.2m×22m，外坡以1：2的筑島坡比，外坡水位線以下使用噸袋自然堆碼，水位線以上使用土工布加砂帶碼砌防止河水沖刷，圍堰頂四周使用鋼管腳手架加安全防護網做臨邊防護。地層斷面如圖2所示。

圖2 墩底部邊坡潛在滑動面

圖中①為粉質粘土、②為卵石、④為碎石、⑥為強風化板巖、⑦為中風化板巖。此外，中風化板巖間存在順層夾層，現場施工反饋可能為中風化砂巖。根據地質鉆探等手段，分析地層信息，結合云南地區地質方面的相關研究文獻[6，7]，綜合考慮已有地勘信息確定了地層的計算參數見表1。

表1 地層計算參數選取

2 邊坡地基穩定性分析

2.1 分析方法簡介

在數值模擬中，利用Midas GTS NX軟件對9#墩承臺底部邊坡進行二維數值模擬。考慮最危險受力情況，計算分析最危險受力情況下邊坡穩定性。邊坡穩定性計算采用強度折減法計算安全系數Fs。

在數值模擬過程中通過自重應力模擬原始地層的應力狀態，上部圍堰荷載采用均布荷載，樁頂荷載采用集中荷載，荷載數值根據橋梁主體的分析結果進行選取。

2.2 二維穩定性分析

選取9#墩承臺以下地層作為模擬對象，用數值模擬方法計算地層邊坡穩定性的安全系數。為消除模型邊界效應對計算結果的影響，選取模型總長度為387m（x向）、高度為129m（y向），邊界條件設置為：底部施加固定約束，側面施加法向固定約束，而切向方向不約束，模型的上表面為自由邊界、無約束，巖土體采用Mohr-Coulumb本構模型，摩擦樁等結構體系采用彈性本構模型，巖土體計算參數結合工程勘探資料和相關經驗取值，以偏安全為原則進行選取，模型如圖3所示。

圖3 二維模型圖

模擬4個工況：工況1為初始場地平衡（計算場地初始應力場，并將其產生的位移消除，以保證后續計算結果精確）；工況2中激活上部圍堰荷載；工況3中激活樁頂荷載；工況4中祛除粉質粘土層，荷載直接施加于卵石層。

根據以上工況，建立二維計算模型，各工況分析結果見圖4～圖7，限于篇幅，僅展示部分計算圖示。

圖4 工況1位移云

圖5 工況2總位移云圖

圖6 工況3總位移圖

圖7 工況4總位移圖

工況1為初始應力平衡階段，由強度折減法獲得的安全系數Fs=1.25。結果表明潛在滑動面可能出現在粉質粘土層的臨空面。

工況2為圍堰施工完成，在頂部施加圍堰均布荷載，由強度折減法獲得的安全系數Fs=1.19。結果表明潛在滑動面可能出現在粉質粘土層的臨空面。

工況3已施工完成所有樁基礎，主墩承臺、橋墩，此時施加樁頂最危險受力，由強度折減法獲得的安全系數Fs=1.15，結果表明潛在滑動面可能出現在粉質粘土層的臨空面。

工況4為祛除上部粉質粘土層，將上部荷載直接施加于卵石層，由強度折減法獲得的最小安全系數Fs=1.43。結果表明潛在滑動面可能出現在兩個位置，第一個位置是9#墩上部傾斜面卵石層與強風化板巖的交界處，第二個位置是在9#墩下部傾斜面卵石層與強風化板巖交界處。

二維模型安全系數見表2。

表2 二維分析安全系數

2.3 三維穩定性分析

由于二維模型計算只能考慮平面應力、應變狀態，然而實際工程是一種三維受力狀態，圍堰體在施工過程中的位移、承臺和摩擦樁受力狀態、粉質黏土層邊坡的位移等都是影響邊坡穩定的重要因素。

為了更符合工程的實際情況，通過Midas GTS NX有限元軟件，建立了三維模型進行計算分析，總長度為377m（x向）、寬度為266m（y向）、高度為129m（z向），邊界條件設置為底部施加完全固定約束，側面施加法向固定約束，而切向方向不約束，模型的上表面為自由邊界、無約束。巖土體采用Mohr-Coulumb本構模型，摩擦樁等結構體系采用彈性本構模型。巖土體計算參數結合工程勘探資料和相關經驗取值，以偏安全為原則進行選取。施工模擬6個工況，工況具體描述見表3。

表3 工況簡述

根據圖8～圖10工況，建立三維計算模型，限于篇幅，僅展示工況4和工況6部分計算結果，計算結果如下：

圖8 工況4模型整體位移圖（x向）

圖9 工況4模型整體應力圖（x向）

圖10 工況6模型整體位移圖（x向）

分析知工況4的x向最大位移為46.7mm，y向最大位移為-14.5mm，z向最大位移為-159.1mm；粉質黏土層邊坡的x向最大位移為29.9mm，y向最大位移為-3.5mm，z向最大位移為-6.2mm。

分析知工況6施加運營期最不利荷載計算結束后，承臺四周土體有向內部位移的趨勢，最大x向位移量約20.8mm，最大y向位移量約18.5mm，最大z向位移量約48.9mm；粉質黏土層邊坡的x向最大位移為0.28mm，y向最大位移為-0.04mm，z向最大位移為0.05mm。各工況位移如表4和圖11所示。

表4 結果統計 mm

圖11 工況6模型整體應力圖（x向）

此外，提取施加運營期最不利荷載計算結束后，群樁的軸向應力云圖、最大剪應力云見圖12、圖13，最大剪應力結果見表5。

圖12 工況6群樁軸向應力云圖

圖13 工況6群樁最大剪應力云圖

表5 運營階段群樁最大剪應力結果統計kPa

由強度折減法計算的各工況下安全系數見表6。

表6 三維狀態各工況安全系數

3 結果分析與加固建議

根據二維和三位模型計算結果可知，橋圍堰下部的粉質黏土層存在滑動的可能性。建議在粉質粘土邊坡的臨空面增加抗滑樁，以防止潛在的滑動對圍堰、承臺、群樁造成影響。根據現有勘察資料，抗滑樁嵌固端建議打入中風化板巖層，嵌固端長度建議為懸臂端長度的2倍，抗滑樁間距建議取2m，抗滑樁詳細設計應參照相關設計規范及現場勘察資料進行。此外，根據現有勘察資料和現場施工反饋信息，承臺底部的粉質黏土層和卵石層之間存在不穩定層，該層詳細信息尚不明確，建議進行詳細勘探，并根據勘探結果再次進行分析。

4 結語

順層坡的推移、剪切效應對樁基的影響不容忽視，矮塔斜拉橋屬于超靜定結構，在施工過程中，結構的幾何特性、材料特性、所受荷載以及支承條件等均不斷變化，結構體系也不斷轉換，受到樁基和土體運動相互作用的影響，土體位移會受到樁基的約束，而樁基也通過彎曲剛度來抵抗土體的波動作用。當順層邊坡發生沿層面的失穩，樁基發生的水平運動、偏移和彎曲最后會影響和改變橋梁結構體系的變形和內力，為確保施工和運營安全。

在設計和施工順層坡體上的橋梁時，要對各時期、各工況下的邊坡穩定性進行細致驗算分析，以避免因坡體失穩造成較大危害與損失。