高速鐵路橋梁橋基邊坡穩定性及穩定坡角研究
——以西成高鐵養家河大橋為例

巨小強

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

高陡巖質邊坡在基巖山區普遍存在，基巖邊坡是在內外地質應力共同作用下形成和發展的，基巖的自然邊坡是邊坡自身適應自然環境和地質環境的結果。西成高鐵穿越秦嶺山區和大巴山區，由于高速鐵路建設標準高，西成高鐵在秦嶺山區和大巴山區不可避免地在隧道洞口和橋梁橋臺處遇到高陡巖質邊坡問題，目前對高陡巖質邊坡失穩破壞的內部機制或過程還缺乏更深入的認識，《建筑邊坡工程技術規范》(GB50330—2013)[1]僅適用于邊坡高度在30 m以下(含30 m)的巖質邊坡，對于高度大于30 m的高陡巖質邊坡穩定性和穩定坡角的確定，目前相應的規范及手冊沒有明確的規定。《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》(TB 10093—2017)[2]指出墩臺應避開不良地質，陡峭山坡上修建墩臺時應注意基礎下巖體的穩定。《鐵路工程地質勘察規范》(TB10012—2007)[3]指出，基巖地區陡立岸坡地段應根據地層巖性、結構面特征、水文地質特征及水文條件等進行工程地質條件的綜合分析，做出岸坡穩定性評價，為工程基礎設置提供依據。令人遺憾的是，這些規范并未對橋基荷載作用下邊坡整體穩定性的分析方法給出建議，給工程技術人員帶來較大的難題。蔣爵光、謝強等根據對大量道路邊坡的統計和理論分析，建立了邊坡巖體質量指標與鐵路巖石邊坡坡度的定量關系式，提出了鐵路巖石邊坡穩定性評價方法[4-6]。此方法基于自然穩定高邊坡的統計分析獲得，不宜直接應用于承受重大荷載的高陡邊坡的穩定坡角確定，其最大的不足是沒有考慮到荷載大小的因素。從國內外的研究現狀中可以看出，高陡邊坡穩定坡角的確定始終沒有合適的方法，現有的規范和手冊對高陡邊坡穩定坡角的確定基本上未涉及到，采用基于統計手段的穩定坡角經驗公式法確定穩定坡角又存在不足，不能使穩定坡角設計做到安全可靠與經濟合理的兩者統一[7-12]。本研究考慮了橋基邊坡的實際荷載和不同工況下的動荷載作用，選取的巖體力學參數為現場實際測試所得，通過數值模擬計算和邊坡體地質特征綜合分析所確定的穩定坡腳對設計和施工更有針對性，其合理性也得到了工程的驗證。

1 研究概況

1.1 研究方法和思路

通過對西成高鐵陜西段所穿越的秦嶺山區和大巴山區的區域地質情況進行總結，分析養家河大橋成都側橋基邊坡等4個工點的地質條件，將這4個邊坡分類為結構面控制型邊坡和巖體強度控制型邊坡[13]。對于巖體強度控制型邊坡，通過輸入邊坡巖體的力學參數、邊坡的幾何參數以及各種工況下的外在影響因素參數，借助FLAC3D軟件，搜索出可能的潛在破裂面位置，并采用強折減理論，通過軟件反復分析，借助類似極限平衡法的分析計算方法，計算出邊坡的穩定系數和穩定坡角[14-20]。在數值模擬分析確定穩定坡角的基礎上，結合現場實測的自然邊坡高度、坡度、巖體產狀、節理裂隙發育程度、風化情況，綜合確定橋基邊坡的穩定坡角。

1.2 研究的現實意義

確定高陡巖質邊坡的穩定坡角涉及橋梁墩臺安全，是一項復雜的巖體工程問題，本文結合實際研究有現實意義。沒有明顯的順坡面的潛在滑移軟弱結構面的高陡巖質邊坡，按巖體強度控制，采用強度折減法計算高陡巖質邊坡的穩定安全系數是有益嘗試。本研究考慮了橋基邊坡的實際荷載和不同工況下的動荷載作用，選取的巖體力學參數為現場實際測試所得，彌補了以往研究中未考慮實際荷載作用及巖體參數依靠經驗數據的不足。

1.3 養家河大橋成都側橋基邊坡地質特征

西成高鐵養家河大橋成都側橋基邊坡位于養家河溝內，地貌上屬大巴山低山區，邊坡高陡，邊坡總高度約320 m，單級邊坡高度約180 m，隧道進口處自然邊坡為60°，邊坡巖性為灰巖，隱晶質結構，厚層狀構造，巖層產狀N35°E/29°N，巖層反傾，巖質硬，性脆，節理較發育，主要結構面信息如下：節理組1，N85°E∠80°S，間距0.3～0.5 m，延伸大于10 m；節理組2，N8°E∠22°N、間距0.5 m，延伸大于10 m。邊坡處地表水和地下水均不發育，結合地貌、巖性、構造及邊坡的自然狀態綜合分析，邊坡在自然狀態下是穩定的。

2 分析模型的建立

2.1 邊坡類型的確立

經分析判定養家河大橋成都側橋基邊坡沒有明顯的順坡面的潛在滑移軟弱結構面，符合巖體強度控制型邊坡基本條件。

2.2 邊坡數值分析方法的選擇

對于巖體強度控制型巖質邊坡，由于不存在明顯的順坡面的潛在滑移軟弱結構面，需要通過一定的搜索方法得到邊坡的破壞面或滑動面。FLAC3D是二維有限差分程序FLAC2D的擴展，能夠進行土質、巖石和其他材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析。FLAC3D采用的顯式拉格朗日算法和混合-離散分區技術，能夠非常準確地模擬材料的塑性破壞和流動。養家河大橋成都側橋基邊坡穩定性研究契合該數值分析系統。

2.3 分析剖面選取

根據分析要求，結合養家河大橋成都側橋基邊坡地形地貌特征，選取坡度最大地質剖面邊坡進行分析，養家河大橋成都側橋基邊坡分析剖面位置以及與線路的關系如圖1所示。

2.4 分析參數與荷載參數

根據現場測試取得的地質資料及橋梁專業檢算，養家河大橋成都側橋基邊坡的綜合物理與力學參數及橋墩荷載取值如表1所示。

表1 養家河大橋成都側橋基邊坡巖體力學參數與橋墩荷載

圖1 養家河大橋成都側橋基邊坡分析斷面位置

3 養家河大橋成都側橋基邊坡穩定性數值分析

在建立分析模型及確定了分析參數與荷載參數后，通過輸入邊坡巖體的力學參數、邊坡的幾何參數以及各種工況下的外在影響因素參數，借助FLAC3D軟件，搜索出可能的潛在破裂面位置，并采用強度折減理論，通過軟件反復分析，借助類似極限平衡法的分析計算方法，計算出養家河大橋成都側橋臺在自然、列車運行及各種偶然工況下邊坡的穩定系數和穩定坡角。下文以最不利的自重+水平地震+豎向地震+降雨偶然工況(方案6)為例進行分析。

3.1 邊坡穩定性分析

圖2 養家河大橋成都側橋基邊坡水平地震偶然工況下最大主應力云圖

圖2、圖3給出了養家河大橋成都側橋基邊坡自重+水平地震+豎向地震+降雨偶然工況下的最大主應力、最小主應力云圖。從圖2、圖3可以看出，養家河大橋成都側橋基邊坡受水平地震力、豎向地震力與降雨偶然工況時，分析區域內，邊坡第一主應力最大值為0.69 kPa，最小值為-3.26 MPa；第三主應力最大值為-0.15 MPa，最小值為-6.28 MPa。結果表明，最大拉應力為0.69 MPa，最大壓應力為6.28 MPa，邊坡體中沒有超過1.0 MPa的拉應力產生，也無過大壓應力產生，從最大、最小拉(壓)應力來看，對于當前水平地震力、豎向地震力與降雨偶然組合工況下邊坡基本穩定。其他工況下邊坡也都處于穩定狀態。

圖3 養家河大橋成都側橋基邊坡水平地震偶然工況下最小主應力云圖

3.2 邊坡穩定系數

圖4、圖5給出了養家河大橋成都側橋基邊坡受水平地震力、豎向地震力與降雨偶然組合工況的剪切應變增量圖、位移矢量圖。

圖4 養家河大橋成都側橋基邊坡水平地震偶然工況下剪切應變云圖

圖5 養家河大橋成都側橋基邊坡水平地震偶然工況下位移云圖

從圖4、圖5可以看出，當前水平地震力、豎向地震力與降雨偶然組合工況下，邊坡穩定系數為4.23。其他各種工況下的邊坡穩定系數如表2所示，從表2可以看出，各工況穩定系數中，方案6即水平地震力、豎向地震力與降雨偶然組合工況下，邊坡穩定系數最小，為4.23，最大穩定系數為自然工況下的8.02。

表2 養家河大橋成都側橋基邊坡各工況下穩定系數

3.3 各工況下邊坡穩定坡角

數值模擬分析確定穩定坡角的具體方法為，通過數值分析模型，搜索出可能的潛在破裂面位置，并采用強度折減理論，對現場實測的力學參數進行折減，通過軟件反復分析，借助類似極限平衡法的分析計算方法，在給定一定的安全系數后，通過駐點求導計算出養家河大橋成都側橋臺在自然、運行及各種偶然工況下邊坡的穩定坡角。

養家河大橋成都側橋基邊坡各種工況下的穩定坡角如表3所示，從表3可以看出，各工況下對于養家河大橋成都側橋基邊坡，從方案1到方案6，邊坡所需要的穩定坡角逐漸減小。具體來看，方案6即水平地震力、豎向地震力與降雨偶然組合工況下，邊坡所要求的穩定坡角為56.3°，自然工況下穩定坡角為64.0°。

表3 養家河大橋成都側橋基邊坡各工況下穩定坡角

3.4 各工況下邊坡穩定坡角與自然坡角折減系數

養家河大橋成都側橋基邊坡自然坡度為60°，以自然邊坡為基準，根據不同工況下穩定坡角與自然坡角的關系，推算不同工況下穩定坡角與自然坡角的折減關系，見表4，不同工況下折減系數隨工況的變化趨勢見圖6。根據不同工況下穩定坡角與自然坡角的折減關系分析，高陡巖質邊坡的穩定坡角不是一個定值，從自然條件工況到運行+降雨+豎向+水平地震偶然工況，穩定坡角逐漸遞減，與自然坡度相比，6種工況下折減系數變化范圍為1.0～0.938不等，折減系數隨工況的變化基本符合四次多項式的變化特征。

表4 養家河大橋成都側橋基邊坡各工況穩定坡角與自然坡角折減系數

圖6 養家河大橋成都側橋基邊坡折減系數隨工況的變化曲線

4 橋基邊坡穩定坡角確定及驗證

4.1 養家河大橋成都側橋基邊坡穩定坡角確定

分析以上數值模擬分析確定的各種工況下穩定坡角數值，方案6即水平地震力、豎向地震力與降雨偶然組合工況下，邊坡所要求的穩定坡角為56.3°，自然工況下穩定坡角為64.0°。現場實測自然邊坡總高度約320 m，單級邊坡高度約180 m，橋基處自然邊坡為60°。巖體為厚層狀灰巖，巖層相對于坡面反傾，節理較發育。綜合確定養家河大橋成都側橋基邊坡的穩定坡角為57°，據此對該橋邊坡進行設計、施工。

4.2 養家河大橋成都側橋基邊坡穩定坡角驗證

養家河大橋成都側橋基邊坡由于房家灣隧道進口施工時對邊坡的刷坡影響，在橋臺基礎下方形成坡度近80°的高陡邊坡，橋臺右側邊坡受刷坡影響，發生了掉塊現象，經設計專業現場核查，根據現場變化后的實際情況，延長了橋臺進洞的長度，在養家河大橋成都臺下方邊坡設擋墻和護墻，以保證橋臺下邊坡穩定，在右側掉塊處設錨桿框架梁加固邊坡。對隧道頂部邊坡上松動巖體設主動防護網，目前，該處邊坡已經施工完成，西成高鐵全線亦開通運營，施工完成后的實景見圖7。

圖7 完工后的養家河大橋成都側橋臺

通過該橋設計、施工以及施工方案的變更驗證表明，對于強度控制型高陡巖質邊坡，在通過數值分析確定的穩定坡角基礎上，結合現場實測自然邊坡高度、坡度、巖體產狀、節理裂隙發育程度、風化情況，綜合確定橋基邊坡的穩定坡角，方法合理，結論可靠，做到了安全可靠與經濟合理的有機統一。

5 結論

(1)對于巖體強度控制型邊坡，邊坡穩定性研究的數值分析方法，主要是通過輸入邊坡巖體的力學參數、邊坡的幾何參數以及各種工況下的外在影響因素參數，借助FLAC3D軟件，搜索出可能的潛在破裂面位置，并采用強度折減理論，通過軟件反復分析，借助類似極限平衡法的分析計算方法，計算出邊坡的穩定系數和穩定坡角。

(2)對于巖體強度控制型高陡巖質邊坡，各工況穩定系數中，水平地震力、豎向地震力與降雨偶然組合工況下，邊坡穩定系數最小。

(3)分析不同工況下穩定坡角與自然坡角的折減關系發現，巖體強度控制型高陡巖質邊坡的穩定坡角不是一個定值，從自然條件工況到運行+降雨+豎向+水平地震偶然工況，穩定坡角逐漸遞減，折減系數隨工況的變化基本符合四次多項式的變化特征。

(4)對于強度控制型高陡巖質邊坡，在通過數值分析確定的穩定坡角基礎上，結合現場實測自然邊坡高度、坡度、巖體產狀、節理裂隙發育程度、風化情況等因素，綜合確定橋基邊坡的穩定坡角。該方法確定的穩定坡角在做到安全可靠與經濟合理的有機統一方面是一種有益的嘗試。