基于M-P法某橋梁邊坡穩(wěn)定性分析

李 明 （安徽省路橋工程集團有限責任公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

橋梁橋墩橋臺邊坡穩(wěn)定性問題一直是影響橋梁安全的關(guān)鍵問題，也是巖土工程領(lǐng)域的熱點問題。極限平衡法是巖土工程中最廣泛采用的穩(wěn)定性分析方法，當對均質(zhì)坡穩(wěn)定性分析時，常假設潛在滑動面為圓弧狀，一般用瑞典法[1]或簡化Bishop法[2]計算。然而，實際邊坡破壞面的形狀與圓弧形狀相差甚遠。基于任意形狀滑面的穩(wěn)定計算方法也有多種，其中Morgenstern-Price法[3]應用最為廣泛；但采用迭代方法計算安全系數(shù)Fs和比例系數(shù)λ時過程非常復雜，較難掌握。本文基于國內(nèi)朱大勇教授[4]改進的M-P法對某橋梁橋墩橋臺邊坡穩(wěn)定性進行分析，并給出初步建議。

2 工程概況

擬建某橋梁的左線中心樁號為ZK28+460，設計橋孔和跨徑（孔×m）為（2×40+30）+（2×40+30）m；右線中心樁號為K28+473，設計橋孔和跨徑（孔×m）為 3×40+（30+2×40+30）m，上部結(jié)構(gòu)均為預制T梁。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，橋位區(qū)屬中山地貌，地形起伏較大，橋區(qū)范圍內(nèi)中線地面高程1302m～1358m，最大相對高差56m。橋墩所在的邊坡坡度較陡，為可能觸發(fā)原有巖堆邊坡失穩(wěn)，急需采用合理的計算方法對橋墩、橋臺邊坡的穩(wěn)定性進行評價。

3 嚴格Morgerstern-Price法（簡稱M-P法）

Morgenstern-Price法[3]已成為國際通用的一般形狀滑動面嚴格極限平衡條分法，國內(nèi)學者朱大勇教授[4]改進Morgenstern-Price法，建立非常簡單實用的計算迭代格式。本文采用朱大勇等學者提出的嚴格M-P法對巖質(zhì)邊坡進行穩(wěn)定性分析，具體如下。

圖1(a)和圖1(b)分別表示任意形狀滑面的邊坡和滑體劃分垂直條塊示意圖。如圖1(a)所示，邊坡滑體作用荷載主要是自重、面荷載、地震及水壓力。如圖1(b)所示，其高度為 hi、寬度為 bi、底面傾角為i。

考察第i個條塊的力和力矩平衡。端部條件：E0＝0;E=n0。得：

對條塊基底中心取力矩：

解出比例系數(shù)λ

根據(jù)式（1）和（3），采用迭代計算方法，計算出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

4 典型斷面的穩(wěn)定性分析

圖1 滑體與典型條塊示意圖

本文選取沖溝兩岸斜坡三個斷面進行穩(wěn)定性分析，分別為K28+500～530、K28+540～570和ZK28+430三個斷面；其中斷面1、斷面2的坡度約35。～48。；斷面3的坡度約55。。

4.1 定性評價

依據(jù)《鐵路工程地質(zhì)手冊》[5]并結(jié)合勘察報告，橋梁的橋墩橋臺周圍巖土體較易產(chǎn)生滑動，且橋梁所在區(qū)域的巖堆邊坡基本處于25°～35°。根據(jù)地質(zhì)勘察報告和現(xiàn)場調(diào)查，歸納總結(jié)巖堆體的基本物理力學性質(zhì)，見表1所示。

由表1可見，斷面1、斷面2處于穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)，斷面3處于臨滑狀態(tài)。

4.2 二維嚴格極限平衡分析

①巖土物理力學參數(shù)反演計算

根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[6]，反算處于不同狀態(tài)下滑坡的巖土體力學強度參數(shù)時，安全系數(shù)取值見表2所示。表3為巖土體物理力學參數(shù)反演值。

②穩(wěn)定性計算

共考慮3種工況：天然、飽水（暴雨）和考慮地震作用下的飽水（暴雨）。其中地震力依據(jù)《公路工程抗震設計規(guī)范》[7]

巖堆體的基本物理力學性質(zhì) 表1

中的3.1.3條計算。計算結(jié)果見表4所示。

不同狀態(tài)下滑坡反演計算巖土力學參數(shù)的安全系數(shù)取值表 表2

由表4可見，在三種工況下，ZK28+430巖堆邊坡分別處于穩(wěn)定，基本穩(wěn)定和臨滑狀態(tài)；K28+500～530和K28+540～570巖堆邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。

4.4 計算結(jié)果與勘查報告建議結(jié)果的比較

①反演參數(shù)與勘查報告建議值比較

設計強度參數(shù)反演值與勘查報告建議值的比較見表5所示。由表5可見，巖堆參數(shù)的反演值高于勘察報告建議值。其中粘聚力的數(shù)值提高了約300%，其原因在于反演分析并未涉及到強風化層及以下地層，故對強風化層及其以下地層的相關(guān)參數(shù)僅供穩(wěn)定性評價參考，不作為其它相關(guān)設計的參數(shù)依據(jù)。

②安全系數(shù)與勘查報告建議值比較

表6比較了理論計算值與勘查資料建議值。可見采用M-P法計算邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)有了一定的提高，幅度約40%。

5 小結(jié)與建議

①在三種工況下，斷面ZK28+430的巖堆邊坡分別處于穩(wěn)定，基本穩(wěn)定和臨滑狀態(tài)而斷面 K28+500～530和K28+540～570的巖堆邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。

②對于該區(qū)段不能達到規(guī)范穩(wěn)定要求的巖堆邊坡，建議采用必要的加固手段，確保巖堆邊坡達到工程許可安全系數(shù)。

③橋臺或橋墩的施工擾動對邊坡穩(wěn)定是有影響的，不宜采用濕作法施工樁基和承臺，建議采用高樁承臺，減小對原有邊坡的擾動，對于必要的開挖，應及時予以加固，可采用框格預應力錨索加固，防止發(fā)生局部失穩(wěn)，同時注意邊開挖邊加固的施工工序。

巖土體物理力學參數(shù)反演值 表3

穩(wěn)定性計算結(jié)果 表4

設計強度參數(shù)反演值與勘查報告建議值的比較 表5

巖堆邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果的比較 表6

④加強地表水的截、排措施，減小地表水的下滲。