某長江大橋高峰岸錨碇基礎邊坡穩定性研究①

葉智英，王 朦，梅松華，林孟源，肖擁軍

（1.浙江長征職業技術學院，淅江 杭州 310023；2.湖南科技大學，湖南 湘潭 411201；3.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

目前邊坡穩定性分析主要是基于平面應變展開的二維分析，而實際工程中許多邊坡地質條件復雜、開挖寬度有限，二維分析得到的結果與實際情況存在較大出入。相比二維分析，三維分析可直觀判斷邊坡破壞性質［1］，得到更準確、更符合實際的分析結果。目前邊坡穩定的三維分析廣泛采用三維極限平衡法。三維有限元強度折減法與傳統三維極限平衡法中“條柱法”的思路完全不同，它能夠得出更符合實際情況的計算結果，并且可以得到坡體內應力、變形分布及滑動趨勢等信息，對復雜模型更具優勢［2－7］。

本文建立某長江大橋高峰岸錨碇基礎邊坡的三維地質概化模型，對其高峰岸錨碇基礎邊坡的實際施工過程進行了有限元分析，詳細分析了邊坡在錨碇施工、運行過程中的應力變形規律，并根據需要針對錨碇基礎邊坡提出了處理措施，可為大橋兩岸邊坡的設計方案和工程施工提供科學依據。

1 工程概況

某長江大橋高峰岸錨碇區位于斜坡中部地帶，地面分布高程210～240 m，地表土層為塊石土，土層厚度0.9～3.2 m。下伏中風化基巖巖體較完整，為沙溪廟組砂巖、泥巖、砂質泥巖，錨碇區基坑開挖后，邊坡主要出現在西側、北側、東側及南側，邊坡高度12.0～44.1 m，主要為泥巖和砂巖組成的巖質邊坡，上覆少量塊石土。在錨碇基坑開挖過程中，開挖最大坡度約73°（垂直于橋軸線方向），因開挖卸荷的影響，基坑上部的覆蓋層可能發生滑動破壞；因高峰岸錨碇基礎大部分位于中風化泥巖中（見圖1），其單軸飽和抗壓強度為5.65 MPa，強度較低，而受地形影響，高峰岸基坑開挖邊坡較陡，高度大，開挖范圍大，且單側臨空，這些因素都可能導致基坑邊坡整體滑動。開挖后在基坑東側形成順層層面，可能沿巖層層面發生破壞。大橋修建后，在錨碇水平力作用下可能會引起上部泥巖的局部滑動破壞。

圖1 高峰岸錨碇基礎邊坡地質剖面圖

2 三維有限元分析

2.1 錨碇基礎邊坡三維計算模型

三維計算模型依據大橋錨碇基礎邊坡的工程地質圖及錨碇設計方案確定。場地巖層走向一致，基本平行，模型按照巖層的總體產狀，將巖層分界面簡化為平面。由于錨碇的上部結構對基坑穩定性沒有影響，模型中錨碇上部結構完全簡化。

計算模型坐標系：平行橋軸線方向為x軸，以指向高峰岸方向為正；垂直橋軸線方向為y軸，以向北偏東向延伸為正；豎直方向為z軸，向上為正。邊坡地層分界面以相應的地質剖面圖為參照；以錨碇基坑底面中心為原點。

計算模型范圍：錨碇基礎建模，以錨碇基坑中心為原點，向4個方向各擴展250 m，即計算模型面積為500 m×500 m。模型底面從Z＝0.0 m起取至底面標高。在三維模型概化時，考慮到強風化線埋深較淺，將覆蓋層和強風化層合并考慮，覆蓋層厚度概化為5 m。高峰岸三維模型共劃分單元180 839個、節點64 789個。模型網格劃分如圖2所示。

圖2 高峰岸三維模型網格劃分

邊界約束條件：地表面自由，無任何約束；底面固定，剩余各面受法向位移約束。

三維計算結果中，以拉應力為正、壓應力為負；各圖表中未特別說明時，應力單位均為Pa，位移單位均為m。

2.2 邊坡巖體力學參數取值

目前Hoek?Brown準則是在國際上得到廣泛應用的巖體強度準則之一，利用GSI（地質強度指標）法確定巖體的Hoek?Brown準則參數快捷、方便，但也有一些缺陷，如GSI的兩個參數指標不能定量、GSI值的確定存在一定主觀性等［8］。針對GSI方法存在的缺陷，文獻［9］提出了基于巖體體積節理數（J v）的巖體結構評分（structure rating，SR）和基于粗糙度、風化和充填評分的結構面表面特征評分（surface condition rating，SC R）兩項指標的改進GSI方法。

J v值根據節理統計結果按下式計算［10］：

式中J v為巖體體積節理數，條／m3；S l i（i＝1，2，…，n）為第i組節理每米長度上的條數；S0為每立方米巖體非成組節理條數。

結構面表面特征評分SCR根據下式計算［9］：

式中Rr、Rw、Rf分別為結構面粗糙度、風化度和充填度評分。其評分標準見表1。

表1 SCR評分標準

基于J v獲取巖體結構評分SR［9］，分析巖體結構面特征評分，得到SCR，再由SCR確定GSI值，從而確定巖體強度參數。如圖3所示。

圖3 改進GSI方法

圖3 （a）中B、VB、BD、D分別表示塊狀結構、鑲嵌結構、碎裂結構／擾動／裂縫以及散體結構；圖3（b）中數值10～80為相應的GSI值。綜合考慮大橋詳勘階段試驗成果，通過工程類比及改進的GSI方法對該區域長江邊坡巖土體計算參數綜合分析，確定邊坡巖體力學參數見表2。

表2 高峰岸邊坡穩定分析計算參數取值

2.3 強度折減法原理

強度折減法的原理為：取一折減系數Fs，將邊坡巖土體的強度指標c、φ采用式（3）～（4）進行折減，得到一組新的抗剪強度指標c′、φ′，然后在荷載保持不變的條件下采用新的一組抗剪強度指標c′、φ′分析邊坡的穩定性；依次類推，不斷增加Fs值，折減巖土體強度指標，分析邊坡穩定性；直到某一折減強度指標下邊坡達到失穩狀態，上一級強度指標所對應的折減系數即為邊坡的穩定安全系數。

3 模擬結果及分析

分別對自然狀態、自然狀態＋地震、基坑開挖、運行期、運行期＋地震、運行期＋暴雨共6個工況下的自然狀態、基坑開挖、運行期進行應力變形分析，對每種工況計算安全系數。

3.1 邊坡變形破壞形式

采用強度折減法，分析不同工況下大橋高峰岸錨碇基礎邊坡的穩定性，并取地勘報告附平面圖中高峰岸垂直于橋軸線32－32地質剖面圖，分析其破壞形式及潛在滑裂面剪應變增量分布，計算結果見圖4～5。由于其坡度較大，泥巖范圍較大，邊坡破壞形式除表面覆蓋層發生破壞外，在泥巖內部剪應變增量也比較明顯。從圖4可見，基坑東北側，靠近模型邊界處覆蓋層內剪應變增量較大，此處為危險潛在滑裂面。從圖5可見，除表層覆蓋層外，由于坡度較陡，自然狀態在邊坡內部產生了近圓弧形式的滑動趨勢，潛在滑裂面位于錨碇下方。在開挖和運行工況下，這種滑動趨勢更加明顯，潛在滑裂面向上幾乎貫通到地表，與極限平衡分析結果比較吻合。

圖4 整體剪應變分布圖

圖5 32－32剖面剪應變分布圖

3.2 安全系數計算結果

對大橋高峰岸錨碇基礎邊坡分別進行了二維極限平衡分析、三維強度折減法穩定性分析，兩種分析方法計算結果見表3。從表3可以看出，兩種方法分析的結果規律比較一致，三維強度折減法計算的安全系數明顯高于極限平衡分析法，主要原因是二維模型同地質剖面非常接近；而三維模型考慮整體更為全面，具體計算剖面和二維模型并不完全一致；另外最主要的原因是三維條件下邊坡巖土體受三維空間約束作用，巖土體間相互影響而導致其計算結果比極限平衡分析結果大，符合一般規律。

3.3 有限元模擬結果分析

3.3.1 自然狀態下的穩定性

高峰岸邊坡為緩傾逆向坡，層面穩定性較好，但地形坡度較陡，容易沿覆蓋層內部發生局部滑動。在錨碇基坑開挖過程中，受開挖卸荷的影響，基坑上部的覆蓋層可能發生滑動破壞；因高峰岸錨碇基礎大部分位于中風化泥巖中，基坑可能因巖體強度過低發生整體滑動。大橋修建后，在錨碇水平力作用下可能會引起上部泥巖的整體滑動破壞。

3.3.2 基坑開挖狀態下的穩定性

由于高峰岸錨碇結構較復雜，開挖面積較大，應力集中現象相對較輕，開挖后基坑的整體變形趨勢是向上向臨空面回彈變形，由于自然坡面較大，且僅單側開挖，基坑開挖后整體位移除向上回彈外，還向開挖卸荷方向變形，從基坑底板變形規律看，隨著開挖的進展，變形方向是向上向山體內，最大綜合位移符合一般規律?；娱_挖后，垂直橋軸線32－32剖面潛在滑裂面位于基坑后部巖體中，從基坑坡腳處剪出，安全系數為2.37，滿足邊坡設計要求。

3.3.3 運行期狀態下的穩定性

高峰岸基礎邊坡在運行期間會施加主纜拉力，由于高峰岸錨碇單側臨空，基坑東西兩側的巖體受力較大，塑性區范圍會擴大，但影響深度主要在覆蓋層內，對整體穩定性影響較小。高峰岸錨碇基礎邊坡的計算剖面在運行期及運行期＋地震、暴雨的工況下，最低安全系數為2.03，滿足邊坡設計要求，且有一定安全裕度。

4 結 論

采用改進的GSI方法確定邊坡巖體力學參數，基于有限元強度折減法建立某長江大橋高峰岸錨碇基礎邊坡三維模型，模擬分析施工及運營過程中該大橋高峰岸錨碇基礎邊坡變形特征及穩定性，得到主要結論如下：

1）采用改進的GSI方法確定邊坡巖體力學參數，考慮了開挖方法對巖體擾動的影響，其分析結果更符合工程實際。

2）三維有限元分析法可直觀顯示邊坡破壞形式和位置，便于定性判斷邊坡破壞特征。由于三維條件下邊坡巖土體受三維空間約束作用，巖土體間相互影響而導致其計算結果較極限平衡分析結果偏大，但符合一般規律。

3）該長江大橋高峰岸邊坡在基坑開挖、錨碇填筑、橋梁運行階段各工況條件下，基礎邊坡穩定性均可滿足設計要求。