基于強度折減法的岸坡穩定性評價

王章云 鄭維棟

（貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081）

1 工程概況

某公路橋梁跨越烏江，連接兩岸交通，大橋為混凝土拱橋，兩岸拱座均位于斜坡上，邊坡所受重力荷載大。橋區無斷層構造分布，呈單斜構造巖層綜合產狀12°∠26°，起點岸岸坡為反傾邊坡，拱座下方坡度較緩，岸坡穩定性良好，終點岸岸坡為順層邊坡，拱座下方坡度較陡，強風化層厚，在河水沖刷及雨水等作用下易失穩。由此可知，終點岸岸坡穩定性較差，需著重分析評價[1]。

圖1 某公路橋梁岸坡斷面圖

2 地質條件

2.1 地層巖性

項目區內出露的地層由新到老有第四系(Q)、三迭系中統松子坎組（T2s），巖性為泥灰巖夾泥巖。具體描述情況：

2.1.1 第四系（Q）：褐色、褐黃色粘土夾碎石（Qal+pl），局部為人工填土（Qml）。主要分布于山間沖溝、溝谷岸坡及緩坡地帶，以粘土夾碎石（Qal+pl）以及人工填土為主（Qml），河谷地段分布有卵石（Qal+pl）。

2.1.2 三迭系（T）

松子坎組（T2s）：泥灰巖夾泥巖，呈淺灰、深灰色，整個橋區均有分布。

2.2 水文地質

據場區內的地層巖性、含水介質特征及地下水動力條件，區內地下水類型為主要為第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水三大類[2]。

橋區內烏江河穿過，烏江屬雨源性河流，根據調研期間現場調查及鉆探揭露，岸坡巖土體地下水位埋藏較深，且烏江河水位較低，烏江河水位受地表降水和季風影響變化較大，雨季時河水位升高，并補給地下水，地下水位隨之升高。

3 岸坡破壞模式分析

終點岸岸坡為順層巖質邊坡，在拱座基坑開挖階段，其主要破壞形式沿巖層層面平及結構面的平面滑動。計算公式如下[3,4]：

如拱座基坑不采取防護措施，計算得到的基坑安全系數Fs=0.63,剩余下滑力為1121kN/m。如不采取防護措施，拱座基坑將會失穩，并且剩余下滑力較大[5,6]。拱座基坑支護采用抗滑樁并在坡頂采用冠梁錨索進行聯合支擋。

橋梁施工完成后，暴雨季節烏江河水位上漲，河水沖刷岸坡，且河水和雨水易于通過節理、溶蝕裂隙等進入巖體，在節理裂隙內會產生靜水壓力，影響岸坡的穩定性。此外，橋梁荷載、地震荷載等也會影響岸坡穩定性。故對運營期橋梁岸坡穩定性，主要對以下三種工況進行分析計算[7]：工況一：自重+橋梁荷載（岸坡在自重及橋梁荷載作用下的的工況）；工況二：自重+橋梁荷載+暴雨（岸坡在自重及橋梁荷載作用下，并處于暴雨或連續降雨狀態時期的工況）；工況三：自重+橋梁荷載+地震（岸坡在自重、橋梁荷載及地震附加荷載作用下的工況）。

4 物理力學參數取值

物理力學參數取值參考該橋梁工程地質勘察報告，如表1 所示。

表1 巖土（層）物理力學指標

5 岸坡穩定性計算與評價

5.1 計算方法選定

岸坡傳統計算方法有Janbu 法、Bishop 法、傳遞系數法、Morgenstern-Price 法、Spencer 法等[8]，均屬于極限平衡理論的范疇。上述方法均忽略了土體內部的應力、應變關系[9]，且因采取一系列的假定條件進行簡化，其計算得到的穩定性結果精度不高，對于復雜邊坡尤其是需要考慮支護結構與邊坡體的應力應變關系時，難以適用。而有限差分法以及有限元強度折減法不僅能夠模擬巖土體內部應力應變，還能模擬工程結構與巖土體的互相作用過程，應用邊坡的塑性區來定義滑動面的位置，彌補了極限平衡方法的不足，且得出的計算結果更為準確。

有限差分法主要適用于大變形的計算模型，而本項目的計算項目為橋臺岸坡，岸坡上部為橋梁，岸坡在滿足穩定性的同時不允許有大的變形，因此，有限元強度折減法更為合適。

本文采用midas GTS NX 數值計算分析軟件對橋梁運營期的岸坡穩定性進行數值計算分析。此外，采用GeoStudio 軟件中的SLOPE/W 模塊，計算得到Janbu 法安全系數，作為對比參考。

5.2 附加荷載

影響橋梁岸坡穩定性的附加荷載主要為橋梁荷載、流體荷載、地震荷載。

5.2.1 橋梁荷載

橋梁荷載（軸力、剪力和彎矩）通過拱座傳遞給巖土體，荷載大小將直接影響岸坡的穩定性。經過橋梁的設計計算，烏江特大橋拱座荷載內力控制值如表2 所示。

表2 終點岸拱座荷載控制值

5.2.2 流體荷載

根據調研期間現場調查及鉆探揭露，岸坡巖土體地下水位埋藏較深，且烏江河水位較低，但根據訪查及查閱相關資料得知，烏江河洪水位較高，會對岸坡帶來不利影響。因此，汛期，河水和雨水等對岸坡的作用，也是影響岸坡穩定性的重要因素。暴雨工況采用調查的最高洪水位來模擬水對岸坡的影響。

5.2.3 地震荷載

本區地震動峰值加速度為0.05g，地震反映譜特征周期為0.35s，地震基本烈度為Ⅵ度，該橋為A 類設防類別。拱橋由于結構自重較大，拱座水平及豎向反力大，對基礎要求較高，且下部結構在地震力作用下受力較大，產生的工程荷載會對岸坡造成擾動，影響岸坡的穩定性。故應按Ⅶ度抗震要求驗算地震工況下的岸坡穩定性。

5.3 計算結果及評價

根據岸坡工程地質條件及所受附加荷載情況，基于莫爾-庫倫本構模型，采用midas GTS NX 軟件建立計算模型如圖2 所示。

圖2 岸坡穩定性數值計算模型

采用強度折減法計算得到各工況的穩定性系數分別為1.43、1.26、1.29。各工況水平及豎向位移云圖，如圖3～8 所示。

圖3 工況一水平位移云圖（最大值7.9mm）

圖4 工況一豎向位移云圖（最大值5.8mm）

圖5 工況二水平位移云圖（最大值8.7mm）

圖6 工況二豎向位移云圖（最大值6.7mm）

圖7 工況三水平位移云圖（最大值8.3mm）

圖8 工況三豎向位移云圖（最大值6.1mm）

匯總各工況的結果，得到橋梁運營期岸坡的穩定性計算結果，如表3 所示。

表3 岸坡穩定性計算結果一覽表

經過計算分析得知，強度折減法比Janbu 法計算得到的穩定系數稍大，主要是由于Janbu 法忽略了土體內部的應力、應變關系，可見強度折減法計算結果更貼合實際，而Janbu 法計算結果在工程上偏于安全。兩種方法的計算結果均在控制標準內，位移均在毫米級，不會發生大變形而出現整體破壞可能，可見岸坡在各個階段的穩定性良好。但由于巖體的完整性、結構面強度和順傾巖層直接影響橋址邊坡整體穩定性，且附近距離居民房及交通設施較近，在拱座基坑開挖過程中，應注意減小擾動并注意及時支護，防止基坑周邊局部塊體的塌落。在橋梁運營期，由于橋區巖體節理裂隙大面積張開且局部裂隙連通，對邊坡局部穩定性不利，暴雨工況下岸坡穩定性系數下降明顯，且岸坡變形最大，最大沉降為8.7mm，最大水平位移為6.7mm，說明水對岸坡穩定性有較顯著的影響,應做好相應的防排水措施，拱座下方岸坡建議采用相應的防護措施，防止岸坡淺層失穩及河水的沖刷，同時，應加強相應的監測工作。

6 結論

6.1 橋梁岸坡除分析穩定性外，還需嚴格控制變形，采用有限元強度折減法分析較為合適。

6.2 強度折減法計算結果更貼合實際，而Janbu 法等極限平衡理論的分析方法在工程上偏于安全。

6.3 水對橋梁岸坡穩定性影響較大，建議避開雨季施工，并做好相應的防排水措施。