伊朗6#橋橋址高邊坡穩定性分析

宋勝錄

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200126；2. 上海建工四建集團有限公司 上海 200126

邊坡穩定分析理論在高邊坡橋基中的應用相對較少，但是隨著山區橋梁建設的發展需求，高邊坡橋基工程的應用將不斷增多，而對于橋基邊坡穩定的評估和分析越來越多。有限元作為數值分析方法的代表，憑借其強大的復雜邊界條件和材料模擬能力，目前已在多數大型巖石高邊坡工程穩定性分析中得到應用，并取得了良好的效果[1-4]。本文結合伊朗6#橋1#橋墩基礎巖石高邊坡，采用彈塑性有限元方法對該高邊坡在橋梁基礎荷載工況下的穩定性進行了建模分析，并對其計算結果進行了分析，驗證了其在橋梁基礎荷載作用下的穩定可靠性。

1 工程概況

伊朗6#橋位于伊朗首都德黑蘭北部厄爾布爾士山脈桑干河谷上，橋位地帶山高路險，交通不便、地質地形復雜、施工環境惡劣。

該橋為德黑蘭北部高速公路一期工程（德黑蘭通里海的高速公路）上1座結構新穎、技術要求高、施工難度大的高墩大跨波形鋼腹板PC箱梁橋。其中1#橋墩位于高邊坡上，橋梁跨徑布置為83 m＋153 m＋83 m＝319 m。該橋為德黑蘭北部高速公路一期工程的節點控制工程，其成敗直接關系到整條線路的能否順利通車。

伊朗6#橋左幅橋于2016年6月主跨結構合龍，右幅橋于2016年11月主跨結構合龍，德黑蘭北部高速公路一期工程于2020年1月全線通車（伊朗官方宣布）（圖1、圖2）。

圖1 伊朗6#橋立面布置示意

圖2 伊朗6#橋建成效果

2 橋址工程地質概況

伊朗6#橋位于桑干河谷地帶，河谷深切，坡岸陡立，谷底到橋面高達81 m，橋址兩岸地層均為厚層-巨厚層夾中厚層凝灰質砂巖為主，巨厚層厚大于4 m，中厚層厚20～40 cm。厚層巖石耐風化，中厚層抗風化能力較弱，風化后易剝落，因此在地貌上厚層凝灰質砂巖形成陡坎，中厚層凝灰質砂巖形成緩坡，如此地貌，風化后剝落物往坡下滾落，因此覆蓋層和風化層厚度較淺，總厚度大多不超過5 m。

從新開挖剖面來看，厚層夾中厚層凝灰質砂巖所表現出的只是色澤上的差別，中厚層凝灰質砂巖形成淺色或深色條帶，巖性差異較小，但是經過長期暴露風化后，夾層風化剝落形成緩坡。因此，新開挖橋基基礎不存在軟弱夾層問題。

伊朗6#橋1#橋墩基礎范圍內地表為中厚層凝灰質砂巖形成的斜坡，且巖層以8°～13°的傾角傾向河谷，沿如此平緩傾向，滑動的可能性很小，斜坡以下為與公路近乎垂直的挖方邊坡，邊坡坡率為1∶0.3，邊坡由巨厚層凝灰質砂巖構成。

1#橋墩基礎的東北角已伸到公路邊坡頂部的邊緣，基礎完全在厚層凝灰質砂巖中，巖體完整、巖質堅硬、承載力高。

另外，根據橋址處沿河谷和跨河谷的地震與電法物勘剖面分析，未發現斷層存在，所以河谷可以排除斷層的存在（圖3、圖4）。該地段邊坡地下水不發育，地震設防烈度為9度。巖石物理特性如表1所示。

圖3 1#橋墩位置地質橫斷面示意

圖4 1#橋墩邊坡

表1 巖石物理特性

3 1#橋墩位置邊坡有限元模型

根據現場邊坡實測幾何數據進行幾何建模分析，并根據地質勘察報告和巖石完整的判斷情況，采用連續介質理論進行分析。

初始應力場包括自重應力場和構造應力場。由于對于一般的地質工程，主要是淺層計算分析，不考慮構造應力場。故本模型計算分析僅考慮自重應力場。

對于高邊坡巖體結構面的發育，將巖石劃分為細小均勻的單元，單元體的尺寸相對于宏觀的高邊坡來說是很小的，因此從平均意義上來講，可以認為巖石是均勻和各向同性的。應用專業的有限元分析軟件建立模型進行分析，采用四節點的平面單元進行模擬，地質力學模型如圖5所示。

圖5 地質力學模型

模型沿x、y軸的計算范圍為220 m×190 m，整個模型劃分為8 180個單元。計算區域的底部邊界采用雙向約束，側面采用法向約束。根據橋梁1#橋墩計算出的墩底支撐力為88 063.25 kN（極限狀態作用下），橋梁基礎荷載為豎向。

采用彈塑性材料模擬巖體，屈服準則采用摩爾-庫侖屈服準則。巖體力學參數如表2所示。

表2 等效計算分析參數取值

4 力學分析

4.1在橋梁荷載作用下的邊坡應力特征

在橋梁基礎荷載作用下，基礎荷載作用對基礎附近的巖體應力影響大，最大為0.117 MPa，到坡腳位置只有0.009 MPa，且對于坡面附近的巖體應力影響很小。應力云圖如圖6所示。

圖6 應力云圖

4.2在橋梁荷載作用下的邊坡位移特征

根據計算結果，邊坡的水平位移為0.17 mm、豎直位移為0.57 mm，均很小，在橋梁荷載作用下，對邊坡的穩定性影響很小（圖7、圖8）。

圖7 在橋梁基礎荷載作用下水平位移

圖8 在橋梁基礎荷載作用下豎直位移

4.3邊坡穩定性分析

有限元強度折減系數法與傳統的極限平衡法一致，均為強度儲備安全法。其基本原理是將巖體強度參數C、φ值同時除以折減系數F，得到1組新的C'、φ'值，然后作為新的強度參數代入有限元模型進行試算，若程序收斂，則坡體整體穩定。采用有限元強度折減系數法分析邊坡的穩定性具有如下優點[5]：

1）能夠對具有復雜地貌情況和地質條件的邊坡進行計算。

2）考慮了土體的本構關系，同時也納入了變形對應力的影響。

3）能夠模擬巖土邊坡的滑移面形狀，滑移面大致在水平位移突變的地方和塑性變形發展嚴重的地方。

4）求解安全系數時，可以不需要假設滑移面的形狀，也無需進行條分。

因此，本文采用有限元強度折減系數法，獲取荷載作用下1#橋墩邊坡的安全系數，計算結果如圖9所示。采用折減系數法，經計算1#橋墩的邊坡安全系數為2.437。

圖9 邊坡穩定計算分析結果

5 1#橋墩承臺沉降變形監測

在6#橋建設過程中，針對1#橋墩承臺設置了沉降觀測點，對其進行了沉降觀測。根據沉降觀測數據反映，整個建設過程中1#橋墩承臺沉降很小，最大只有－1.5 mm，間接證明了橋梁基礎荷載對巖石邊坡的影響很小（圖10）。

圖10 1#橋墩基礎承臺沉降觀測

6 結語

巖石高邊坡的穩定性是一個具有挑戰性的學科和工程實踐問題。本文通過有限元計算分析和1#墩基礎承臺的沉降觀測，數據表明橋梁基礎荷載對坡面巖體的應力和位移影響很小。

根據目前提供的地質資料及荷載參數進行計算分析，該邊坡的安全系數為2.437，邊坡整體是穩定的。伊朗6#橋1#橋墩橋基為巖石邊坡，巖石邊坡中橋梁基礎荷載對于邊坡的穩定性系數和位移影響均較小，因為巖石邊坡自身強度高、穩定性好，巖石邊坡的變形通常很小，但一旦出現過大變形，邊坡就會失穩。