不同順層巖質邊坡特性對橋墩受力特性的影響研究

摘要：為研究順層巖質邊坡不同邊坡特性對橋墩的受力影響，文章基于有限元方法，利用Midas GTS軟件建立順層巖質邊坡橋墩模型，通過改變巖體彈性模量、結構面傾角、粘聚力及內摩擦角，對順層巖質邊坡穩定性產生影響，從而影響橋墩受力。研究結果表明：巖體彈性模量對橋墩受力影響顯著，隨著彈性模量的增加，橋墩墩身內力和變形減小；組合荷載作用下，結構面傾角與坡腳越接近，邊坡穩定性就越大，橋墩位移就越小；不同坡高條件下，隨著粘聚力、內摩擦角的增大，安全系數也在增大；內摩擦角的變化對穩定性的影響大于粘聚力對其的影響。

關鍵詞：順層巖質邊坡；有限元；橋墩受力；穩定性

中圖分類號：U443.22 A 39 130 4

0 引言

受山區地形、地質條件、天然氣候及自然降雨的影響［1-3］，橋梁在建設時的首要問題是解決所處地域的自然災害問題，否則橋梁可能因此導致嚴重的安全隱患，輕則產生較大的經濟損失，重則發生橋梁坍塌，威脅群眾生命財產安全。另外，相對于平整地段的橋墩，山區高架橋墩力學機制復雜，主要表現為：

（1）橋墩受力原因多變。山區橋墩多處于邊坡滑移范圍內［4］，不僅要承擔豎向動力荷載作用，還要承擔滑坡水平推力作用，以防橋墩發生傾斜、偏移等問題。

（2）受力原理復雜。陳玉欣等［5］通過對橋梁周圍邊坡巖土體進行勘察，發現大多數邊坡由巖體和（或）土體構成，受到自然界降雨作用、風化剝蝕作用、地震荷載作用、人為挖填方等因素影響，破壞了原本邊坡穩定性，使下滑力大于抗滑力，巨大的下滑推力對橋墩產生無法修復的毀滅性損傷，對橋墩的安全性產生非常直接的影響［6］。

常見橋墩與位于復雜山區順層巖質邊坡橋墩的位移、變形、受力特征有較大差異。通常表現為：順層巖質邊坡橋墩不僅要承擔上部豎向荷載，還要承擔樁前土體的抗力與邊坡自重作用；要保證橋梁受地震荷載時能夠正常使用。部分學者對橋墩力學機制進行研究時并沒有考慮邊坡滑動作用以及橋墩的阻滑作用，這些誤差可能會對橋梁的設計和投入使用有一定程度的影響［7］。

因此，本文基于前人對橋墩力學機理的研究，進一步考慮在復雜山區地質條件下橋墩的受力特性，提出橋墩對順層巖質邊坡的力學響應機制，并結合Midas GTS有限元軟件，模擬樁土作用的影響，為今后橋梁選址提供相應依據。

1 工程概況

本文依托于某高速公路標段的實際橋梁工程，其位置屬于山地地貌，地勢險峻、高差大，橋址高程介于500～700 m。通過對現場進行勘察，發現該區域地層主要是第四系和侏羅系，上覆層以粉質黏土為主，厚度較薄；下覆基巖以中風化砂巖、泥巖為主，分布連續，場地穩定性好。由于該區域存在地表常年性支流，根據預估流量，雨季時橋墩中部沖溝區容易大量積水，地表水沖刷作用對橋墩產生影響。通過查閱《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2015），該地區新構造作用強烈，斷裂活動頻繁，其地震動峰值加速度為0.15 g，地震基本烈度為Ⅶ度。

2 有限元方法基本理論

目前常用的有限元軟件主要為ANSYS、ABAQUS和Midas GTS。Midas GTS軟件可以對二維、三維巖土體進行動態模擬，可以很好地反映巖土體的力學性質，在前處理的基礎上提供了相對完整的后處理程序，并涵蓋常用的本構模型，例如摩爾-庫侖模型、各向同性彈性模型、線彈性模型等。

因此，本文采用Midas GTS軟件對某邊坡進行三維地質建模。由于橋梁結構主要采用混凝土材料，其力學特征表現為為線彈性應力-應變，故采用各向同性彈性模型來模擬均質、各向同性的材料（橋梁墩樁）。而樁周巖土體力學特征復雜，出于對樁土作用的考慮，在摩爾-庫侖的基礎上，優化模型計算收斂性，采用修正的摩爾-庫侖模型模擬樁周巖土體，如圖1所示。

3 順層巖質邊坡三維模型的建立

3.1 細觀參數標定

數值模擬的正確性取決于細觀參數的確定。室內力學試驗直接獲得了宏觀力學參數，包括抗壓強度、內摩擦角、粘聚力等，而Midas GTS軟件并未給出細觀力學參數與宏觀力學參數之間的定量關系表達式。因此，本文通過不斷地調試模擬試驗的結果，將試樣的應力-應變曲線作為驗證項目，得到其細觀參數。

巖體參數由變形參數、強度參數兩方面組成。由于巖體具有非均質、不連續等特點，需要監測其離散性。在巖體力學中，泊松比u的變化幅度不大，遠小于彈性模量E、粘聚力c、內摩擦角φ的變化。因此在計算模型中，將泊松比u當成已知量，對彈性模量E、粘聚力c、內摩擦角φ進行參數反演，得到合理參數［8］。

中風化砂巖和中風化泥巖兩種巖體的細觀參數標定后的應力-應變擬合曲線如圖2所示，通過細觀參數標定得到的材料參數見表1。

3.2 三維模型的建立

本文研究以大橋邊坡勘察資料為基礎，建立順層巖質邊坡橋墩模型。其具體參數如下：邊坡高度為35 m，坡度為12°，模型橫橋向厚度為45 m；橋墩墩柱長39 m，墩臺高2.5 m。將CAD建模后導入Midas GTS軟件，得出順層巖質邊坡模型如圖3所示。

對導入的模型進行網格劃分如圖4所示。

3.3 荷載施加

橋墩受力復雜，因此本文中對橋墩部分施加組合荷載，但由于實際工程中橋墩的實際水平承載力遠小于豎向承載力，因此在數值模擬過程中，只考慮水平荷載的傳遞作用，折減后施加于豎向荷載。如下頁表2所示為荷載的5種組合方式。

4 邊坡特性對順層巖質邊坡橋墩受力的影響

4.1 巖體彈性模量

為研究巖體彈性模量對橋墩受力的影響，采用Midas GTS軟件建立順層巖質邊坡橋墩模型。該橋墩墩長為20 m，墩身剛度為EI，樁徑為2.5 m，不同彈性模量下橋墩位移影響如表3和圖5所示。

從圖5可知，墩身周圍巖土體的彈性模量變化對橋墩位移影響明顯，當巖體彈性模量為1/4E時，墩頂的水平位移為33.525 mm，豎向位移為33.823 mm，隨著彈性模量E的增大，樁墩的位移不斷減少。可以發現墩頂水平位移對彈性模量的敏感程度遠高于豎向位移，當彈性模量從1/4E增加到2E時，墩頂水平位移減少15.093 mm，墩頂豎向位移減少6.997 mm。因此，在橋梁工程建設過程中，應盡量選擇將橋墩置于巖土體性質較好的工程段，若墩周巖體性質較差，則可以增加其嵌固深度，提高其承載能力，為今后橋梁選線提供依據。

4.2 巖體結構面傾角

為研究巖體結構面傾角對橋墩受力的影響，采用Midas GTS軟件建立順層巖質邊坡橋墩模型，該橋墩墩長為20 m，墩身剛度為EI，樁徑為2.5 m，如圖6所示為組合荷載下不同結構面傾角對橋墩水平位移的影響曲線圖。

根據圖6可知，結構面傾角對橋墩位移影響較大，在不同結構面傾角下其曲線形式均表現為緩降型。由水平位移曲線可知，當結構面傾角為15°～35°時，其水平位移隨著荷載的增大而顯著增大，在最后一級組合荷載作用下水平位移增加23.382 mm，增幅高達82.6％；當結構面傾角為45°時，水平位移突變幅度最小，僅為35°時的71.6％；當結構面傾角位于45°～60°時，其水平位移增長緩慢。當結構面傾角從15°增大至45°時，橋墩豎向位移從31.213 mm減小至30.467 mm；當結構面傾角從 45°增大到 65°時，墩頂豎向位移從30.467 mm減小至26.256 mm，相比而言，大傾角時的橋墩豎向位移的減小幅度較大。

4.3 粘聚力及內摩擦角

粘聚力和內摩擦角對順層巖質邊坡橋墩受力產生影響的主要原因是改變其自身坡體的下滑力和抗滑力，通過下滑力和抗滑力的變化，影響邊坡坡體的安全系數，進而影響樁與土之間的力學作用。因此，改變邊坡下滑力、側摩阻力，間接反映了橋墩的受力。

通過不同的結構面參數（邊坡坡高、坡角、粘聚力、內摩擦角）來模擬開挖過程中的變化，更能準確反映邊坡穩定性。如表4所示為結構面參數取值。

不同結構面參數取值下，邊坡相應安全系數如表5～8所示。

不同結構面參數取值下，邊坡相應安全系數變化如圖7所示。

如圖7所示，通過Midas GTS軟件模擬計算可以發現，在不同坡高下，粘聚力-安全系數曲線、內摩擦角-安全系數曲線均呈現拋物型，在粘聚力、內摩擦角不變的前提下，安全系數隨著坡高的增大而減小；隨著坡高的增加，粘聚力對穩定性的影響在不斷減小，而摩擦角對穩定性的影響在不斷增加。在不同坡角下，粘聚力的減小對穩定性的影響明顯大于其增加所產生的影響，隨著坡度的增加，粘聚力對穩定性的影響在不斷增加。

5 結語

本文基于有限元方法，利用Midas GTS軟件建立三維數值模型，考慮順層巖質邊坡下橋墩的受力特性，并對其進行數值模擬，主要結論如下：

（1）巖體彈性模量對橋墩受力影響顯著，隨著彈性模量的增加，橋墩墩身內力和變形減小。因此在橋梁工程建設過程中，應盡量選擇將橋墩置于巖土體性質較好的工程段，若墩周巖體性質較差，則可以增加其嵌固深度，提高其承載能力，為今后鐵路橋梁選線提供依據。

（2）結構面傾角對橋墩影響顯著，在組合荷載作用下，結構面傾角與坡腳越接近，邊坡穩定性就越大，橋墩位移就越小。

（3）不同坡高條件下，隨著粘聚力、內摩擦角的增大，安全系數也在增大；隨著坡高的增加，粘聚力對穩定性的影響在不斷減小，而內摩擦角對穩定性的影響在不斷增加。內摩擦角的變化對穩定性的影響大于粘聚力對其產生的影響。

參考文獻

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收稿日期：2023-01-15