基于MIDAS-GTS的橋梁樁基開挖施工階段數值模擬

張烜途 李海鷗 向治州

在四川陡峭的山區開挖樁基是一項具有重大安全風險的工程活動，研究橋樁施工過程中循環開挖與邊坡安全性的相互關系具有重大的現實意義。結合GIS軟件可以看出安寨坪2號橋地處自然環境為山高坡陡、河流深切、邊坡破碎，基于MIDAS-GTS有限元軟件分析了安寨坪2號橋邊坡穩定性并通過施工階段助手模擬了橋梁樁基開挖過程，結果表明：邊坡在切坡后整體處于穩定狀態，其應力最大處在切坡坡腳；樁基的開挖深度與邊坡的橫向位移呈對數函數關系，開挖后的前10步邊坡位移變化較大。

復雜地形； MIDAS-GTS； 樁基開挖； 邊坡穩定性

U443.15+9 A

［定稿日期］2022-03-17

［作者簡介］張烜途（1995—），男，碩士，研究方向為巖土工程技術；李海鷗（1994—），男，碩士，研究方向為橋梁施工控制技術。

在復雜地形條件下開挖橋梁樁基礎是一項有安全風險的工程活動，研究橋梁樁基開挖過程與邊坡安全性的相互關系具有重大意義。

隨著交通基礎設施建設力度的加大，高速公路逐步走向山區，橋位及樁位勢必會面對越來越多的陡峭斜坡、滑坡體、泥石流等復雜多變的地形地貌，并遇到越來越多的地質災害高發區，應用有限元手段對其危險性進行數值模擬是災害評估的一種手段［1-4］。

1 工程環境

1.1 地理位置

安寨坪2號橋位于四川雷波縣曲依鄉境內，在其中部腹地，區域面積約為0.11 km2，地理位置大概屬北緯28°10′～28°11′，東經103°27′～103°28′，曲依鄉東臨千萬貫鄉，北接八寨鄉，西靠簸箕梁子鄉，南隔金沙江與上田壩鄉相望，區內通有縣鄉公路，但路況較差，雨季通行困難（圖1）。

1.2 自然環境特征

安寨坪2號橋場區位于金沙江河岸旁，用GIS軟件對該場區地形進行分析，海拔高程在672～946 m，地形相對開闊；坡度范圍為2°～80°，在高程較高的地方坡度較緩，其平均坡度大概為45°，結合影像照片，可以看出區域地勢十分陡峭，局部近直立。場區的水文地質條件較復雜，水系分布密集，通過查閱相關地質水文資料，地下水類型主要有第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水（圖2）。

2 有限元計算模型

2.1 分析斷面的選取

擬建安寨坪2號橋橋樁基位置地形高陡，在暴雨、地震等因素的影響下，存在施工安全隱患，取坡體地勢較差的“Y”型沖溝剖面（坡度較陡處約60°，將整體全部考慮為風化巖），利用MIDAS-GTS有限元軟件對自然斜坡剖面穩定性進行定量分析，為現場施工提供一定的分析數據支撐。場區地形地貌如圖3所示。

2.2 邊坡數值模型

在該剖面上修挖安寨坪2號橋橋梁樁基，會對邊坡坡體進行施工擾動，造成邊坡應力的重分布，從而影響邊坡的穩定性，因此本文對開挖切腳的邊坡進行穩定性分析，按照設計院設計圖說明，在標高約750 m處向邊坡坡內側開挖大概3 m，向下開挖樁徑為2.2 m的橋梁樁基，利用MIDAS-GTS有限元分析軟件建立坡體網格劃分圖，對其穩定性進行分析，并利用軟件施工階段助手功能，對橋梁樁基開挖施工進行簡單數值模擬。其模型網格劃分如圖4所示。

在MIDAS-GTS的計算中，邊坡風化巖土層采用的是莫爾-庫倫（Mohr-Coulomb）彈塑性材料模型，具體參數如表1所示。

2.3 計算方法

本文應用強度折減法計算邊坡的穩定系數，通過MIDAS-GTS巖土軟件假定不同的折減系數對邊坡巖土體強度參數c和tanφ進行折減，削弱其值使單元應力達到屈服或超出屈服，如果計算的結果收斂時土體處于穩定狀態，然后繼續增加折減系數，直到計算的結果出現不收斂時，表示邊坡發生破壞，此時的折減系數就是邊坡的安全系數Fs。

c′=cFs（1）

′=arctan（tanφFs）（2）

式中：Fs為強度折減系數；c、φ為實際抗剪強度參數；c、φ為折減后的抗剪強度參數。

2.4 邊坡穩定性

由邊坡穩定性分析（SRM）（圖5）可以看到，切坡后的邊坡穩定系數為1.151 6，并且坡體的軟弱滑移面在切坡面上方，整個邊坡的應力集中點在切坡坡腳處，由此可以分析出，在位于斜坡路段樁基施工時應盡量減小對邊坡的擾動，保持原土體的穩定，對斜坡上本身不穩定的碎屑塊石應適當清除，必要時適當對邊坡進行防護，同時做好切坡邊坡的監測測量，確保其穩定性。

3 樁基開挖施工階段模擬

3.1 開挖參數

本次樁基開挖的樁徑為2.2 m，施工階段模擬將開挖深度控制在1 m一個循環，同時跟上20 cm厚C30混凝土護壁，反復循環30次，向下開挖30 m，通過MIDAS-GTS施工階段助手對每個樁基開挖階段進行有限元數值模擬，查看每個施工階段邊坡x方向位移云圖。其C30混凝土材料參數如表2所示。

3.2 結果分析

在孔口左上方設A監測點，右下方設B監測點，通過MIDAS-GTS軟件提取樁基開挖中各分步的x方向位移計算結果，如圖6～圖9所示。

通過邊坡x方向位移云圖可以明顯看出，開挖后邊坡位移變化較大處在樁基施工開挖前10步，特別是孔口上方斜側坡腳位置以及順坡向下側向孔壁旁，這些位置在受到施工擾動后，由于邊坡上的位移增速塊，坡上碎屑塊石很容易發生滾動滑落，對施工的安全造成威脅；隨著樁基開挖的進行，整個坡體下部的側向位移在減小并逐漸趨于平穩，A點在第10步的位移值為2.37 cm，B點在第10步的位移為2.58 cm，由此說明在模擬的樁基開挖過程中，樁基上部結構的施工風險較下部結構高，施工過程中需要重點注意防護的是樁基上部位置；由坡體現場實拍圖結合有限元應力分析云圖，安寨坪2號橋旁地形陡峭，地形地貌很復雜，多處跨碎屑沖溝地帶，并且碎屑塊石分布廣、方量大，在進行橋梁樁基施工前很難將坡面表層碎石清理干凈，因此在該處進行樁基施工的風險極高。

4 結論

（1）擬建安寨坪2號橋地理位置大概屬北緯28°10′～28°11′，東經103°27′～103°28′，海拔高程在672～946 m，平均坡度大概為45°，基巖裸露部分近乎垂直。

（2）由MIDAS-GTS對切坡后的邊坡穩定性進行了分析結，擬建安寨坪2號橋旁邊坡整體處于基本穩定狀態，整個邊坡的應力集中點在切坡坡腳處，因此在對邊坡進行開挖時要注意對切坡坡腳的防護。

（3）通過MIDAS-GTS施工階段模擬結果，開挖后邊坡位移變化較大處在樁基施工開挖前10步，特別是孔口上方斜側坡腳位置以及順坡向下側向孔壁旁，這些位置在受到施工擾動后，邊坡上的碎屑塊石很容易發生滾動滑落，對施工的安全造成威脅，建議對離孔口近的位置進行必要的工程防治處理。

參考文獻

［1］ 田世寬，李盼盼. 山區復雜地形峽谷橋梁樁基及墩柱結構的施工技術［J］. 筑路機械與施工機械化，2019，36（8）：97-99+106.

［2］ 陳國慶，黃潤秋，石豫川，等. 基于動態和整體強度折減發的邊坡穩定性分析［J］. 巖石力學與工程學報，2014，33（2）：243-256.

［3］ 鄭穎人. 巖土數值極限分析方法的發展與應用［J］. 巖石力學與工程學報，2012，31（7）：1297-1316.

［4］ 程宏，李東陽，王少凡，等. 復雜地形下樁基開挖方案探討［J］. 四川水泥，2020（10）：176-177.