北盤江大橋推薦橋位安龍岸邊坡穩定性分析

李和志 , 葛莎, 賀建清, 梅松華, 葉智淼

(1.湖南城建職業技術學院市政與路橋工程系, 湘潭 411104; 2.湖南科技大學土木工程學院, 湘潭 411201; 3.中南電建集團中南勘測設計研究院有限公司, 長沙 410014)

自然界中的邊坡常常處于一個維持自身穩定的狀態,即內部的抵抗力不小于外部擾動力,而內部抵抗力和外部擾動力則隨著邊坡形狀、施加在邊坡的外力的改變而發生動態變化。如果在外力擾動較為強烈的情況下,邊坡容易出現失穩,進而導致破壞[1],所以邊坡穩定性的分析與評價極其重要。邊坡穩定性分析與評價是邊坡工程領域的重點工作之一。

邊坡穩定性分析與評價一般從定性與定量兩個角度開展,諸多學者在這個方面取得了較多的研究成果,如張小榮等[2]采用COMSOL Multiphy-sics數值模擬軟件,基于水-熱-力三場耦合作用下,分析了季凍區根-土復合體邊坡穩定性。周粲銘等[3]采用Geo-studio軟件建立降雨入滲錨桿加固多級邊坡的流固耦合有限元分析模型,研究了錨桿加固多級邊坡的穩定性變化規律,及錨桿受力特性。宋健等[4]利用拉格朗日連續介質法(fast lagrangian analysis of continua,FLAC)有限差分軟件對不同邊坡進行地震穩定性數值模擬,對比分析不同強度地震力作用下均質土體、分層土體和含軟弱夾層土體邊坡的滑動面演化過程和永久變形分布特征。李志強等[5]基于模糊層次分析法(fuzzy analytic hierarchy process,FAHP)與集對分析法(set pair analysis,SPA)建立了邊坡穩定性評價模型,將該方法應用于重慶市某岸坡穩定性分析。王長虹等[6]采用貝葉斯方法校準 (soil-water characteristic curve, SWCC)模型參數,量化不同SWCC模型估計的不確定性,再使用隨機場理論,描述飽和滲透系數,聯合隨機統計特征討論非飽和滲透系數空間變異性對邊坡穩定性的影響。以上方法對于不同邊坡的穩定性的分析具有一定的幫助,但計算過程相對比較復雜,工作量比較大。

由于邊坡工程所處的地質和水文環境千差萬別,不同邊坡需要根據現場的實際情況,采取科學合理的邊坡穩定性分析方法。在前文諸多學者的研究基礎上,為了簡化計算過程,現提出在北盤江大橋推薦橋位安龍岸邊坡工程地質分析的基礎上采用Slide.v6007、Phase2 V9.0邊坡穩定分析計算軟件和FLAC3D軟件對安龍岸邊坡進行二維和三維穩定性計算,從定量分析的角度進一步分析和評價安龍岸邊坡的穩定性。

1 工程概況

六枝至安龍高速公路位于貴州省西南部,路線起點位于六枝特區城區南部的同云村,與都香高速公路(G7611)對接,設置樞紐互通立交實現交通流轉換;終點位于安龍縣西南側木咱鎮,與汕昆高速公路(G78)對接,設置T型樞紐互通立交實現交通流轉換,路線整體呈南北走向。擬建的北盤江大橋橋址區位于關嶺縣鎮科力寨村至貞豐縣村,大橋沿線處于構造侵蝕河谷工程地質區,跨越了北盤江。大橋初步設計的推薦橋位為K線方案一,采用1 366 m單跨吊簡支體系,主纜間距為27 m;吊索在鋼桁架梁上的橫向錨固距離是27 m;順橋向標準吊索距離是15.2 m。六枝岸(也稱南岸)引橋布置為45 m+70 m+45 m預應力混凝土剛構橋,安龍岸(也稱北岸)引橋布置為[6×40+(70+130+70)+5×40] m的預制T梁+預應力混凝土剛構橋。

根據工程地質分析,北盤江大橋推薦橋位安龍岸邊坡可能的變形破壞模式是以邊坡坡腳切割出露巖層為潛在不穩定巖體,易于在順層面方向形成平面型滑動破壞,以及由于巖體節理、層面、各種裂隙切割形成的楔形體的滑移和局部塊體掉塊、崩塌,施加工程荷載后存在發生局部邊坡順層面滑動破壞的可能性[7]。

2 邊坡巖土體力學參數

邊坡巖土體力學參數的確定是邊坡穩定性分析的關鍵步驟之一。結合推薦橋位區工程地質條件和巖體結構特征、采用Hoek-Brown建議的經驗公式[2]、類比相關工程經驗并參考現行的《公路路基設計規范》(JTG D30—2015)、《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487—2008)、《水電水利工程邊坡設計規范》(SL 386—2007)等規范文件,綜合大橋初步設計地勘單位的建議參數,表1提出了北盤江大橋推薦橋位區巖土體參數推薦值[8]。

3 計算工況與荷載

計算工況采用5種,分別為:①自然狀態下(工況1)邊坡的安全系數;②自然狀態+地震作用下(工況2)邊坡的安全系數;③巖體自重+橋梁荷載作用下(工況3)的邊坡安全系數;④巖體自重 + 橋梁荷載 + 地震作用下(工況4)的邊坡安全系數;⑤巖體自重+橋梁荷載+暴雨下(工況5)的邊坡安全系數。

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2015),北盤江大橋抗震設計按照Ⅶ設防,反應譜特征周期0.40 s,地震加速度取0.1g(g為重力加速度)[9]。按照《水利水電工程邊坡設計規范》(SL 386—2007)附錄D.2的要求算出地震慣性力[10]。利用折減巖土體強度參數的方式來模擬暴雨工況,其折減系數為0.85。

在計算過程中,因為邊坡二維極限平衡計算中所選取的寬度是單位寬度。所以要按照承臺單位寬度承受的荷載來計算承臺底部的荷載。在極限平衡分析時,對單位寬度剪力與單位寬度軸向壓力進行合成,再按照兩者的合力方向作用在承臺的底部。具體值如表2所示。

表2 巖體自重+橋梁荷載Table 2 Gravity of rock mass + bridge loadings

4 邊坡穩定性二維分析

采用Rocscience公司的Slide.v6007和Phase2 V9.0邊坡穩定分析計算軟件對推薦橋位安龍岸邊坡在不同工況下進行二維極限平衡分析和二維有限元分析。計算分析選用的參數如表1和表2所示。

4.1 二維地質概化模型

因為不同情況的邊坡可能發生的失穩情形是各不相同的,所以需要綜合考慮工程地質條件以及計算的要求來建立工程地質概化模型?；谕扑]橋位的主要水平荷載分為順橋軸向和垂直于橋軸線的兩個方向,因此在二維穩定性分析時,順橋軸向方向選擇平行于橋軸線縱剖面;橫橋向方向選擇方位角335°剖面(索塔位置巖層傾向方向,與垂直于橋軸線橫斷面的夾角為18°,計算橋梁荷載按照垂直于橋軸線方向的最不利荷載施加)。邊坡穩定性計算的地質縱剖面、橫斷面及計算概化模型如圖1～圖3所示。

圖1 平行于橋軸線邊坡工程地質剖面Fig.1 Slope engineering geological section parallel to the bridge axis

圖2 垂直于橋面軸線邊坡工程地質剖面Fig.2 Engineeringgeological profile of slope perpendicular to bridge axis

圖3 邊坡計算概化模型Fig.3 Slope calculation generalized model

4.2 邊坡穩定性二維計算分析

運用二維極限平衡分析法分別對安龍岸平行于橋軸線縱剖面邊坡和垂直于橋軸線邊坡進行穩定性分析。首先在不同工況下指定層面搜索潛在的滑裂面,再依次利用 Morgenstern-Price(M-P)法、Janbu法、Bishop法來計算邊坡的穩定性安全系數,取其中安全系數值的最小值為邊坡計算安全系數。表3和表4分別為5種不同工況下邊坡的二維極限平衡分析的計算結果。選取工況2(自然狀態+地震作用)下安龍岸邊坡潛在滑裂面示意,如圖4所示。

圖4 工況2作用下安龍邊坡潛在滑裂面示意圖Fig.4 Schematic diagram of potential slip surface of Anlong slope under condition 2

表3 平行于橋軸線縱剖面邊坡安全系數Table 3 Slope safety factor of longitudinal section parallel to bridge axis

表4 垂直于橋軸線邊坡安全系數Table 4 Slope safety factor perpendicular to bridge axis

5 邊坡穩定性三維分析

采用FLAC3D6.0軟件對推薦橋位安龍岸邊坡在不同工況下進行三維有限差分分析。計算分析選用的參數如表1和表2所示。

5.1 三維地質概化模型

根據工程地質條件建立三維地質概化模型。模型坐標系以索塔中心為原點,以垂直橋軸線位為X軸,以平行橋軸線方向為Y軸(方位角47°,以指向安龍側為Y軸正向),以豎直方向為Z軸(向上為正)。計算范圍為X軸向兩邊各延伸300 m,Y軸向北側延伸900 m,向南側延伸700 m,Z軸從高程400 m至地表。計算模型的尺寸是600 m×1600 m×480 m,采用四面體、五面體、六面體混合網格單元進行離散,共劃分249 346個單元,45 730個節點,三維網格如圖5所示。

圖5 三維計算模型網格Fig.5 Three-dimensional computational model grid

在三個相鄰的邊坡剖面設置數值位移與速度的監測點(圖6)。根據數值位移與速度的監測點在強度折減計算中的速度和位移的收斂情況來判定邊坡的臨界安全系數,這個臨界安全系數就是邊坡三維穩定性分析的計算安全系數。

圖6 三維計算模型中位移與速度監測點Fig.6 Displacement and velocity monitoring points in three-dimensional calculation model

計算時所施加的邊界約束條件:地表為自由邊界;其他各面為固定邊界。計算結果中,以拉應力為正,壓應力為負。在三維計算過程中,巖體自重+橋梁荷載(壓力、剪刀)以面力形式施加到橋梁索塔及錨碇基坑底面,邊坡三維穩定性計算工況與二維計算相同。

5.2 邊坡穩定性三維計算分析

在不同工況下,邊坡表面各監測點位移及速度變化特征用邊坡數值監測結果與折減系數關系曲線來表示,具體做法是以位移及速度大小為縱坐標,強度折減系數為橫坐標,不同顏色的曲線代表邊坡表面位置不同的監測點,建立邊坡數值監測結果與折減系數關系曲線。邊坡不同部位變形響應的差異指示了邊坡不同部位穩定性的區別。限于文章篇幅,列舉工況2(自然狀態+地震作用)的邊坡數值監測結果與折減系數關系曲線(圖7)。

圖7 工況2作用下邊坡數值監測結果與折減系數關系曲線Fig.7 The relationship curve between slope numerical monitoring results and reduction coefficient under working condition 2

根據邊坡數值監測結果以及折減系數關系曲線中監測點開始出現不收斂情況,速度和位移接近同時發散特征,綜合判定5種不同工況下邊坡穩定性的計算安全系數。如工況2(自然狀態+地震作用)下邊坡監測點在1.4左右出現不收斂情況,速度和位移接近同時發散特征,可以綜合分析,判斷其計算安全系數為1.4。用同樣的方法判斷其他工況下的計算安全系數,分別是工況1(自然狀態)為2.00,工況3(巖體自重+橋梁荷載作用)為2.00,工況4(巖體自重+橋梁荷載+地震作用)為1.40,工況5(巖體自重+橋梁荷載+暴雨)為1.45。

以臨界狀態總位移和剪切應變的方式建立邊坡在失穩狀態下的潛在滑動面,可以看出邊坡各剖面的失穩模式基本上是以近似圓弧的形狀整體失穩的,失穩的模式與二維穩定性分析獲取的基本一致。圖8和圖9為工況2(自然狀態+地震作用)安龍邊坡失穩狀態下各剖面潛在滑面示意圖。

位移量值僅示意梯度圖8 工況2作用下邊坡失穩狀態下各剖面總位移分布Fig.8 The total displacement distribution of each section under the condition of slope instability under working condition 2

圖9 工況2作用下邊坡失穩狀態下各剖面潛在滑面示意圖(最大剪切應變集中帶)Fig.9 The schematic diagram of potential sliding surface (maximum shear strain concentration zone) of each section under the condition of slope instability under condition 2

6 邊坡穩定性安全系數對比

中國各行業邊坡安全系數的取值標準與邊坡的重要性級別、破壞后造成的生命財產損失、社會影響、環境影響、治理與加固費用以及運用條件等因素密切相關。各行業邊坡安全系數的取值在1.05～1.50;其中工程邊坡在設計中,安全系數大致的取值范圍在1.20～1.50[11-15]。

綜合考慮北盤江大橋推薦橋位安龍岸工程地質條件和工程本身的重要性等級等因素,將安龍岸不同工況下的邊坡安全系數設計標準定為:工況1(自然狀態)、工況3(巖體自重+橋梁荷載作用)條件下1.35,工況2(自然狀態+地震作用)、工況4(巖體自重+橋梁荷載+地震作用)條件下取1.10,工況5(巖體自重+橋梁荷載+暴雨)條件下取1.20。各工況條件下二維、三維穩定性分析的安全系數如表5所示。二維分析計算安全系數和三維分析計算安全系數均符合一般規律,且均大于安全系數設計標準。

表5 邊坡穩定性計算結果對比Table 5 Comparison of calculation results of slope stability

7 結論

采用二維極限平衡分析和三維有限差分方法對北盤江大橋安龍岸邊坡的穩定性進行分析,得到如下結論。

(1)北盤江大橋推薦橋位安龍岸邊坡5種工況下的計算安全系數均大于安全系數設計標準,說明該邊坡是穩定的,并且有一定的安全裕度。

(2)受三維方向的約束作用,三維分析的計算安全系數相對于二維分析的計算安全系數大。

(3)該邊坡穩定性計算方法簡單,效率較高,計算結果為北盤江大橋推薦橋位的初步設計提供了較為合理的依據。