基于UDEC的橋基順層邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

車鐵成 龔洪葦 簡波 鄧濤 王陳賓 顧義

【摘 要】?橋基邊坡穩(wěn)定性直接關(guān)系到橋梁的施工與運營安全，山區(qū)橋梁基礎(chǔ)位于順層巖質(zhì)邊坡之上時形成橋基順層邊坡，其穩(wěn)定性受到橋基荷載的影響，是工程界關(guān)注的熱門問題。文章利用UDEC離散元軟件對山區(qū)橋基順層邊坡的穩(wěn)定性進行模擬分析。通過對橋基荷載施加前后順層邊坡的坡體位移與應(yīng)力時程曲線變化規(guī)律對邊坡穩(wěn)定性進行評價，模擬計算結(jié)果表明：橋基荷載施加前后順層邊坡整體有沿著層理面發(fā)生滑動的趨勢，滑裂面近似為直線形且最危滑裂面位于坡腳處。天然狀態(tài)下的順層邊坡只受到重力作用，坡腳處應(yīng)力集中，坡體內(nèi)部應(yīng)力隨深度增大而增加;當(dāng)施加橋梁荷載后橋基下方局部范圍內(nèi)巖體的應(yīng)力顯著增大，邊坡各處位移均有增加，但仍滿足規(guī)范對于邊坡安全性的要求。

【關(guān)鍵詞】順層巖質(zhì)邊坡; 橋基荷載; 數(shù)值模擬; 位移; 應(yīng)力; 穩(wěn)定性

隨著我國西部大開發(fā)以來，西部山區(qū)公路交通得到快速發(fā)展，在大規(guī)模的公路建設(shè)中，要穿越各種復(fù)雜地形地貌[1-2]，為保障線形要求，橋梁工程被大量使用，使得部分橋基不可避免地位于順層邊坡之上，由于橋基邊坡穩(wěn)定性對施工以及運營安全的影響，一直以來是受到工程界的關(guān)注。部分學(xué)者對橋基邊坡穩(wěn)定性進行了研究，羅彥彪[3]、趙亞飛[4]采用簡化Bishop法和Morgenstern price法，而張愛軍[5]、鄒啟賢[6]通過有限元強度折減數(shù)值法進行分析。劉佑榮[7]進一步將塊體極限平衡理論與非線性彈塑性有限元相結(jié)合分析橋基斜坡穩(wěn)定性。ZHAN Zhi-feng[8]利用工程地質(zhì)方法分析橋基荷載作用下峽谷區(qū)邊坡的穩(wěn)定性。張雷[9]利用FLAC和ANSYS數(shù)值軟件分析橋基荷載的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。另有部分學(xué)者研究了順層邊坡的穩(wěn)定性，高永濤[10]、閆佐菲[11]、楊博[12]對順層巖質(zhì)邊坡變形破壞過程以及穩(wěn)定性開展數(shù)值分析，而楊博[12]考慮了橋基荷載下的順層邊坡穩(wěn)定性。

目前學(xué)者研究岸坡穩(wěn)定性分析主要對橋基荷載或順層邊坡進行單因素分析，而對兩因素綜合比較分析橋基順層邊坡穩(wěn)定性研究仍然較少。因此，本文結(jié)合實際工程，利用UDEC離散元數(shù)值模擬軟件對橋基荷載施加于順層巖質(zhì)邊坡之上的穩(wěn)定性進行計算分析，對比分析坡體位移與應(yīng)力的變化規(guī)律以及邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，以此對橋基順層邊坡整體穩(wěn)定性進行評價。

1 工程概況

某連續(xù)鋼構(gòu)橋位于會東縣大崇境內(nèi)金沙江左岸一級支流雀依河中下游的廟梁子附近，屬中高山地貌，地形起伏大，岸坡坡角25～ 55°，平均坡角40°。坡高826 m，兩岸基巖均出露，地層巖性為二疊系下統(tǒng)棲霞-茅口組灰?guī)r。邊坡上部覆蓋層厚2～5 m，主要為粉土質(zhì)礫，坡體基巖裸露，為中風(fēng)化灰?guī)r，巖層傾向N30°～50°W，傾角NE∠20°～30°，層理間距4～9 m（圖1）。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)測繪及鉆探、物探揭示，橋址區(qū)無大規(guī)模地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 計算模型

根據(jù)調(diào)查橋址區(qū)兩岸邊坡巖性及巖體結(jié)構(gòu)特性等實際工程地質(zhì)條件，假定邊坡巖體應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)槔硐霃椝苄缘谋緲?gòu)關(guān)系，巖體破壞服從C-M準則[13]。本文主要模擬順層巖質(zhì)邊坡施加橋基荷載作用對邊坡穩(wěn)定性的影響。依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)資料，對橋基邊坡進行簡化，其中橋基作用依據(jù)張雷[9]對橋基荷載作用后邊坡穩(wěn)定性分析的數(shù)值模型簡化，將橋基等效于作用力施加于邊坡之上，進而開展數(shù)值運算。故建立二維邊坡計算模型（圖2），邊坡模型尺寸為坡頂寬度100 m，坡高200 m，坡寬320 m，邊坡底部至邊界寬度為75 m，邊坡底邊界至底面為80 m，邊坡坡向40°;同時為計算方便，選取層理傾角為25°，層理間距按6 m且等厚層計算。采用UDEC離散元數(shù)值分析軟件，因計算范圍大，網(wǎng)格劃分較密，需對模型左右兩側(cè)加X方向約束，底部加Y方向約束（圖3）。為進一步分析施加橋基荷載前后的邊坡變化規(guī)律，將設(shè)四處監(jiān)測點進行時程分析，其中監(jiān)測點1、2分別為邊坡坡頂、坡腳處，監(jiān)測點2、3為橋基荷載施加的位置（圖2）。

2.2 計算參數(shù)

本次數(shù)值模擬參數(shù)是根據(jù)橋基邊坡的現(xiàn)場勘察資料以及類似工程的文獻查閱，綜合確定邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)（表1）。同時設(shè)定施加的橋基荷載為8×107 kN（監(jiān)測點2處F1=8×107 kN，監(jiān)測點3處F2=8×107 kN），橋基荷載方向為豎向，橋基荷載作用位置如圖2所示。

2.3 計算工況

本次邊坡模擬主要考慮兩種工況：

工況1：天然狀態(tài)下（僅受重力作用）;

工況2：橋基荷載+重力作用。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 最大不平衡力的收斂性

不管是天然狀態(tài)下的邊坡還是施加橋基荷載下的邊坡，進行離散元運算過程中都有一個內(nèi)力消散的過程，就是不平衡力的傳遞與分配過程[9]。當(dāng)外荷載作用于邊坡后，模型整體形成一個穩(wěn)定的力場，此時邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。若邊坡的最大不平衡力時程曲線不斷波動當(dāng)處于低谷時由于微小的擾動使得不平衡力隨時間增加而增大，塊體的速度及位移均產(chǎn)生明顯的變化。從圖4中可以看出隨著時步的增加最大平衡力由最大值逐步降低，最終趨近于零由此判斷邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)中。

3.2 位移變化

針對兩種邊坡模型開展離散元數(shù)值模擬，為此設(shè)置四處監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)時程監(jiān)測。由圖5邊坡位移變化時程曲線所示，各監(jiān)測點的位移變化趨勢基本一致，首先各監(jiān)測點位移變化由增大而趨于初次平穩(wěn)，后隨著時步增大而呈近線性增長，反觀坡腳位移變化增大而趨于穩(wěn)定，未出現(xiàn)大幅度增大的趨勢，原因在于邊坡坡腳處發(fā)生變形后受到下部巖體的阻擋。對天然狀態(tài)下的邊坡只因受重力作用，由監(jiān)測點2、3可知坡腰中部沿水平方向的位移變化最大，其位移分別達到4 mm、8 mm，坡腳處位移為7 mm，而坡頂初始階段變化較小，主要沿豎直方向位移變化最大可達到52 mm;當(dāng)施加橋基荷載于邊坡之上，由監(jiān)測點2、3可知施加作用力F1、F2位置的位移變化最大，其位移分別達到11 mm、9 mm，坡腳處位移為8 mm，沿豎直方向坡腰處位移最大可達到65 mm。區(qū)別于天然邊坡當(dāng)施加橋基荷載后，位移變化經(jīng)過初次平穩(wěn)階段后隨著時步增大位移有再次趨于平穩(wěn)的趨勢，究其原因在于施加橋基荷載后，坡體應(yīng)力重新分布，使得位移發(fā)生不同的變化規(guī)律。從圖5位移云圖所示不管是天然狀態(tài)下的邊坡還是施加橋梁荷載下的邊坡，邊坡整體主要沿著層理面發(fā)生滑動，滑裂面近似為直線形且最?；衙嫖挥谄履_處。

3.3 應(yīng)力變化

開展兩種工況下邊坡模型的離散元數(shù)值運算，對其應(yīng)力分布進行分析，由圖6邊坡應(yīng)力變化時程曲線可對各監(jiān)測點的應(yīng)力變化趨勢開展分析，從初始階段應(yīng)力波動至應(yīng)力的平衡。天然狀況下的邊坡受沿水平與豎直方向的應(yīng)力變化趨勢，各監(jiān)測點受力在初始階段的增大逐步趨于平衡后除坡腳位置均出現(xiàn)應(yīng)力遞減的趨勢變化，而坡腳處的應(yīng)力增加明顯。當(dāng)施加橋基荷載作用的邊坡應(yīng)力變化時程曲線，其各監(jiān)測點應(yīng)力變化范圍均大于自然邊坡的受力情況，位于坡腰和坡腳處的應(yīng)力變化較為明顯，而坡頂?shù)膽?yīng)力變化基本趨于穩(wěn)定。從圖7所示天然狀態(tài)下的邊坡應(yīng)力分布應(yīng)力變化主要集中于坡頂附近，當(dāng)施加橋梁荷載的邊坡應(yīng)力分布云圖，最大主應(yīng)力位于施加橋基荷載處。究其原因在于對于自然條件下坡體只考慮體力的影響，坡腳處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，坡體內(nèi)部應(yīng)力隨深度增加而增加;當(dāng)施加荷載后主要影響橋基荷載作用點下方一定范圍內(nèi)巖體的應(yīng)力狀態(tài)，對巖體應(yīng)力狀態(tài)影響深度較大;坡體內(nèi)部的應(yīng)力分布受層面影響較顯著。

3.4 穩(wěn)定性分析

由表2可知利用數(shù)值運算得到的天然邊坡下穩(wěn)定性系數(shù)FOS=1.61，而施加橋基荷載下后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)FOS=1.53，均滿足JTG D30-2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》中要求的最小界限，此時邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

將各監(jiān)測點的位移與應(yīng)力曲線進行分析，對邊坡整體而言應(yīng)力隨著位移的增大而趨于穩(wěn)定，產(chǎn)生位移變化較小而坡體受到的應(yīng)力變化較大，邊坡均趨于穩(wěn)定狀態(tài)。天然狀態(tài)下邊坡的坡腳處沿水平方向的應(yīng)力最大，隨著應(yīng)力增大位移出現(xiàn)遞增趨勢，坡頂和坡腰處的豎向位移變化較大，因坡腳處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，坡頂處受力主要受到順層邊坡巖體層面的影響較大;當(dāng)施加橋梁荷載后位移增大趨勢顯著，而坡頂處的位移-應(yīng)力變化較小，主要發(fā)生變化的位于坡腰處，與天然邊坡相比各監(jiān)測點的位移-應(yīng)力變化顯著，坡腳的變化最終趨于平穩(wěn)的趨勢，究其原因荷載作用下對坡體內(nèi)部一定范圍的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生影響，使得坡體內(nèi)部應(yīng)力重分布后使得位移-應(yīng)力變化較大。

4 結(jié)論

采用UDEC離散元軟件對實際工程的橋基順層邊坡穩(wěn)定性進行數(shù)值分析，建立兩種工況下數(shù)值模型，對比分析坡體的位移與應(yīng)力的變化規(guī)律以及邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

（1）橋基荷載施加前后順層邊坡整體有沿著層理面發(fā)生滑動的趨勢，滑裂面近似為直線形且最危滑裂面位于坡腳處。

（2）在天然狀態(tài)下邊坡主要受到層理面的顯著影響，當(dāng)施加橋基荷載后邊坡坡腰、坡頂與坡腳位移均有增加，邊坡的最大的主應(yīng)力位于橋基下部，橋基荷載的作用使得坡體內(nèi)部的應(yīng)力顯著增大。

（3）通過數(shù)值運算得到了兩種工況下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，其中天然狀態(tài)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.61，施加橋基荷載于邊坡之上后邊坡的定性系數(shù)降低為1.53，該橋基邊坡穩(wěn)定性滿足規(guī)范對于邊坡安全性要求。

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