高地震区桥基边坡稳定性数值模拟分析

袁梦雄 邓涛 谢荣凯 龚洪苇 郝作锐

[摘  要]：高地震区桥基边坡稳定性受到桥基荷载及地震作用的共同影响，其稳定性关系到施工以及运营安全是工程界关注的热门课题。文章以高地震区某桥基边坡实际工程为例，利用MIDAS GTS有限元软件对其稳定性进行模拟分析。通过对桥基荷载、桥基荷载+地震作用下2种工况下桥位的位移、应力和塑性区变化规律以及边坡稳定性系数分析，结果表明桥基荷载施加后边坡塑性区主要集中在边坡坡脚处，沿坡面向坡顶发展，主要汇于坡体表面;而增施动荷载后应力分布由内部逐渐衍生于整个坡体，其受到地震作用下的动荷载影响较大。由此得到不同工况下边坡变化规律，对该类工程的桥基边坡稳定性评价具有借鉴意义。

[关键词]：高地震区; 桥基边坡; 位移; 应力; 稳定性; 数值模拟

U443.1A

自我国西部大开发与“一带一路”的政策实施以来，西部山区公路交通得到快速发展，在大规模的工程建设中，要穿越各种复杂地形地貌[1-2]，为保证线形指标，桥梁工程的大量采用使得桥基位于边坡之上，不可避免地有众多桥基边坡工程，我国西部山区处于高地震区，建设过程中以及后期运营需要重视地震作用对桥基边坡稳定性的影响，桥基边坡稳定性的问题一直以来受到国内外学者的关注。罗彦彪等[3]、赵亚飞等[4]采用简化Bishop法和Morgenstern price法，而张爱军等[5]、李晓凡等[6]通过有限元强度折减数值法进行分析。王春雷等[7]、周火明等[8]进一步结合极限平衡分析方法对桥梁荷载作用下边坡岩体力学行为特征、规律及边坡破坏模式研究。刘佑荣等[9]将块体极限平衡理论与非线性弹塑性有限元相结合，分析桥位区斜坡稳定性，并预测建成后的发展趋势。李永军等[10]认为危险滑裂面止于桥桩基位置。进而部分学者考虑了地震作用下桥基边坡的影响，尹小涛等[11]、张友锋等[12]、吕大伟等[13]均开展了地震作用下的边坡有限元数值模拟对边坡稳定性分析。程强等[14]考虑了地震的影响，根据建立的边坡地质结构模型对桥位稳定性分析。Michalowski R L[15]采用静力法绘制出三维边坡稳定性曲线。陈蜀俊等[16]采用传递系数法对边坡在地震荷载作用下的稳定性进行计算分析。张八二[17]采用强度折减数值法和极限平衡法，对不同工况下的桥梁荷载、天然状态、暴雨状态、地震作用及共同作用时桥基边坡稳定性分析。郭长宝[18]通过图解法和弹塑性有限元数值模拟法对库岸高边坡在自重应力场作用、地震作用影响和蓄水后的桥位两侧应力变化及稳定性评价。

以上学者主要对桥基边坡整体稳定性分析，对地震与桥基荷载共同作用和只施加桥基荷载作用下的桥位处位移与应力变化规律分析研究较少。因此，本文结合实际工程，利用有限元数值模拟软件对地震与桥基荷载和仅施加桥基荷载两种工况作用下的位移与应力变化规律及桥基边坡稳定性系数，对桥基边坡整体稳定性进行评价。

1 工程概况

某连续钢构桥位于会东县大崇境内金沙江左岸一级支流雀依河中下游的庙梁子附近，属中高山地貌，地形起伏大，左岸高程826 m、右岸高程876 m，两岸基岩均出露，地层岩性为二叠系下统栖霞-茅口组灰岩。右岸岸坡上部覆盖层厚15～20 m，主要为粉土质砾，右岸岸坡下部及左岸基岩裸露，为中风化灰岩，岩体内多发育破碎带，沿构造发育溶蚀现象（图1）。依照我国地震烈度划分规则，高地震烈度区是按抗震设防烈度（即动峰值加速度）的区域统称，桥址区区域属抗震不利地段，場地类别为Ⅱ类（左岸及右岸岸坡下部为Ⅰ类），场地地震动峰值加速度αmax=0.20g，特征周期TS为0.45 s（图2）。根据现场地质测绘及钻探、物探揭示，桥址区无大规模地质构造发育。

2 计算模型的构建

根据调查桥址区两岸边坡岩性及岩体结构特性等实际工程地质条件，假定边坡岩体应力-应变为理想弹塑性的本构关系，岩体破坏服从C-M准则[19]。根据地质资料，主要模拟中风化灰岩层、桥基荷载受到地震力作用对边坡稳定性影响。故将对桥基边坡进行简化，建立数值模型（图3），模型尺寸为180 m×50 m×155 m，两桥基间距80 m，桩间距2.2 m，桩直径2.2 m，其桩长、上部承台宽度及部分桥墩尺寸依据工程设计图选取。采用MIDAS GTS有限元分析软件进行三维数值模拟，对模型施加自由场边界，同时输入地震波水平加速度和垂直加速度的时程曲线进行地震动力分析，设2处监测点进行时程分析（图4）。

2.2 计算参数

本次数值模拟参数是根据桥基边坡的勘察资料结合工程类比，综合给出边坡岩体以及C25混凝土的物理力学参数（表1）。其桩基和桥墩的计算参数，对每个桩基施加桩端承载力为4 000 kN，界面和桩-桩最终剪力为200 kN/m2，桥墩顶部施加均布荷载200 kN/m2。对模型施加自由场边界以及地震波输入（图4）。桥址区位于小江断裂带，故采用历史上小江断裂带的强震记录（地震动峰值加速度a=0.2g）进行详细解译，并截取其中1段作为动力荷载，所施加的加速度幅值为0.2g，地震持续作用时间10 s。为保证地震数据准确性，利用SeismoSignal软件进行滤波处理及机械校正，得到地震加速度时程曲线见图5，选用水平加速度和垂直加速度相同的动荷载。

2.3 计算工况

本次边坡模拟主要考虑2种工况。

工况1：桥基荷载作用下的边坡稳定性分析。

工况2：地震作用与桥基荷载共同作用下的边坡稳定性分析。

3 模拟结果与分析

3.1 应力及位移分析

由表2可知，针对2种工况下不同位置的位移及应力变化趋势进行对比分析。当施加动荷载后，在桥基周围区域明显出现应力集中，对X轴向、Z轴向的最大主应力达到1.329×104 kPa、4.168×104 kPa，明显比只施加桥基荷载下的应力值要高。由图6可知，在地震状态下坡体受力从坡体表面逐渐向坡体内部呈现递增的特征;而只施加桥基荷载时，因应力分布形式多数分布在坡体表面，其边坡模型最大应力的变化主要位于坡脚处。

随着地震作用下的动荷载施加后最大水平和竖向位移分别由+4.621 cm和+1.202 cm增加至+14.71 cm和+15.61 cm，此时最大位移位于近坡脚处。当只施加桥基荷载后监测点的位移变化较小均小于2 cm，但随着增施动荷载后，对监测点的位移变化影响较大，最大位移达到13.26 cm。从监测点1的变形位移大小及受到的应力变化相对于监测点2较小，原因在于桥基处出现应力集中且边坡坡脚处位于临空面在荷载的施加后，力的释放使得坡脚附近出现潜在的滑动面，使得该处受到的应力较大，需要释放的能量越多。

3.2 稳定性系数分析

从总体来看，边坡坡脚首先会发生塑性变形这与位移及应力云图中反映结果类似;从塑性区变化趋势来看，边坡塑性区会随着地震作用的施加，起于坡脚经坡体内部向坡顶逐步发展为潜在的破裂面。由图8（a）可知当桥基荷载施加后边坡塑性区主要集中在边坡坡脚处，沿坡面向坡顶，位于监测点1与监测点2之间形成潜在破裂面;图8（b）可知随着增施地震作用塑性区主要集中于坡角处，但应力分布由内部逐渐衍生于整个坡体，其受到地震作用下的动荷载影响较大。

根据数值模拟得到不同工况下边坡稳定性系数见表3。对于工况1边坡稳定性系数满足规范规定的安全稳定性系数;当增施地震作用时，针对工况2数值模拟的稳定性系数小于1，此时的边坡已发生破坏。因地震作用的复杂性，表明桥基边坡存在潜在的安全风险，应予以重视。

4 结论

对于高地震区某桥基边坡采用MIDAS GTS有限元软件对其稳定性进行数值模拟分析，建立了2种工况下的数值模型，对比分析桥位的位移、应力和塑性区变化规律以及边坡稳定性系数。

（1）在公路建设工程中，桥基荷载与地震作用对桥基边坡稳定性具有较大的影响，其中地震作用对桥基边坡稳定性的负面影响尤为显著。

（2）当施加地震动峰值加速度αmax=0.20g，特征周期TS=0.45 s，桥基边坡坡脚处应力集中，塑性区变化也主要分布于坡脚处，此时桥基边坡已发生破坏，对工程安全存在潜在的风险，故予以重视。

（3）通过数值方法对2种不同工况下桥基边坡稳定性分析，发现桥基边坡坡脚应力与位移变化明显，究其原因在于桥位处出现应力集中且坡脚处于临空面，随着施加荷载的增大需要释放的能量越大，使得坡体内部应力呈现出递增的特征。从塑性区来看，桥基边坡塑性区主要集中于坡脚处，而增施地震作用后坡体应力的分布由内部逐渐衍生于整个坡体，其受到地震作用下的动荷载影响较大。

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