胡桂林 熊承仁 廖春梅

(1.中國地質大學教育部長江三峽庫區(qū)地質災害研究中心，湖北 武漢 430074； 2.中國地質大學馬克思主義學院，湖北 武漢 430074)

2.Marxism Institute, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

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某擬建跨江大橋橋位岸坡穩(wěn)定性研究

胡桂林1熊承仁1廖春梅2

(1.中國地質大學教育部長江三峽庫區(qū)地質災害研究中心，湖北 武漢 430074； 2.中國地質大學馬克思主義學院，湖北 武漢 430074)

在研究某擬建跨江大橋橋位區(qū)工程地質條件的基礎上，采用GeoStudio軟件分析了橋墩荷載施加及庫水位變動情況下岸坡的穩(wěn)定性，結果表明：橋墩荷載施加后，主橋墩處的應力及位移改變顯著，斜坡穩(wěn)定性情況較好；在庫水位升降作用下，斜坡穩(wěn)定性進一步變差，整體穩(wěn)定性尚滿足要求。

跨江大橋，橋位，岸坡，穩(wěn)定性，GeoStudio

0 引言

擬建跨江大橋位于湖北省巴東縣水布埡鎮(zhèn)水布埡水庫庫區(qū)內，距水布埡大壩約1.8 km。主橋擬采用單跨雙絞鋼桁架懸索橋，全長561 m，主跨420 m，橋墩采用樁基礎方案，橋荷重大，安全等級高。為確保大橋安全穩(wěn)定并為設計提供科學依據(jù)，在對橋位區(qū)工程地質條件研究的基礎上，采用有限元分析軟件GeoStudio建立橋位區(qū)二維計算模型，計算了橋荷載施加后及庫水位變動情況下岸坡的位移場及變形場，并對其穩(wěn)定性進行了綜合分析。

1 橋位區(qū)工程地質條件

區(qū)域地貌形態(tài)屬于鄂西剝蝕中山區(qū)峽谷地貌，橋位區(qū)河谷深切，地形上構成“V”形峽谷。岸坡基巖地層表現(xiàn)出明顯的軟硬相間的特征，如棲霞組第3，8，13段為相對較軟的泥質灰?guī)r或泥質灰?guī)r。軟硬相間的物理力學特性往往導致結構面發(fā)育的非均勻性和產(chǎn)狀的折射現(xiàn)象。北岸臨坡面巖層產(chǎn)狀約76°∠13°，南岸臨坡面巖層產(chǎn)狀約60°∠10°。北岸為近水平的斜逆向基巖岸坡，南岸為平緩的斜順向基巖岸坡。通過現(xiàn)場節(jié)理統(tǒng)計及室內結構面網(wǎng)絡模擬結果可知，橋位區(qū)主要發(fā)育有三組結構面[3,4]。

岸坡陡崖處卸荷帶寬約10 m～30 m。卸荷帶總體平行坡面發(fā)育，平均寬度15 m～20 m。受卸荷作用影響，與坡面近于平行的一組高陡裂隙張開。卸荷帶追蹤裂隙、斷層和層面而生成。水布埡水庫死水位350 m，正常高水位400 m，消落帶高度50 m，橋墩位于400 m水位線附近，橋梁岸坡受到水位變動的影響?？偠灾?，該橋位區(qū)岸坡是被優(yōu)勢結構面切割的涉水軟硬相間的高陡卸荷層狀巖體斜坡。此外，坡體內尚有巖溶發(fā)育。

2 橋位區(qū)二維數(shù)值模型

為保證大橋建成后邊坡和橋墩基礎的穩(wěn)定，采用數(shù)值模擬的方法對邊坡和橋墩基礎進行應力變形分析和穩(wěn)定性分析。數(shù)值模擬研究依據(jù)前期勘察資料所提供的典型工程地質剖面、巖土體物理力學性質以及設計的荷載條件進行。

2.1 數(shù)值模擬方法

采用GeoStudio巖土工程仿真軟件的SIGMA/W，SLOPE/W和QUAKE/W模塊進行。SIGMA/W為巖土體應力和變形有限元分析軟件，全面支持巖土材料本構模型，可以分析高度復雜的巖土有效應力問題。SLOPE/W為專業(yè)的邊坡穩(wěn)定性分析軟件，可用極限平衡理論對不同材料類型、復雜地層和各種滑移面形狀的邊坡進行建模分析，其獨特之處是將有限元法和極限平衡理論進行結合，通過多種評價方法對邊坡穩(wěn)定性進行有效的計算。QUAKE/W為專業(yè)的地震響應分析軟件，可對地震沖擊波、爆炸產(chǎn)生的動荷載等作用下的巖土動力問題進行分析計算。

2.2 建立數(shù)值模型

以橋梁中心線剖面作為建模剖面，根據(jù)庫岸斜坡節(jié)理裂隙調查與分析結果，斜坡內部一定深度內發(fā)育的陡傾角卸荷裂隙對岸坡穩(wěn)定性的影響較大。為了更好地反映實際情況，在模型地表一定深度范圍內設置均布的卸荷裂隙模型。裂隙分布間距取15 m，裂隙延伸受相對軟弱地層控制，僅貫穿相對較硬的地層。為了簡化模型，根據(jù)地層巖性特征將模型材料分為四種，其中Plq第1，3，8，10，13，15段歸為一種相對軟弱層，Plq第2，4，5，6，7，9，11，12，14段歸為一種材料，D+C+Plm+P1ma歸為一種材料，橋墩和錨錠歸為一種材料，如圖1所示為二維數(shù)值模擬模型。

2.3 計算工況與荷載條件

橋岸邊坡和橋基所受的荷載主要包括橋梁荷載和庫水荷載，其中橋梁荷載取決于設計方案。模擬計算工況如下：1)天然工況，即橋梁岸坡處于天然含水量并不受附加荷載時的狀態(tài)，計算時所使用的材料抗剪強度取天然狀態(tài)時的參數(shù)(下同)；2)橋梁荷載工況；3)橋梁荷載+水位上升與暴雨工況；4)橋梁荷載+水位上升與暴雨+地震工況，本次數(shù)值模擬地震工況采用0.1g峰值加速度進行計算。

2.4 巖土體物理力學參數(shù)

參與計算的巖土體物理力學參數(shù)根據(jù)室內試驗、原位試驗以及項目附近區(qū)域類似工程地質條件的經(jīng)驗參數(shù)綜合確定。具體材料物理力學參數(shù)如表1所示。

3 數(shù)值模擬結果及分析

3.1 岸坡和橋墩的應力與變形分布

岸坡和橋墩基礎的應力與變形分析基于SIGMA/W軟件進行[6,7]。如圖2所示，計算結果顯示施加荷載后，樁端巖體的應力莫爾圓在抗剪強度包絡線下方，即基礎穩(wěn)定未發(fā)生破壞。承臺頂最大位移10.7 mm，最大水平位移3.2 mm，最大垂直位移10.6 mm。

3.2 岸坡和橋墩基礎的穩(wěn)定性分析

表1 巖土體物理力學參數(shù)

岸坡和橋墩基礎的穩(wěn)定性分析基于SLOPE/W軟件進行。結合SIGMA/W的應力分布計算數(shù)據(jù)和相應的摩爾—庫侖破壞準則，SLOPE/W軟件可自動搜索或人工定義岸坡和橋墩基礎的潛在破壞面，并根據(jù)多種計算方法評價不同潛在破壞面的穩(wěn)定性系數(shù)。根據(jù)裂隙和軟弱層的分布與組合關系，假定岸坡存在由表及里的多層潛在破壞面(如圖1所示)，分別計算了9組～11組潛在破壞面的穩(wěn)定性系數(shù)，不同工況下各組潛在破壞面的穩(wěn)定性系數(shù)計算結果見表2。在工況4下，北岸、南岸最危險潛在滑動面的穩(wěn)定性系數(shù)隨時間的變化曲線分別見圖3。根據(jù)GB 50330—2002建筑邊坡工程技術規(guī)范相關規(guī)定，不同安全等級邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)應不小于相關規(guī)定，否則應對邊坡進行處理。

表2 不同工況各潛在破壞面穩(wěn)定性系數(shù)

根據(jù)擬建跨江特大橋工程性質，其邊坡工程應定為一級邊坡，

即邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)應大于1.35。結合邊坡不同工況的穩(wěn)定性系數(shù)計算結果可知，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)滿足規(guī)范要求。但由于該項目區(qū)域地質條件復雜，溶洞、卸荷裂隙發(fā)育較強烈，且該工程破壞后果較嚴重。綜合判斷，就橋基邊坡穩(wěn)定性而言，安全儲備較高[9,10]。

3.3 不同水位條件下岸坡穩(wěn)定性分析

由于橋位岸坡處于水布埡水庫周期性水位變化狀態(tài)下，其中最高庫水位約400 m，最低水位約350 m。為了分析不同水位條件下岸坡穩(wěn)定性變化情況，分別對最高水位和最低水位狀態(tài)的橋梁岸坡進行穩(wěn)定性模擬計算。

數(shù)值模擬過程中水位線以下的巖體采用浮容重和飽和抗剪強度參數(shù)，水位線以上的巖體采用天然容重和天然抗剪強度參數(shù)。最高水位和最低水位時的岸坡穩(wěn)定性系數(shù)均大于3.00。岸坡在高水位時的穩(wěn)定性系數(shù)均低于低水位狀態(tài)。但水位上升對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響較小，高水位造成的岸坡穩(wěn)定性系數(shù)降低值小于0.2左右。

4 結語

1)本場地巖體主要由二疊紀灰?guī)r組成，現(xiàn)場地質調查與鉆探、物探資料分析表明，除局部巖溶發(fā)育外，巖體完整性較好，強風化帶一般厚約5 m～10 m，其下中風化和微風化巖石強度較高。橋位區(qū)無影響橋梁場地及岸坡穩(wěn)定的重大不良地質現(xiàn)象發(fā)育，初步判斷場地穩(wěn)定、岸坡穩(wěn)定，適宜本橋梁方案的建設。

2)基于GeoStudio對橋墩荷載施加后及庫水位變動情況下岸坡穩(wěn)定性進行了綜合分析，結果表明橋墩荷載施加后，主橋墩處的應力及位移改變顯著，斜坡穩(wěn)定性情況較好；在庫水位升降作用下，斜坡穩(wěn)定性進一步變差，但整體穩(wěn)定性尚滿足要求。

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[9]JTG C20—2011,公路工程地質勘察規(guī)范.

[10]GB 50021—2001,巖土工程勘察.

Study on bank slope stability of a proposed cross-river bridge

Hu Guilin1Xiong Chengren1Liao Chunmei2

(1.ThreeGorgesResearchCenterforGeo-hazard,MinistryofEducation,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China；

Based on studying proposed river-crossing bridge site engineering geology conditions, GeoStudio software is using to analyze the slope stability after the bridge pier load applied and the water level change. Studies show that, after the bridge built, the stress and displacement around bridge piers change greatly, and the slope stability is well, slope further deteriorates in water level fluctuation effects, but the overall stability still meet the requirements.

river-crossing bridge， bridge site, bank slope, stability, GeoStudio

2.MarxismInstitute,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

1009-6825(2015)21-0133-02

2015-05-13

胡桂林(1987- )，男，在讀碩士； 熊承仁(1965- )，男，博士，副教授； 廖春梅(1989- )，女，在讀碩士

U443.1

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