基于LRFD设计理论的不良地质条件对桥梁结构可靠度的影响研究

邱山，王芳，李鹭阳

（宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州234000）

1 绪论

当前我国基础道路设施建设迅速发展，桥梁作为基础建设中最重要的一环，是保证道路工程连续的关键部位，这使得桥梁应当具有足够的承载和耐久能力。桥梁在设计建设过程中常常遇到各种危害，而不良的地质现象对桥梁结构影响是致命的，经常造成桥梁倒塌事故。不良的地质现象对桥梁构造有着巨大的影响，每年因为不良地质现象而倒塌的桥梁不计其数[1-2]。

此外，由于工程地质条件复杂多样，不同类型的桥梁对工程地质的条件的要求又不尽相同，表现出的地质工程问题又是多种多样的[3]。因此确切了解和掌握各类不良工程地质现象的本质及相应的防治方法，运用专业知识，科学合理的减少不良地质问题现象的发生，保证人们的生命财产安全刻不容缓。综合目前桥梁对于国家发展的重要性，以及不良地质现象对于桥梁结构的危害，文章基于LRFD设计理论，总结不良地质现象对桥梁结构可靠度的影响以及在具体的桥梁设计和施工过程中如何防治这些常见不良地质现象。

2 LRFD设计理论和可靠度理论

2.1 发展历程

美国在1921年开始编写公路桥梁设计规范，美国公路协会在1931年发表了《公路设计规范》，此规范中的设计原理为容许应力设计ASD。1980年后，规范中新增加了荷载系数设计方法LFD，继而荷载和抗力系数设计方法LRFD被越来越多的国家认可，此方法兼并容许应力设计法与可靠度理论的长处。LFRD设计方法[4-5]同时兼顾了抗力与荷载的随机性和偶然性，而且具有极高的实践价值。1994年第一版关于LRFD理论的规范——《AASHTO荷载和抗力系数桥梁设计规范》发表了，该规范以可靠度理论为指导，以最新的理论研究和工程实践成果为骨架，正式构建美国桥梁工程体系。此后，该规范不断的被修改和补充，目前最新版本是2010年第五版。

在LRFD设计方法中，通过以可靠度为基础可获得荷载与抗力之间的函数关系：

2.2 可靠度理论简介

可靠度是指结构在规定的时间和条件下，完成预定功能的概率[6]。可靠度理论要解决的问题是在设定结构所处的正常条件以及规定时间后，结构的安全性、适用性、耐久性是否符合规范要求。在结构可靠度分析中，第一步需设立结构相对应的功能函数，从而再确定结构构件或整体体系在极限状态下的方程。结构的功能函数可用以下变量表示：

令R表示结构抗力、S表示荷载效应，由于R、S均为随机变量，故结构功能函数Z也是随机变量，且有Z=R-S。

可靠指标β与失效概率Pf对应关系

可靠概率Ps指的是结构完成预定功能的概率，而失效概率Pf是结构不能完成预定功能的概率，可靠指标为β。已知随机变量Z=R-S的概率密度函数为fz（Z），见上图。

设结构的功能函数为Z，其均值、标准差和变异系数分别为μz、σz、δz，则可靠指标β为：

3 常见不良地质条件对桥梁的影响

3.1 不均匀沉降

不均匀沉降是指在同一结构中由于地基土质以及上部荷载的不均匀分布而导致相邻的两个基础沉降量存在偏差[7]。当沉降偏差超过限值时，会使其上部结构产生额外的应力，这个应力达到一定极限会使结构表面产生裂纹、倾斜甚至破坏。而造成桥梁基础不均匀沉降的原因主要包括以下几种情况：①地质情况复杂；②流水冲刷侵蚀；③上部结构超载；④基础差异；⑤人为主导因素；⑥突发不可抗力。

一般情况下，连续梁桥为超静定结构，基础的不均匀沉降会使桥梁上部产生一个附加应力，并逐步影响上部结构的整体力学性能，从而破坏桥梁稳定性，影响其正常使用。主要影响集中在如下几种情况：

①桥面出现起伏，导致桥面水泥层破坏并引发行车颠箥、桥头跳车等现象；

②桥墩、挡板移动而产生裂缝；

③上部结构与下部结构连接处应力集中，使梁底支座与主梁都发生破坏；

④主梁结构可能会出现微小偏移，使主梁内的受力发生变化，变形加剧，导致梁体内混凝土破坏加剧，直接威胁桥梁的整体稳定性；

⑤基础不均匀沉降严重可能会导致桥梁坍塌。

防治措施：①地质勘察时精度需准确，注意地基地质间的差异；②设计基础时需考虑结构的荷载差异选取合适的结构基础类型；③避免基础处于滑坡、溶洞等不良地质下，可减少不均匀沉降。

3.2 泥石流

泥石流是在暴雨降落后山区内的泥沙、石块以及其它的固体组成的特殊洪流。泥石流为山区特有的一种不良地质灾害，它具有短暂强爆发、移动速度快、持续冲击强、瞬间破坏大的特点。泥石流对桥梁工程的危害主要有冲刷、冲击、磨蚀等。

泥石流通过携裹大量巨石、杂物、水流以极快的速度从山体上冲刷而下，对经过的桥梁桥墩直接撞击同时使水流不断积聚，大量泥石流堆积体堵塞河道。通过对桥墩的冲击，使其短期内受力增大达到峰值并超过设计标高，使其内部出现裂缝甚至直接断裂，造成桥梁结构整体性破坏而出现桥体坍塌。而通过流水的不断侵蚀，使桥体周围基础不断侵蚀，使基础失去承载能力，出现边坡滑移，地基变浅。反复循环，致使堆积体越来越多，对桥梁损坏加深。

防治措施：①生物预防：在上游种植大量草木，可降低泥石流发生概率；②拦截：在中游设置一系列拦截构筑物如拦截坝等，降低泥石流流速和冲击力，降低对桥梁的冲撞力度；③引流：在下游设置排导措施使泥石流顺利排除。

3.3 崩塌

崩塌是在陡峭的坡体上大型岩石突然地崩落，在重力作用下沿着坡体向下滑落翻滚，最后岩石汇集于坡脚的过程。崩塌是一种常见的不良地质灾害现象，经常造成桥梁和公路的损毁，同时阻塞交通路段给运输带来巨大损失。崩塌形成条件分为以下几种。

①坡体的坡度和表面构造：崩塌发生的先决条件为斜坡形状高而陡峭，坡度一般在55度以上。当坡体表面坎坷不平时，凸起的岩石极易发生崩塌。

②岩石性质：不同岩石的性质千差万别，其强度、风化程度、抗冲刷能力都是不同的。当坡体由软岩和硬岩组成时，软岩可能优先风化而导致硬岩失去支持而脱落崩塌。

③节理程度：其是决定坡体稳定性的主要因素之一。但当节理顺山坡发展时，极易诱发崩塌发生。

④地质构造：坡体一般由不同性质的岩层以及构造和产状组成，其内的构造面一般为切割面，导致岩体内的连接性能大大减弱，易诱发崩塌。

崩塌对桥梁结构造成直接影响，大量巨石在重力作用下直接碰撞桥梁主体，致使桥梁受损，整体性能被破坏，结构内部力学性能遭到削弱，承载能力降低，容易发生主梁、桥墩等受力部件断裂，严重可能会导致桥梁坍塌。

防治措施：①主动措施：削坡、清除危岩、调整地表水流、加固软弱土坡、设置支挡墙、对坡面喷浆等；②被动措施：设置拦截设施如筑护墙和维护棚、设置引导设施如筑明峒和御塌棚。

3.4 滑坡

滑坡是指在重力以及其他外力作用下使得坡体上的土和岩石丧失稳定状态，将会发生顺着坡体向下整体滑动脱离的现象。在大量工程实践中将影响滑坡的因素概括为以下几种。

①斜坡外形：斜坡的存在构成了滑坡发生的前提，斜坡的高度、形状、坡度都有可能发生变化时，其内应力的改变会造成斜坡失稳；

②岩性：滑坡主要发生在容易受水化影响的土层和软岩里；

③构造：当斜坡内的节理、断层、层面等软弱面与斜坡坡面几近吻合时，斜坡容易发展成为滑坡；

④水：流水不断冲刷侵蚀斜坡，使其土体逐渐软化同时减小了土体之间的摩擦力，造成滑坡。

⑤地震：地震直接破坏斜坡土体结构，降低了土体抗剪强度，同时给土体增加了下滑力，加速滑坡的发生。

⑥人为因素：人为的生产活动可能会破坏斜坡原本的稳定结构造成滑坡。

滑坡对山区内的桥梁工程有巨大威胁，通过摧毁桥涵，阻断道路而造成巨额损失，同时经过不断积累，滑坡可能最终直接冲撞桥梁基础，导致桥梁失稳倒塌。

防治措施：①排除地表水和地下水；②支挡：利用支挡结构增加滑坡下部的抗滑阻力；③刷方减重：通过削减坡脚或降低坡高，以减轻滑坡体自重，从而减少来自上部结构的下滑力；④改善滑动面的岩土性质：对岩质滑坡采用固结灌浆、对土质滑坡采用电化学加固、冻结等。

4 结语

桥梁作为当今时代重要的交通组成部分，时时刻刻都在接受着自然的考验，而在桥梁修建的过程中，不良地质现象对其影响是不可忽略的，无数实践经历都在提醒着人们忽视不良地质的作用将会造成不可估量的损失。文章通过基于LRFD的研究，结合常见不良地质现象进行分析总结得出，梁设计和施工过程中，要随时注意不良地质对工程的影响，根据所发生的灾害及时得出相应的解决措施同时在施工科学运用防治方法，减少经济损失。