基于强度折减法的岸坡稳定性评价

王章云 郑维栋

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081）

1 工程概况

某公路桥梁跨越乌江，连接两岸交通，大桥为混凝土拱桥，两岸拱座均位于斜坡上，边坡所受重力荷载大。桥区无断层构造分布，呈单斜构造岩层综合产状12°∠26°，起点岸岸坡为反倾边坡，拱座下方坡度较缓，岸坡稳定性良好，终点岸岸坡为顺层边坡，拱座下方坡度较陡，强风化层厚，在河水冲刷及雨水等作用下易失稳。由此可知，终点岸岸坡稳定性较差，需着重分析评价[1]。

图1 某公路桥梁岸坡断面图

2 地质条件

2.1 地层岩性

项目区内出露的地层由新到老有第四系(Q)、三迭系中统松子坎组（T2s），岩性为泥灰岩夹泥岩。具体描述情况：

2.1.1 第四系（Q）：褐色、褐黄色粘土夹碎石（Qal+pl），局部为人工填土（Qml）。主要分布于山间冲沟、沟谷岸坡及缓坡地带，以粘土夹碎石（Qal+pl）以及人工填土为主（Qml），河谷地段分布有卵石（Qal+pl）。

2.1.2 三迭系（T）

松子坎组（T2s）：泥灰岩夹泥岩，呈浅灰、深灰色，整个桥区均有分布。

2.2 水文地质

据场区内的地层岩性、含水介质特征及地下水动力条件，区内地下水类型为主要为第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水、碳酸盐岩岩溶水三大类[2]。

桥区内乌江河穿过，乌江属雨源性河流，根据调研期间现场调查及钻探揭露，岸坡岩土体地下水位埋藏较深，且乌江河水位较低，乌江河水位受地表降水和季风影响变化较大，雨季时河水位升高，并补给地下水，地下水位随之升高。

3 岸坡破坏模式分析

终点岸岸坡为顺层岩质边坡，在拱座基坑开挖阶段，其主要破坏形式沿岩层层面平及结构面的平面滑动。计算公式如下[3,4]：

如拱座基坑不采取防护措施，计算得到的基坑安全系数Fs=0.63,剩余下滑力为1121kN/m。如不采取防护措施，拱座基坑将会失稳，并且剩余下滑力较大[5,6]。拱座基坑支护采用抗滑桩并在坡顶采用冠梁锚索进行联合支挡。

桥梁施工完成后，暴雨季节乌江河水位上涨，河水冲刷岸坡，且河水和雨水易于通过节理、溶蚀裂隙等进入岩体，在节理裂隙内会产生静水压力，影响岸坡的稳定性。此外，桥梁荷载、地震荷载等也会影响岸坡稳定性。故对运营期桥梁岸坡稳定性，主要对以下三种工况进行分析计算[7]：工况一：自重+桥梁荷载（岸坡在自重及桥梁荷载作用下的的工况）；工况二：自重+桥梁荷载+暴雨（岸坡在自重及桥梁荷载作用下，并处于暴雨或连续降雨状态时期的工况）；工况三：自重+桥梁荷载+地震（岸坡在自重、桥梁荷载及地震附加荷载作用下的工况）。

4 物理力学参数取值

物理力学参数取值参考该桥梁工程地质勘察报告，如表1 所示。

表1 岩土（层）物理力学指标

5 岸坡稳定性计算与评价

5.1 计算方法选定

岸坡传统计算方法有Janbu 法、Bishop 法、传递系数法、Morgenstern-Price 法、Spencer 法等[8]，均属于极限平衡理论的范畴。上述方法均忽略了土体内部的应力、应变关系[9]，且因采取一系列的假定条件进行简化，其计算得到的稳定性结果精度不高，对于复杂边坡尤其是需要考虑支护结构与边坡体的应力应变关系时，难以适用。而有限差分法以及有限元强度折减法不仅能够模拟岩土体内部应力应变，还能模拟工程结构与岩土体的互相作用过程，应用边坡的塑性区来定义滑动面的位置，弥补了极限平衡方法的不足，且得出的计算结果更为准确。

有限差分法主要适用于大变形的计算模型，而本项目的计算项目为桥台岸坡，岸坡上部为桥梁，岸坡在满足稳定性的同时不允许有大的变形，因此，有限元强度折减法更为合适。

本文采用midas GTS NX 数值计算分析软件对桥梁运营期的岸坡稳定性进行数值计算分析。此外，采用GeoStudio 软件中的SLOPE/W 模块，计算得到Janbu 法安全系数，作为对比参考。

5.2 附加荷载

影响桥梁岸坡稳定性的附加荷载主要为桥梁荷载、流体荷载、地震荷载。

5.2.1 桥梁荷载

桥梁荷载（轴力、剪力和弯矩）通过拱座传递给岩土体，荷载大小将直接影响岸坡的稳定性。经过桥梁的设计计算，乌江特大桥拱座荷载内力控制值如表2 所示。

表2 终点岸拱座荷载控制值

5.2.2 流体荷载

根据调研期间现场调查及钻探揭露，岸坡岩土体地下水位埋藏较深，且乌江河水位较低，但根据访查及查阅相关资料得知，乌江河洪水位较高，会对岸坡带来不利影响。因此，汛期，河水和雨水等对岸坡的作用，也是影响岸坡稳定性的重要因素。暴雨工况采用调查的最高洪水位来模拟水对岸坡的影响。

5.2.3 地震荷载

本区地震动峰值加速度为0.05g，地震反映谱特征周期为0.35s，地震基本烈度为Ⅵ度，该桥为A 类设防类别。拱桥由于结构自重较大，拱座水平及竖向反力大，对基础要求较高，且下部结构在地震力作用下受力较大，产生的工程荷载会对岸坡造成扰动，影响岸坡的稳定性。故应按Ⅶ度抗震要求验算地震工况下的岸坡稳定性。

5.3 计算结果及评价

根据岸坡工程地质条件及所受附加荷载情况，基于莫尔-库伦本构模型，采用midas GTS NX 软件建立计算模型如图2 所示。

图2 岸坡稳定性数值计算模型

采用强度折减法计算得到各工况的稳定性系数分别为1.43、1.26、1.29。各工况水平及竖向位移云图，如图3～8 所示。

图3 工况一水平位移云图（最大值7.9mm）

图4 工况一竖向位移云图（最大值5.8mm）

图5 工况二水平位移云图（最大值8.7mm）

图6 工况二竖向位移云图（最大值6.7mm）

图7 工况三水平位移云图（最大值8.3mm）

图8 工况三竖向位移云图（最大值6.1mm）

汇总各工况的结果，得到桥梁运营期岸坡的稳定性计算结果，如表3 所示。

表3 岸坡稳定性计算结果一览表

经过计算分析得知，强度折减法比Janbu 法计算得到的稳定系数稍大，主要是由于Janbu 法忽略了土体内部的应力、应变关系，可见强度折减法计算结果更贴合实际，而Janbu 法计算结果在工程上偏于安全。两种方法的计算结果均在控制标准内，位移均在毫米级，不会发生大变形而出现整体破坏可能，可见岸坡在各个阶段的稳定性良好。但由于岩体的完整性、结构面强度和顺倾岩层直接影响桥址边坡整体稳定性，且附近距离居民房及交通设施较近，在拱座基坑开挖过程中，应注意减小扰动并注意及时支护，防止基坑周边局部块体的塌落。在桥梁运营期，由于桥区岩体节理裂隙大面积张开且局部裂隙连通，对边坡局部稳定性不利，暴雨工况下岸坡稳定性系数下降明显，且岸坡变形最大，最大沉降为8.7mm，最大水平位移为6.7mm，说明水对岸坡稳定性有较显著的影响,应做好相应的防排水措施，拱座下方岸坡建议采用相应的防护措施，防止岸坡浅层失稳及河水的冲刷，同时，应加强相应的监测工作。

6 结论

6.1 桥梁岸坡除分析稳定性外，还需严格控制变形，采用有限元强度折减法分析较为合适。

6.2 强度折减法计算结果更贴合实际，而Janbu 法等极限平衡理论的分析方法在工程上偏于安全。

6.3 水对桥梁岸坡稳定性影响较大，建议避开雨季施工，并做好相应的防排水措施。