基于有限元的顺层坡桥梁群桩稳定性分析

梁成立， 肖海东， 段永凤， 王文杰， 赵春龙

（云南省建设投资控股集团有限公司市政总承包部，昆明 650500）

0 引言

公路工程中，顺层边坡上的桥梁桩基极为常见，由于不稳定顺层坡的推移、剪切等效应会对桩基造成不可估量的损伤，因此研究桩基施工、运营过程中顺层坡体的稳定性有深远意义。高荣雄等研究认为采用安全系数和可靠度作为边坡稳定性的评价指标，判定结果更为准确和全面[1]；步红军等[2]研究了顺层边坡稳定性影响因素，并根据研究结果提出来抗滑桩加固方案。文中以某工程实例为研究对象，依托顺层边坡的治理的经验，借鉴前人相关研究成果，建立了二维、三维模型模拟原始地层的应力状态，对顺层边坡的稳定性进行计算分析[3]，根据分析结果，提出了采用嵌岩抗滑桩的加固方案的建议[4，5]。

1 工程概况

云南某特大桥为单塔双索面现浇矮塔斜拉桥，桥9#主墩地基处于顺层边坡上，桩基采用25×2.2×65m钻孔桩基础，如图1所示，墩底下设正方形承台加群桩基础，承台纵横向平面尺寸25.6m×25.6m，高为6m。主墩（9#、10#）采用钢筋混凝土变截面薄壁空心墩，墩柱高为92、91m，桥墩横桥向宽14.224m，纵桥向墩顶宽9m，沿高度方向向下按80：1的倾率扩大桥墩截面。塔高44m，全桥共143个节段。

图1 桩基设计图（单位：mm）

桩基施工采用“筑岛平台围堰+放坡开挖”形式，围堰几何尺寸184.6m×104.2m×22m，外坡以1：2的筑岛坡比，外坡水位线以下使用吨袋自然堆码，水位线以上使用土工布加砂带码砌防止河水冲刷，围堰顶四周使用钢管脚手架加安全防护网做临边防护。地层断面如图2所示。

图2 墩底部边坡潜在滑动面

图中①为粉质粘土、②为卵石、④为碎石、⑥为强风化板岩、⑦为中风化板岩。此外，中风化板岩间存在顺层夹层，现场施工反馈可能为中风化砂岩。根据地质钻探等手段，分析地层信息，结合云南地区地质方面的相关研究文献[6，7]，综合考虑已有地勘信息确定了地层的计算参数见表1。

表1 地层计算参数选取

2 边坡地基稳定性分析

2.1 分析方法简介

在数值模拟中，利用Midas GTS NX软件对9#墩承台底部边坡进行二维数值模拟。考虑最危险受力情况，计算分析最危险受力情况下边坡稳定性。边坡稳定性计算采用强度折减法计算安全系数Fs。

在数值模拟过程中通过自重应力模拟原始地层的应力状态，上部围堰荷载采用均布荷载，桩顶荷载采用集中荷载，荷载数值根据桥梁主体的分析结果进行选取。

2.2 二维稳定性分析

选取9#墩承台以下地层作为模拟对象，用数值模拟方法计算地层边坡稳定性的安全系数。为消除模型边界效应对计算结果的影响，选取模型总长度为387m（x向）、高度为129m（y向），边界条件设置为：底部施加固定约束，侧面施加法向固定约束，而切向方向不约束，模型的上表面为自由边界、无约束，岩土体采用Mohr-Coulumb本构模型，摩擦桩等结构体系采用弹性本构模型，岩土体计算参数结合工程勘探资料和相关经验取值，以偏安全为原则进行选取，模型如图3所示。

图3 二维模型图

模拟4个工况：工况1为初始场地平衡（计算场地初始应力场，并将其产生的位移消除，以保证后续计算结果精确）；工况2中激活上部围堰荷载；工况3中激活桩顶荷载；工况4中祛除粉质粘土层，荷载直接施加于卵石层。

根据以上工况，建立二维计算模型，各工况分析结果见图4～图7，限于篇幅，仅展示部分计算图示。

图4 工况1位移云

图5 工况2总位移云图

图6 工况3总位移图

图7 工况4总位移图

工况1为初始应力平衡阶段，由强度折减法获得的安全系数Fs=1.25。结果表明潜在滑动面可能出现在粉质粘土层的临空面。

工况2为围堰施工完成，在顶部施加围堰均布荷载，由强度折减法获得的安全系数Fs=1.19。结果表明潜在滑动面可能出现在粉质粘土层的临空面。

工况3已施工完成所有桩基础，主墩承台、桥墩，此时施加桩顶最危险受力，由强度折减法获得的安全系数Fs=1.15，结果表明潜在滑动面可能出现在粉质粘土层的临空面。

工况4为祛除上部粉质粘土层，将上部荷载直接施加于卵石层，由强度折减法获得的最小安全系数Fs=1.43。结果表明潜在滑动面可能出现在两个位置，第一个位置是9#墩上部倾斜面卵石层与强风化板岩的交界处，第二个位置是在9#墩下部倾斜面卵石层与强风化板岩交界处。

二维模型安全系数见表2。

表2 二维分析安全系数

2.3 三维稳定性分析

由于二维模型计算只能考虑平面应力、应变状态，然而实际工程是一种三维受力状态，围堰体在施工过程中的位移、承台和摩擦桩受力状态、粉质黏土层边坡的位移等都是影响边坡稳定的重要因素。

为了更符合工程的实际情况，通过Midas GTS NX有限元软件，建立了三维模型进行计算分析，总长度为377m（x向）、宽度为266m（y向）、高度为129m（z向），边界条件设置为底部施加完全固定约束，侧面施加法向固定约束，而切向方向不约束，模型的上表面为自由边界、无约束。岩土体采用Mohr-Coulumb本构模型，摩擦桩等结构体系采用弹性本构模型。岩土体计算参数结合工程勘探资料和相关经验取值，以偏安全为原则进行选取。施工模拟6个工况，工况具体描述见表3。

表3 工况简述

根据图8～图10工况，建立三维计算模型，限于篇幅，仅展示工况4和工况6部分计算结果，计算结果如下：

图8 工况4模型整体位移图（x向）

图9 工况4模型整体应力图（x向）

图10 工况6模型整体位移图（x向）

分析知工况4的x向最大位移为46.7mm，y向最大位移为-14.5mm，z向最大位移为-159.1mm；粉质黏土层边坡的x向最大位移为29.9mm，y向最大位移为-3.5mm，z向最大位移为-6.2mm。

分析知工况6施加运营期最不利荷载计算结束后，承台四周土体有向内部位移的趋势，最大x向位移量约20.8mm，最大y向位移量约18.5mm，最大z向位移量约48.9mm；粉质黏土层边坡的x向最大位移为0.28mm，y向最大位移为-0.04mm，z向最大位移为0.05mm。各工况位移如表4和图11所示。

表4 结果统计 mm

图11 工况6模型整体应力图（x向）

此外，提取施加运营期最不利荷载计算结束后，群桩的轴向应力云图、最大剪应力云见图12、图13，最大剪应力结果见表5。

图12 工况6群桩轴向应力云图

图13 工况6群桩最大剪应力云图

表5 运营阶段群桩最大剪应力结果统计kPa

由强度折减法计算的各工况下安全系数见表6。

表6 三维状态各工况安全系数

3 结果分析与加固建议

根据二维和三位模型计算结果可知，桥围堰下部的粉质黏土层存在滑动的可能性。建议在粉质粘土边坡的临空面增加抗滑桩，以防止潜在的滑动对围堰、承台、群桩造成影响。根据现有勘察资料，抗滑桩嵌固端建议打入中风化板岩层，嵌固端长度建议为悬臂端长度的2倍，抗滑桩间距建议取2m，抗滑桩详细设计应参照相关设计规范及现场勘察资料进行。此外，根据现有勘察资料和现场施工反馈信息，承台底部的粉质黏土层和卵石层之间存在不稳定层，该层详细信息尚不明确，建议进行详细勘探，并根据勘探结果再次进行分析。

4 结语

顺层坡的推移、剪切效应对桩基的影响不容忽视，矮塔斜拉桥属于超静定结构，在施工过程中，结构的几何特性、材料特性、所受荷载以及支承条件等均不断变化，结构体系也不断转换，受到桩基和土体运动相互作用的影响，土体位移会受到桩基的约束，而桩基也通过弯曲刚度来抵抗土体的波动作用。当顺层边坡发生沿层面的失稳，桩基发生的水平运动、偏移和弯曲最后会影响和改变桥梁结构体系的变形和内力，为确保施工和运营安全。

在设计和施工顺层坡体上的桥梁时，要对各时期、各工况下的边坡稳定性进行细致验算分析，以避免因坡体失稳造成较大危害与损失。