基于MIDAS-GTS的桥梁桩基开挖施工阶段数值模拟

张烜途 李海鸥 向治州

在四川陡峭的山区开挖桩基是一项具有重大安全风险的工程活动，研究桥桩施工过程中循环开挖与边坡安全性的相互关系具有重大的现实意义。结合GIS软件可以看出安寨坪2号桥地处自然环境为山高坡陡、河流深切、边坡破碎，基于MIDAS-GTS有限元软件分析了安寨坪2号桥边坡稳定性并通过施工阶段助手模拟了桥梁桩基开挖过程，结果表明：边坡在切坡后整体处于稳定状态，其应力最大处在切坡坡脚；桩基的开挖深度与边坡的横向位移呈对数函数关系，开挖后的前10步边坡位移变化较大。

复杂地形； MIDAS-GTS； 桩基开挖； 边坡稳定性

U443.15+9 A

［定稿日期］2022-03-17

［作者简介］张烜途（1995—），男，硕士，研究方向为岩土工程技术；李海鸥（1994—），男，碩士，研究方向为桥梁施工控制技术。

在复杂地形条件下开挖桥梁桩基础是一项有安全风险的工程活动，研究桥梁桩基开挖过程与边坡安全性的相互关系具有重大意义。

随着交通基础设施建设力度的加大，高速公路逐步走向山区，桥位及桩位势必会面对越来越多的陡峭斜坡、滑坡体、泥石流等复杂多变的地形地貌，并遇到越来越多的地质灾害高发区，应用有限元手段对其危险性进行数值模拟是灾害评估的一种手段［1-4］。

1 工程环境

1.1 地理位置

安寨坪2号桥位于四川雷波县曲依乡境内，在其中部腹地，区域面积约为0.11 km2，地理位置大概属北纬28°10′～28°11′，东经103°27′～103°28′，曲依乡东临千万贯乡，北接八寨乡，西靠簸箕梁子乡，南隔金沙江与上田坝乡相望，区内通有县乡公路，但路况较差，雨季通行困难（图1）。

1.2 自然环境特征

安寨坪2号桥场区位于金沙江河岸旁，用GIS软件对该场区地形进行分析，海拔高程在672～946 m，地形相对开阔；坡度范围为2°～80°，在高程较高的地方坡度较缓，其平均坡度大概为45°，结合影像照片，可以看出区域地势十分陡峭，局部近直立。场区的水文地质条件较复杂，水系分布密集，通过查阅相关地质水文资料，地下水类型主要有第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水（图2）。

2 有限元计算模型

2.1 分析断面的选取

拟建安寨坪2号桥桥桩基位置地形高陡，在暴雨、地震等因素的影响下，存在施工安全隐患，取坡体地势较差的“Y”型冲沟剖面（坡度较陡处约60°，将整体全部考虑为风化岩），利用MIDAS-GTS有限元软件对自然斜坡剖面稳定性进行定量分析，为现场施工提供一定的分析数据支撑。场区地形地貌如图3所示。

2.2 边坡数值模型

在该剖面上修挖安寨坪2号桥桥梁桩基，会对边坡坡体进行施工扰动，造成边坡应力的重分布，从而影响边坡的稳定性，因此本文对开挖切脚的边坡进行稳定性分析，按照设计院设计图说明，在标高约750 m处向边坡坡内侧开挖大概3 m，向下开挖桩径为2.2 m的桥梁桩基，利用MIDAS-GTS有限元分析软件建立坡体网格划分图，对其稳定性进行分析，并利用软件施工阶段助手功能，对桥梁桩基开挖施工进行简单数值模拟。其模型网格划分如图4所示。

在MIDAS-GTS的计算中，边坡风化岩土层采用的是莫尔-库伦（Mohr-Coulomb）弹塑性材料模型，具体参数如表1所示。

2.3 计算方法

本文应用强度折减法计算边坡的稳定系数，通过MIDAS-GTS岩土软件假定不同的折减系数对边坡岩土体强度参数c和tanφ进行折减，削弱其值使单元应力达到屈服或超出屈服，如果计算的结果收敛时土体处于稳定状态，然后继续增加折减系数，直到计算的结果出现不收敛时，表示边坡发生破坏，此时的折减系数就是边坡的安全系数Fs。

c′=cFs（1）

′=arctan（tanφFs）（2）

式中：Fs为强度折减系数；c、φ为实际抗剪强度参数；c、φ为折减后的抗剪强度参数。

2.4 边坡稳定性

由边坡稳定性分析（SRM）（图5）可以看到，切坡后的边坡稳定系数为1.151 6，并且坡体的软弱滑移面在切坡面上方，整个边坡的应力集中点在切坡坡脚处，由此可以分析出，在位于斜坡路段桩基施工时应尽量减小对边坡的扰动，保持原土体的稳定，对斜坡上本身不稳定的碎屑块石应适当清除，必要时适当对边坡进行防护，同时做好切坡边坡的监测测量，确保其稳定性。

3 桩基开挖施工阶段模拟

3.1 开挖参数

本次桩基开挖的桩径为2.2 m，施工阶段模拟将开挖深度控制在1 m一个循环，同时跟上20 cm厚C30混凝土护壁，反复循环30次，向下开挖30 m，通过MIDAS-GTS施工阶段助手对每个桩基开挖阶段进行有限元数值模拟，查看每个施工阶段边坡x方向位移云图。其C30混凝土材料参数如表2所示。

3.2 结果分析

在孔口左上方设A监测点，右下方设B监测点，通过MIDAS-GTS软件提取桩基开挖中各分步的x方向位移计算结果，如图6～图9所示。

通过边坡x方向位移云图可以明显看出，开挖后边坡位移变化较大处在桩基施工开挖前10步，特别是孔口上方斜侧坡脚位置以及顺坡向下侧向孔壁旁，这些位置在受到施工扰动后，由于边坡上的位移增速块，坡上碎屑块石很容易发生滚动滑落，对施工的安全造成威胁；随着桩基开挖的进行，整个坡体下部的侧向位移在减小并逐渐趋于平稳，A点在第10步的位移值为2.37 cm，B点在第10步的位移为2.58 cm，由此说明在模拟的桩基开挖过程中，桩基上部结构的施工风险较下部结构高，施工过程中需要重点注意防护的是桩基上部位置；由坡体现场实拍图结合有限元应力分析云图，安寨坪2号桥旁地形陡峭，地形地貌很复杂，多处跨碎屑冲沟地带，并且碎屑块石分布广、方量大，在进行桥梁桩基施工前很难将坡面表层碎石清理干净，因此在该处进行桩基施工的风险极高。

4 结论

（1）拟建安寨坪2号桥地理位置大概属北纬28°10′～28°11′，东经103°27′～103°28′，海拔高程在672～946 m，平均坡度大概为45°，基岩裸露部分近乎垂直。

（2）由MIDAS-GTS对切坡后的边坡稳定性进行了分析结，拟建安寨坪2号桥旁边坡整体处于基本稳定状态，整个边坡的应力集中点在切坡坡脚处，因此在对边坡进行开挖时要注意对切坡坡脚的防护。

（3）通过MIDAS-GTS施工阶段模拟结果，开挖后边坡位移变化较大处在桩基施工开挖前10步，特别是孔口上方斜侧坡脚位置以及顺坡向下侧向孔壁旁，这些位置在受到施工扰动后，边坡上的碎屑块石很容易发生滚动滑落，对施工的安全造成威胁，建议对离孔口近的位置进行必要的工程防治处理。

参考文献

［1］ 田世宽，李盼盼. 山区复杂地形峡谷桥梁桩基及墩柱结构的施工技术［J］. 筑路机械与施工机械化，2019，36（8）：97-99+106.

［2］ 陈国庆，黄润秋，石豫川，等. 基于动态和整体强度折减发的边坡稳定性分析［J］. 岩石力学与工程学报，2014，33（2）：243-256.

［3］ 郑颖人. 岩土数值极限分析方法的发展与应用［J］. 岩石力学与工程学报，2012，31（7）：1297-1316.

［4］ 程宏，李东阳，王少凡，等. 复杂地形下桩基开挖方案探讨［J］. 四川水泥，2020（10）：176-177.