含緩傾結構面的巖質橋址邊坡地震穩定性評價及加固優化

汪紅武 李文菊 饒穎曜 秦 輝

(1.云南大保高速公路有限公司, 云南 大理 672600;2.云南交投集團投資有限公司, 昆明 650000;3.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室, 武漢 430071)

隨著我國基礎設施建設的不斷發展,工程復雜程度也不斷增加,橋梁的使用在線路工程中十分普遍[1-2].尤其是西南山區,橋梁占比巨大.因此,橋址邊坡穩定性評價成為一項重要課題[3-6].

許強等[7]開展模型試驗和數值模擬對滑坡變形破壞機制深入分析,并將汶川地震引發的滑坡劃分為五大類.張奇華[8]在總結傳統滑坡體計算理論的基礎上,進一步提出了針對多滑面的極限平衡分析理論;劉明維等[9-11]基于強度折減和數值模擬方法開展了對具有多滑面的滑坡穩定性分析和評價方面的研究;地震影響下,邊坡極易形成多級滑面,陳力華等[12]針對多滑面滑坡體,提出了一種能夠考慮滑面之間相互作用的滑坡穩定性分析方法;張巖巖等[13]結合歷史記錄資料、衛星遙感影像、無人機航拍以及現場調查資料等多源數據和室內實驗,對蔡家壩發生的“8·31”特大型滑坡的成因機制進行探討,發現該滑坡為降雨誘發的特大型多級平推式滑坡,具有多次、多層、逐級后退式演化的變形特點,并對邊坡的穩定性進行預測.劉誠等[14]構建基于擬動力下限法的地震力作用下巖質邊坡穩定性的函數規劃模型,并使用系列二次規劃算法循環求解模型,獲得地震作用下巖質邊坡穩定性安全系數與時間的關系曲線.胡軍偉等[15]針對巖質滑坡,建立相應的力學分析模型,通過定性和定量的穩定性評價,提出不同的治理思路.最終通過經濟和技術的比較,確定合理有效的支護方案.康欽容等[16]基于現場監測和數值模擬方法對邊坡的穩定性做出評價,發現邊坡有可能出現淺層滑坡和深層滑動,飽水狀態下極易發生整體滑移.

具有多級滑面的邊坡地震的穩定性分析與評價方面的研究成果豐富.軟弱結構面在邊坡工程中十分常見.含緩傾軟弱結構面發育的邊坡存在較大安全隱患,但由于其傾斜角度較小,且緩傾軟弱結構面的致災機理不明,在進行地震的穩定性評價時往往容易忽視而導致災難的發生.為此,以我國地震多發的西南山區跨江大橋橋址邊坡為例.利用有限元數值分析方法,通過分析含緩傾軟弱結構面邊坡地震響應規律和坡體穩定狀態,揭示此類邊坡變形失穩機制.采用不同的加固方案,對比分析其加固效果,優化加固方案,為該類邊坡工程設計和施工提供指導.

1 山區公路橋梁典型橋址邊坡簡介

某特大橋橋址區屬構造侵蝕、溶蝕中山地貌,微地貌為河流峽谷地貌,海拔高程介于1 116～1 530 m之間,相對高差約414 m,切割強烈,為“V”型谷.兩岸斜坡總體均為上緩下陡,地形坡度35°～45°,實景如圖1所示.地層情況和巖土體強度參數見表1.κpsr為殘余時刻的塑性剪應變閾值,是應變軟化本構模型中的重要參數[17-18].

表1 材料物理力學參數

圖1 工程整體實景圖

兩岸斜坡下部為陡崖,斜坡中上部多陡坡、陡坎,區內發育有巖溶等不良地質現象.開挖擾動后墩臺基坑等各類邊坡穩定性差,且屬不均勻地基.路線所經區域地處小江斷裂帶和大關-馬邊地震帶之間,地震活動頻繁,因此,橋址區劃分為對建筑抗震不利地段.根據地震專項評價,地震基本烈度為8(Ⅷ)度.該類橋址邊坡的穩定性普遍受緩傾結構面和陡傾卸荷裂隙控制,并且西南山區的高地震烈度特征加劇了邊坡穩定帶來的安全問題,亟需重視其地震的穩定性.

2 含緩傾結構面橋址邊坡計算方案

2.1 應變軟化本構基本理論

沈珠江根據應變軟化產生機理,將應變軟化分為減壓軟化、剪脹軟化和損傷軟化等三大類[19].選擇最簡單的線性應變軟化Mohr-Coulomb 模型[17],其應力-應變關系如圖2所示;其抗剪強度參數選擇如圖3所示,具體表達式見式(1)～(2);應力達到峰值后繼續加載,巖土體進入軟化階段,此時應力下降而塑性變形繼續發展.

圖2 簡單線性應變軟化模型

圖3 線性應變軟化M-C模型參數的選擇

2.2 數值分析模型

擬建橋址區主要有含碎石粉質黏土、玄武巖、灰巖和泥化夾層.根據室內常規土工試驗和巖土體力學參數反分析方法獲得巖土物理力學參數,應變軟化參數通常取值為0,取值見表1.結合現場地質調查情況以及工程設計要求,建立橋址邊坡數值分析模型,如圖4所示.采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型,模型邊界條件為:兩側約束橫向位移,底部約束橫向和豎向位移.為方便大橋主墩施工,需要在原有斜坡上開挖高約40 m 的邊坡.該邊坡分四級開挖,開挖坡率為1∶0.75.因為表層粉質黏土層較薄,且分布范圍較小,所以對橋址整體穩定性有影響的主要是橋址區域內強風化玄武巖和軟弱結構面.為分析在地震工況下橋址邊坡穩定性及其變形失穩演化規律,并提出合理的加固方案,本文重點研究對工程穩定性有較大影響的強風化玄武巖和軟弱結構面在地震荷載作用下,考慮力學參數應變軟化特性時對挖方邊坡穩定性、滑面漸進形式產生的影響.地震穩定性分析時,采用擬靜力法,考慮水平向慣性力作用,抗震設防烈度為8(Ⅷ)度,水平峰值加速度為2.45 m/s2.

圖4 數值分析模型

3 橋址邊坡地震穩定性評價

3.1 多級滑動特征分析

跨江大橋橋址邊坡施工往往會產生較大工程開挖量,確定合適的開挖深度以保證邊坡的長期穩定性,提高經濟效益.因此分析不同開挖深度下的邊坡在地震作用下變形破壞機制和穩定性演化規律有助于優化開挖方案.

在地震荷載作用下,考慮參數應變軟化特性的邊坡不同開挖深度下塑性區漸進發展云圖如圖5所示.可以看出,未開挖時,邊坡軟弱結構面區域局部進入塑性狀態,此時邊坡仍然處于較穩定狀態,局部有松弛和裂縫發育,這與工程現場情況相對較吻合.第一開挖步后,在地震荷載作用下,邊坡塑性區從軟弱結構面向開挖邊坡坡腳延伸并貫通,一級主滑面形成(按滑面形成先后時間分主次滑帶,空間分布關系分一級和二級滑帶).隨著開挖深度的增加,一級主滑面的剪切破壞區在開挖坡腳和軟弱結構面區域逐步向上擴展.當達到終了開挖步時,在地震力作用下,二級主滑面形成.由于下部開挖導致上部坡體牽引變形,形成次級滑面.次級滑面與一級主滑面和二級主滑面交匯,導致橋址邊坡在開挖坡腳位置出現分叉型剪切破壞區.最終,隨著滑面的進一步發展,形成由一級主滑面為優勢剪切面,一級主滑面、次級滑面和二級主滑面控制的變形特征由坡腳繼續向坡頂表面擴張直至整體失穩.

圖5 多級滑動面形成過程中塑性區漸進發展云圖

從破壞形式分析,由于開挖卸荷作用,坡腳應力集中,開挖體下部減載,抗滑力減小導致上部坡體受到牽引變形,因此,開挖體下部土體主要受到剪切變形破壞,開挖體上部土體主要受張拉破壞.即:一級主滑面主要是由于拉張和剪切破壞所致,次級滑面和二級主滑面主要是張拉破壞,且張拉破壞區正逐漸向上擴張.從多級滑動面形成過程中位移漸進發展云圖(如圖6所示),4 副圖分別代表開挖深度:20、30 和40 m.可以看出,橋址邊坡未開挖前,由于地震荷載的作用,橋址邊坡產生變形,第一開挖步后,橋址下邊坡變形有減小趨勢,隨著開挖深度進一步增加,變形逐漸增大.

圖6 多級滑動面形成過程中位移漸進發展云圖

綜合上述可知,開挖后,橋址上邊坡受地震荷載作用,變形較大,成為橋址邊坡穩定性主要的影響區域.橋址下邊坡雖然變形相對較小,但由于主墩不能承受水平荷載,微小變形仍然會導致主墩基礎受到較大損壞.因此橋址下邊坡對變形的控制相對于上邊坡更加嚴苛.

為進一步分析地震荷載對含緩傾軟弱結構面邊坡影響,對比了自然工況和地震工況下塑性區擴展云圖(如圖7所示),圖中○表示拉應力集中區,×代表剪應力集中區.自然工況下,邊坡穩定性系數為1.13,地震工況下,邊坡穩定性系數為0.97.可以發現,自然工況下,邊坡失穩主要是由于開挖卸荷作用導致斜坡下部發生剪切破壞,坡頂出現張拉破壞的單滑面破壞形式,橋址下邊坡并沒有發生破壞.在地震工況下,邊坡呈現出多級滑面破壞形式.主要區別在于:地震工況下,橋址下邊坡滑體呈現沿緩傾軟弱結構面向臨空面拋出的破壞形式.說明緩傾軟弱結構面對邊坡穩定性的影響在自然工況下并不顯著,但在地震工況下,軟弱結構面對橋址邊坡穩定性影響較為明顯,嚴重威脅主墩的穩定性.

圖7 不同工況下塑性區云圖

通過上述對塑性區、變形的漸進發展規律分析,可將地震荷載作用下,含緩傾軟弱結構面邊坡多級滑面形成及對橋址邊坡穩定性影響規律歸納為:在開挖和地震荷載共同影響下,含緩傾軟弱結構面邊坡坡體前緣由于地震慣性力作用,開挖坡腳與緩傾軟弱結構面之間發生拉剪破壞.該區域貫通后在坡體前緣內部形成一個初始剪切帶,此為一級主滑面.與此同時,由于坡體前緣發生變形,導致上部土體所受抗滑力降低,坡體內局部出現拉伸和剪切破壞區并逐漸發展,進而形成二級主滑面.隨著時間推移,軟弱結構面與二級主滑面之間受拉剪破壞控制的區域逐漸增大貫通,從而形成優勢滑動面,即次級滑動面.多級滑面空間分布如圖8所示.

圖8 多級滑動面剪應變云圖

3.2 穩定性演化規律

在不同開挖深度下,邊坡穩定性系數在自然工況和地震工況下有著不同的變化規律,如圖9所示.

圖9 穩定性系數隨開挖步變化情況

自然工況下,邊坡穩定性系數隨開挖深度增加,呈現出先減小后增加再減小的趨勢,而地震工況下,穩定性系數隨著開挖深度增加呈現出先增加后持續減小的趨勢.該變化趨勢主要和邊坡開挖位置以及最危險滑面的變化有關,所以該邊坡穩定性系數并沒有隨著開挖深度的增加而減小.

自然工況下,第一開挖步的開挖導致坡體前緣卸載,抗滑力減小,因此邊坡整體穩定性有減小趨勢.進一步開挖到第二開挖步時,開挖位置上部的坡體與下部的坡體之間相連接的土層變薄,導致上部下滑力不能完全地傳遞到下部含緩傾軟弱結構面的土體,上部土體自身就能夠承受下滑力,此時穩定性系數有所增加,即穩定性系數為1.23.進一步的開挖將導致開挖位置上部坡體發生進一步的卸荷松弛變形,穩定性系數一直處于下降趨勢.

將地震工況下穩定性系數變化情況與多級滑動面形成過程中塑性區漸進發展云圖(圖5)對應分析,可發現:第一開挖步后,雖然邊坡發生卸荷,但整體的重量有所減小,相比沒有開挖前來說,地震慣性力作用對開挖體下部邊坡穩定性的影響有所減弱,因此穩定性系數略微有所增加,此時的邊坡穩定性系數1.07應該是一級滑帶的穩定性系數.且隨著開挖深度的增加,地震對開挖位置下部的坡體穩定性的影響是減弱的.相反,對開挖位置上邊坡來說,進一步的開挖,導致開挖臨空面不斷擴大.已有研究表明,坡度越陡,地震對邊坡穩定性的影響越大,因此,開挖位置上部坡體受地震荷載影響隨開挖深度增加變得愈加顯著,因此,穩定性系數隨著開挖步的增加而持續減小(參見圖9).因此,含緩傾軟弱結構面的橋址邊坡地震穩定性評價需要分開挖位置上下邊坡分別分析.該案例中,有限元求解的穩定性系數只能說明是該狀態下邊坡對應的最不利的穩定性系數.對含多級滑面的邊坡來說,不同的開挖時刻,對應不同的滑面和不同的穩定性系數,所以不能一概而論按照一個穩定性系數來開展工程設計.

3.3 不同方案加固效果對比及優化

橋址邊坡工程地震工況下穩定性系數需要滿足1.15才符合規范要求.對本文邊坡采用3 種加固方式對比,預應力錨索每束施加預應力40 t,錨固段10 m,4 m×4 m 錨索布局.如圖10所示,只采用預應力錨索加固,穩定性系數為1.06;采用預應力錨索加固至穩定性系數為1.15;對軟弱結構面注漿加固且結合預應力錨索加固至穩定性系數為1.15.采用預應力錨索和注漿加固結合的方式加固需5 900 k N/m加固力,錨索長度為60 m,即可滿足工程穩定性要求.而只采用預應力錨索加固的方式則需9 400 k N/m,且加固深度需增加約20 m,錨索長度為80 m 才能滿足工程穩定性要求,施工難度大幅增加.最終,采用注漿加固和預應力錨索加固相結合的方式加固.

圖10 不同加固形式下剪應變云圖

4 結論與建議

依托山區公路橋梁典型橋址邊坡工程,利用考慮材料強度應變軟化特性的有限元方法揭示了含有緩傾結構面橋址邊坡的多級滑動特征和地震影響效應,得到如下結論:

1)工程活動會對自然邊坡的巖土特性造成擾動,間接影響其穩定性,考慮巖土材料軟化的數值仿真技術可以較好地反映上述擾動機制并揭示此類邊坡的漸進破壞過程和規律.

2)地震作用加劇了該類含緩傾結構面橋址邊坡的多級滑動趨勢.滑動面的產生和發展在時間和空間的順序是先形成一級主滑面,而后在一級主滑面基礎上產生二級主滑面,接著產生次級滑面,最終整體發生失穩.

3)地震作用下含緩傾軟弱結構面的邊坡在不同開挖深度下對應的破壞模式有所不同,穩定性系數隨開挖深度先增大后減小.橋址下邊坡由于緩傾結構面的影響,地震作用下存在整體失穩風險.

4)含緩傾結構面的橋址邊坡加固時,采用注漿和預應力錨索聯合加固的方式優于只采用預應力錨索加固.注漿加固可有效控制橋址下邊坡的變形,對主墩穩定性更加有利.