某高速公路高陡危巖體失穩對擬建橋梁的影響分析

尹威江 賴國泉

基金項目：中國中鐵股份有限公司科技研究開發計劃（2022-重大專項-07）；甘肅省技術創新引導計劃-企業研發機構能力建設專項資助（23CXJA0011）

第一作者簡介：尹威江（1982-），男，工程師。研究方向為巖土工程。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.021

摘? 要：以西南山區某高速公路高陡崖邊坡對坡腳擬建橋梁影響分析為例，采用工程地質調查分析結合有限元強度折減法分析可知，該陡崖邊坡整體處于欠穩定狀態，變形模式為錯落式滑坡變形。采取有限元-離散元耦合分析技術動態模擬研究邊坡失穩對橋梁安全的影響。由模擬分析結果可知，陡崖邊坡產生錯落變形后，錯落巖體最終與橋梁墩臺底部發生撞擊，橋墩從根部斷裂，橋梁整體倒塌?；诜治鼋Y果，提出預應力錨索加固陡崖邊坡、坡腳設置攔截擋墻、邊坡失穩范圍內避免設置橋墩3種方案應對高陡邊坡對擬建橋梁的破壞性影響。

關鍵詞：巖土工程；高陡危巖體；有限元強度折減法；錯落式變形；橋梁安全

中圖分類號：U45 ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）13-0086-05

Abstract： Taking the analysis of the influence of the high and steep cliff slope of an expressway in the southwest mountain area on the proposed bridge at the foot of the slope as an example， the engineering geological investigation and analysis based on the finite element strength reduction method shows that the whole cliff slope is in an unstable state. The deformation mode is staggered landslide deformation. The finite element-discrete element coupling analysis technique is used to dynamically simulate the influence of slope instability on bridge safety. The simulation results show that after the staggered deformation of the steep slope， the staggered rock mass finally collides with the bottom of the bridge pier and abutment， the pier breaks from the root and the bridge collapses as a whole. Based on the analysis results， this paper puts forward three schemes to deal with the destructive influence of the high and steep slope on the proposed bridge， strengthening the steep slope with prestressed anchor cable， setting the retaining wall at the foot of the slope and avoiding the pier in the range of slope instability.

Keywords： geotechnical engineering; high and steep dangerous rock mass; finite element strength reduction method; staggered deformation; bridge safety

高陡巖質危巖變形是西南山區基礎設施建設經常面臨的重大工程地質問題之一[1-4]。特別是高陡崖體邊坡下方為橋梁、路基等構筑物時，更要構建高陡崖體的變形破壞模式。

國內大量學者對高陡危巖邊坡變形破壞模式、變形機制及防治措施進行了大量研究。陳洪凱等[5-7]結合三峽庫區大量崩塌地質災害，對崩塌分類、破壞模式及防治措施進行了詳細研究。趙志南等[8]通過斷裂力學分析，提出了在我國西南山區柱狀危巖體壓裂潰屈型破壞機制及分析穩定性的方法。魏正發等[9]通過工程地質調查及分析，深入剖析了西寧北山崩塌成因、形成機理及變形破壞模式，提出了防治措施建議。李彩華[10]通過建立三維模型，分析得出了受落石沖擊作用下橋梁的動力特性。

本文以貴州山區某高速公路高陡崖邊坡破壞后下方擬建橋梁是否安全分析為例，首先采用有限元強度折減法結合工程地質調查分析了該高陡崖體的破壞模式，基于此破壞模式，結合有限元-離散元耦合分析技術研究高陡崖體邊坡失穩對橋梁安全性的影響，并提出治理建議。

1? 工程地質環境條件

1.1? 地形、地貌

研究區受溶蝕、侵蝕作用影響，地形起伏大，相對高差約300 m。在大橋的右側，計劃建造一座高達約190 m的灰巖高陡邊坡。該巖體中的節理（裂隙）較為發達。經現場調查發現，受強烈的降雨影響，該區域發生了一定規模的崩塌。陡壁頂部的邊坡覆蓋著茂盛的植被，并且相對平緩。具體如圖1所示。

圖1? 擬建大橋側高陡邊坡

1.2? 地層巖性

根據現場工程地質調查顯示，研究區的地層從上往下依次為覆蓋層、殘坡積層（Qel+dl）以及粉質黏土?；鶐r位于這些地層之下，是二疊系下統的棲霞組和茅口組（P1q+m），主要由灰色和深灰色的灰巖以及泥灰巖構成。具體地層巖性特征見表1。

1.3? 地質構造

本次研究的地區位于黃平復式向斜東側，地質構造總體上較弱，與此同時受到北東向構造的迭加影響，地層具有單斜產出的特征，總體構造主要為南北向和東西向，綜合產狀為350°∠8°。在該區域內，節理裂隙主要發育在近東西向和近南北向方向上。

現場工程地質調查研究表明，高陡灰巖巖體中節理比較發育。

1.4? 水文地質

該研究區的年平均降水量為1 243 mm，其中83%的降雨量集中在4—10月。該區域的氣候特點是降雨分布不均，且暴雨頻發。日最大降雨量達到了189.9 mm。

在該研究區，主要有2種地下水：強風化層基巖裂隙水和碳酸巖巖溶裂隙水。這2種地下水中，碳酸巖巖溶裂隙水的含水量通常更高。此外，這些地下水主要形成于大氣降水的垂直補給過程中。也就是說，在降雨時一部分水會滲透到地下，最終造成這些地下水資源在大氣降雨時，部分水分會沿著巖層和節理面向下滲透并進行補給。場區灰巖節理發育，局部有溶蝕裂隙、溶洞分布，透水性好，為地下水貯藏、運動提供較好的空間，為場區主要含水巖層。

2? 危巖體穩定性及變形模式分析

2.1? 穩定性定性分析

這個坡面高約190 m，由巨厚層灰巖夾雜著薄層泥灰巖構成。東側和北側幾乎垂直向下，形成一個極具挑戰性的陡崖高邊坡。受自身重力和煤礦采空區的影響，巖體中的節理裂隙得以進一步發育，底部巖體已經開始出現開裂變形的狀況。與此同時，該區域內處于長期卸荷狀態，在頂部具有逐步擴張并相互貫通的節理裂隙，假設這種情況存在較久，極有可能會出現新的巖體傾倒和崩塌破壞的現象，根據地質調查報告，目前整個施工區域坡體存在較大危險，處于欠穩定狀態，而這將對擬建大橋的施工和運營產生較大的威脅。

為了評估這個陡崖高邊坡的穩定性，我們選取了一個典型的斷面，并結合工程地質條件和計算目的建立了一個數值計算模型（圖2）。該計算模型考慮到了巖體結構對邊坡穩定性的控制作用，將坡體材料分為巖塊和節理兩部分。表2中詳細列出了各項材料的物理力學參數。通過考慮重力作用，我們對坡體進行了應力場分布計算，以此為依據，對邊坡有可能出現拉裂裂縫的區域進行分析，同時分析其穩定性。

根據圖3和圖4所示的自重荷載作用下的邊坡計算結果，我們可以發現最大主應力和最小主應力云圖基本上與自然坡面平行，并且在2組結構面的共同影響下，局部出現了鋸齒狀分布現象。整體而言，應力分布與斜坡的應力分布規律較為契合，同時可發現圖中出現明顯的高山峽谷應力分布特征。

換言之，該現象將導致在坡腳河谷位置會出現應力集中現象，同時陡坡坡面則會存在受拉區。在自重作用下，邊坡底部將會首先出現剪切破壞并引發錯落式滑坡，或者高位的陡崖會出現崩塌落石等地質災害。圖5是天然狀態下的巖體的屈服區分布圖（節理屈服為實線，巖塊受拉屈服為圓圈，巖塊剪切屈服為叉）。從圖中可以知道，坡體在自重應力作用下，坡腳位置出現了剪切屈服現象，然而坡頂則出現受拉屈服區。不過從整體看來，屈服區主要存在于坡體內部，并未形成貫通面從坡腳延伸至坡頂，這與當前坡體的穩定狀態相符，即自然工況下，整個坡體處于欠穩定狀態。

圖2? 有限元計算模型

圖4? 最小主應力云圖

2.2? 破壞模式分析

我們采用強度折減法來確定邊坡體在各種自然荷載作用下的失穩破壞模式。該方法是通過不斷折減邊坡巖體材料的抗剪強度參數，直至坡體達到極限平衡狀態的過程。這樣，我們可以確定邊坡體在自然營力的不同作用下所呈現出的失穩破壞模式。

我們使用強度折減法將邊坡計算至極限平衡狀態，圖6為分析計算結果圖，從中可知，錯落式破壞為該陡崖邊坡在發生破壞時產生的主要破壞模式。持續施加上部自重荷載，伴隨著的是巖土體參數的持續降低弱化，剪應力在邊坡底部持續出現集中現象，最終在達到極限抗剪強度后產生破壞，剪切塑性變形首先從邊坡底部出現，于此同時巖體開始從距離坡腳約10 m的位置向外裂開并剪切破壞，形成了貫通的破壞面（圖7）?；潞缶壍睦衙娣浅６盖停▋A角為83°），因此滑體主要向下發生錯落變形，導致了錯落式滑坡的形成。

圖5? 巖體屈服區分布圖

圖6? 強度折減至極限平衡時坡體變形圖

3? 陡崖體失穩對橋梁安全分析

由前述分析可知，陡崖高邊坡自重荷載作用下，整體處于欠穩定狀態，破壞模式為整體錯落式變形。擬建橋梁距陡崖體最小凈距為40 m，陡崖高邊坡一旦變形，是否會危及擬建橋梁安全，非常有必要進行詳細分析。

根據陡崖高邊坡可能的破壞范圍，結合橋梁幾何位置及工程地質條件，建立數值計算模型，如圖8所示。根據破壞模式，將坡體材料分為滑體、滑帶和滑床，滑體和滑帶視為彈塑性損傷材料，服從Druker-Prager屈服準則，滑床視為線彈性材料，橋梁混凝土結構視為損傷彈塑性材料，均采用實體單元模擬。具體材料物理力學參數見表3。

圖7? 極限平衡時屈服區分布圖

（a）? 幾何模型? ? ? ? ? ? ? ? （b）? 網格劃分

圖8? 有限元模型

表3? 材料物理力學參數

采用有限元-離散元耦合分析技術研究邊坡失穩對橋梁安全性的影響。不同時刻邊坡及鄰近橋梁的變形圖如圖9所示。

從圖9中可直觀地觀察到邊坡發生破壞的整個過程，首先邊坡從局部破裂，隨著滑坡的持續發育，直至坡體失穩形成滑坡，滑坡體錯落并產生解體崩塌，以高速掉落并滑進河谷地區，因此橋梁受到沖擊作用而產生垮塌。通過對圖9的分析，我們可以發現，陡崖高邊坡首先自底部開始發生剪切破壞，破壞面沿著豎向節理向上擴展直至坡頂，導致整個邊坡出現錯落式滑坡?；w整體向下墜落，但受拉應力的影響導致滑坡解體，并沿著滑道滑動，最終滑入河谷中。由于滑坡體積相對較大，在滑坡過程中速度較快，雖然河床與滑體之間存在一定的摩擦作用，但由于滑坡體重量大且存在滾動的現象，因此前述的摩擦力并不能阻止滑體滑動，因此，錯落巖體將會繼續向前滑動，離橋梁越來越近。通過現場實際可知，擬建橋梁與陡崖邊坡的水平凈距只有40 m，錯落體很容易將會到達橋梁位置，從而對橋梁產生沖擊作用，最終與橋梁墩臺底部發生撞擊，橋墩從根部斷裂，橋梁整體倒塌。

（a）? t=0.7 s

（b）? t=1.4 s

（c）? t=3.15 s

（d）? t=4.2s

（e）? t=5.25 s

（f）? t=6.65 s

圖9? 邊坡失穩及對橋梁影響全過程變形圖

通過以上分析可知，陡崖高邊坡容易在自重應力作用下產生破壞，繼而出現失穩，出現滑塌體，嚴重威脅鄰近橋梁安全。為避免邊坡滑塌災害對橋梁造成破壞，建議采取以下3個方案進行治理。一是主動加固陡崖高邊坡，即對陡崖邊坡進行錨固，比如采取預應力錨索加固等，確保邊坡穩定；二是被動攔截，即在陡崖坡腳處設置攔截擋墻，抵擋滑坡或降低滑坡滑動速度；三是在邊坡失穩影響范圍內避免設置橋墩。

4? 結論

1）采取工程地質調查結合有限元強度折減法分析可知，自重荷載作用下，該陡崖邊坡整體處于欠穩定狀態，變形模式為錯落式滑坡變形。

2）采取有限元-離散元耦合分析技術研究邊坡失穩對橋梁安全性的影響。由分析結果可知，陡崖邊坡產生錯落變形后，錯落巖體最終與橋梁墩臺底部發生撞擊，橋墩從根部斷裂，橋梁整體倒塌。

3）提出預應力錨索加固陡崖邊坡、坡腳設置攔截擋墻、邊坡失穩范圍內避免設置橋墩3種方案應對高陡邊坡對擬建橋梁安全的影響。

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