高速铁路桥梁桥基边坡稳定性及稳定坡角研究——以西成高铁养家河大桥为例

巨小强

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

高陡岩质边坡在基岩山区普遍存在，基岩边坡是在内外地质应力共同作用下形成和发展的，基岩的自然边坡是边坡自身适应自然环境和地质环境的结果。西成高铁穿越秦岭山区和大巴山区，由于高速铁路建设标准高，西成高铁在秦岭山区和大巴山区不可避免地在隧道洞口和桥梁桥台处遇到高陡岩质边坡问题，目前对高陡岩质边坡失稳破坏的内部机制或过程还缺乏更深入的认识，《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2013)[1]仅适用于边坡高度在30 m以下(含30 m)的岩质边坡，对于高度大于30 m的高陡岩质边坡稳定性和稳定坡角的确定，目前相应的规范及手册没有明确的规定。《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB 10093—2017)[2]指出墩台应避开不良地质，陡峭山坡上修建墩台时应注意基础下岩体的稳定。《铁路工程地质勘察规范》(TB10012—2007)[3]指出，基岩地区陡立岸坡地段应根据地层岩性、结构面特征、水文地质特征及水文条件等进行工程地质条件的综合分析，做出岸坡稳定性评价，为工程基础设置提供依据。令人遗憾的是，这些规范并未对桥基荷载作用下边坡整体稳定性的分析方法给出建议，给工程技术人员带来较大的难题。蒋爵光、谢强等根据对大量道路边坡的统计和理论分析，建立了边坡岩体质量指标与铁路岩石边坡坡度的定量关系式，提出了铁路岩石边坡稳定性评价方法[4-6]。此方法基于自然稳定高边坡的统计分析获得，不宜直接应用于承受重大荷载的高陡边坡的稳定坡角确定，其最大的不足是没有考虑到荷载大小的因素。从国内外的研究现状中可以看出，高陡边坡稳定坡角的确定始终没有合适的方法，现有的规范和手册对高陡边坡稳定坡角的确定基本上未涉及到，采用基于统计手段的稳定坡角经验公式法确定稳定坡角又存在不足，不能使稳定坡角设计做到安全可靠与经济合理的两者统一[7-12]。本研究考虑了桥基边坡的实际荷载和不同工况下的动荷载作用，选取的岩体力学参数为现场实际测试所得，通过数值模拟计算和边坡体地质特征综合分析所确定的稳定坡脚对设计和施工更有针对性，其合理性也得到了工程的验证。

1 研究概况

1.1 研究方法和思路

通过对西成高铁陕西段所穿越的秦岭山区和大巴山区的区域地质情况进行总结，分析养家河大桥成都侧桥基边坡等4个工点的地质条件，将这4个边坡分类为结构面控制型边坡和岩体强度控制型边坡[13]。对于岩体强度控制型边坡，通过输入边坡岩体的力学参数、边坡的几何参数以及各种工况下的外在影响因素参数，借助FLAC3D软件，搜索出可能的潜在破裂面位置，并采用强折减理论，通过软件反复分析，借助类似极限平衡法的分析计算方法，计算出边坡的稳定系数和稳定坡角[14-20]。在数值模拟分析确定稳定坡角的基础上，结合现场实测的自然边坡高度、坡度、岩体产状、节理裂隙发育程度、风化情况，综合确定桥基边坡的稳定坡角。

1.2 研究的现实意义

确定高陡岩质边坡的稳定坡角涉及桥梁墩台安全，是一项复杂的岩体工程问题，本文结合实际研究有现实意义。没有明显的顺坡面的潜在滑移软弱结构面的高陡岩质边坡，按岩体强度控制，采用强度折减法计算高陡岩质边坡的稳定安全系数是有益尝试。本研究考虑了桥基边坡的实际荷载和不同工况下的动荷载作用，选取的岩体力学参数为现场实际测试所得，弥补了以往研究中未考虑实际荷载作用及岩体参数依靠经验数据的不足。

1.3 养家河大桥成都侧桥基边坡地质特征

西成高铁养家河大桥成都侧桥基边坡位于养家河沟内，地貌上属大巴山低山区，边坡高陡，边坡总高度约320 m，单级边坡高度约180 m，隧道进口处自然边坡为60°，边坡岩性为灰岩，隐晶质结构，厚层状构造，岩层产状N35°E/29°N，岩层反倾，岩质硬，性脆，节理较发育，主要结构面信息如下：节理组1，N85°E∠80°S，间距0.3～0.5 m，延伸大于10 m；节理组2，N8°E∠22°N、间距0.5 m，延伸大于10 m。边坡处地表水和地下水均不发育，结合地貌、岩性、构造及边坡的自然状态综合分析，边坡在自然状态下是稳定的。

2 分析模型的建立

2.1 边坡类型的确立

经分析判定养家河大桥成都侧桥基边坡没有明显的顺坡面的潜在滑移软弱结构面，符合岩体强度控制型边坡基本条件。

2.2 边坡数值分析方法的选择

对于岩体强度控制型岩质边坡，由于不存在明显的顺坡面的潜在滑移软弱结构面，需要通过一定的搜索方法得到边坡的破坏面或滑动面。FLAC3D是二维有限差分程序FLAC2D的扩展，能够进行土质、岩石和其他材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。FLAC3D采用的显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。养家河大桥成都侧桥基边坡稳定性研究契合该数值分析系统。

2.3 分析剖面选取

根据分析要求，结合养家河大桥成都侧桥基边坡地形地貌特征，选取坡度最大地质剖面边坡进行分析，养家河大桥成都侧桥基边坡分析剖面位置以及与线路的关系如图1所示。

2.4 分析参数与荷载参数

根据现场测试取得的地质资料及桥梁专业检算，养家河大桥成都侧桥基边坡的综合物理与力学参数及桥墩荷载取值如表1所示。

表1 养家河大桥成都侧桥基边坡岩体力学参数与桥墩荷载

图1 养家河大桥成都侧桥基边坡分析断面位置

3 养家河大桥成都侧桥基边坡稳定性数值分析

在建立分析模型及确定了分析参数与荷载参数后，通过输入边坡岩体的力学参数、边坡的几何参数以及各种工况下的外在影响因素参数，借助FLAC3D软件，搜索出可能的潜在破裂面位置，并采用强度折减理论，通过软件反复分析，借助类似极限平衡法的分析计算方法，计算出养家河大桥成都侧桥台在自然、列车运行及各种偶然工况下边坡的稳定系数和稳定坡角。下文以最不利的自重+水平地震+竖向地震+降雨偶然工况(方案6)为例进行分析。

3.1 边坡稳定性分析

图2 养家河大桥成都侧桥基边坡水平地震偶然工况下最大主应力云图

图2、图3给出了养家河大桥成都侧桥基边坡自重+水平地震+竖向地震+降雨偶然工况下的最大主应力、最小主应力云图。从图2、图3可以看出，养家河大桥成都侧桥基边坡受水平地震力、竖向地震力与降雨偶然工况时，分析区域内，边坡第一主应力最大值为0.69 kPa，最小值为-3.26 MPa；第三主应力最大值为-0.15 MPa，最小值为-6.28 MPa。结果表明，最大拉应力为0.69 MPa，最大压应力为6.28 MPa，边坡体中没有超过1.0 MPa的拉应力产生，也无过大压应力产生，从最大、最小拉(压)应力来看，对于当前水平地震力、竖向地震力与降雨偶然组合工况下边坡基本稳定。其他工况下边坡也都处于稳定状态。

图3 养家河大桥成都侧桥基边坡水平地震偶然工况下最小主应力云图

3.2 边坡稳定系数

图4、图5给出了养家河大桥成都侧桥基边坡受水平地震力、竖向地震力与降雨偶然组合工况的剪切应变增量图、位移矢量图。

图4 养家河大桥成都侧桥基边坡水平地震偶然工况下剪切应变云图

图5 养家河大桥成都侧桥基边坡水平地震偶然工况下位移云图

从图4、图5可以看出，当前水平地震力、竖向地震力与降雨偶然组合工况下，边坡稳定系数为4.23。其他各种工况下的边坡稳定系数如表2所示，从表2可以看出，各工况稳定系数中，方案6即水平地震力、竖向地震力与降雨偶然组合工况下，边坡稳定系数最小，为4.23，最大稳定系数为自然工况下的8.02。

表2 养家河大桥成都侧桥基边坡各工况下稳定系数

3.3 各工况下边坡稳定坡角

数值模拟分析确定稳定坡角的具体方法为，通过数值分析模型，搜索出可能的潜在破裂面位置，并采用强度折减理论，对现场实测的力学参数进行折减，通过软件反复分析，借助类似极限平衡法的分析计算方法，在给定一定的安全系数后，通过驻点求导计算出养家河大桥成都侧桥台在自然、运行及各种偶然工况下边坡的稳定坡角。

养家河大桥成都侧桥基边坡各种工况下的稳定坡角如表3所示，从表3可以看出，各工况下对于养家河大桥成都侧桥基边坡，从方案1到方案6，边坡所需要的稳定坡角逐渐减小。具体来看，方案6即水平地震力、竖向地震力与降雨偶然组合工况下，边坡所要求的稳定坡角为56.3°，自然工况下稳定坡角为64.0°。

表3 养家河大桥成都侧桥基边坡各工况下稳定坡角

3.4 各工况下边坡稳定坡角与自然坡角折减系数

养家河大桥成都侧桥基边坡自然坡度为60°，以自然边坡为基准，根据不同工况下稳定坡角与自然坡角的关系，推算不同工况下稳定坡角与自然坡角的折减关系，见表4，不同工况下折减系数随工况的变化趋势见图6。根据不同工况下稳定坡角与自然坡角的折减关系分析，高陡岩质边坡的稳定坡角不是一个定值，从自然条件工况到运行+降雨+竖向+水平地震偶然工况，稳定坡角逐渐递减，与自然坡度相比，6种工况下折减系数变化范围为1.0～0.938不等，折减系数随工况的变化基本符合四次多项式的变化特征。

表4 养家河大桥成都侧桥基边坡各工况稳定坡角与自然坡角折减系数

图6 养家河大桥成都侧桥基边坡折减系数随工况的变化曲线

4 桥基边坡稳定坡角确定及验证

4.1 养家河大桥成都侧桥基边坡稳定坡角确定

分析以上数值模拟分析确定的各种工况下稳定坡角数值，方案6即水平地震力、竖向地震力与降雨偶然组合工况下，边坡所要求的稳定坡角为56.3°，自然工况下稳定坡角为64.0°。现场实测自然边坡总高度约320 m，单级边坡高度约180 m，桥基处自然边坡为60°。岩体为厚层状灰岩，岩层相对于坡面反倾，节理较发育。综合确定养家河大桥成都侧桥基边坡的稳定坡角为57°，据此对该桥边坡进行设计、施工。

4.2 养家河大桥成都侧桥基边坡稳定坡角验证

养家河大桥成都侧桥基边坡由于房家湾隧道进口施工时对边坡的刷坡影响，在桥台基础下方形成坡度近80°的高陡边坡，桥台右侧边坡受刷坡影响，发生了掉块现象，经设计专业现场核查，根据现场变化后的实际情况，延长了桥台进洞的长度，在养家河大桥成都台下方边坡设挡墙和护墙，以保证桥台下边坡稳定，在右侧掉块处设锚杆框架梁加固边坡。对隧道顶部边坡上松动岩体设主动防护网，目前，该处边坡已经施工完成，西成高铁全线亦开通运营，施工完成后的实景见图7。

图7 完工后的养家河大桥成都侧桥台

通过该桥设计、施工以及施工方案的变更验证表明，对于强度控制型高陡岩质边坡，在通过数值分析确定的稳定坡角基础上，结合现场实测自然边坡高度、坡度、岩体产状、节理裂隙发育程度、风化情况，综合确定桥基边坡的稳定坡角，方法合理，结论可靠，做到了安全可靠与经济合理的有机统一。

5 结论

(1)对于岩体强度控制型边坡，边坡稳定性研究的数值分析方法，主要是通过输入边坡岩体的力学参数、边坡的几何参数以及各种工况下的外在影响因素参数，借助FLAC3D软件，搜索出可能的潜在破裂面位置，并采用强度折减理论，通过软件反复分析，借助类似极限平衡法的分析计算方法，计算出边坡的稳定系数和稳定坡角。

(2)对于岩体强度控制型高陡岩质边坡，各工况稳定系数中，水平地震力、竖向地震力与降雨偶然组合工况下，边坡稳定系数最小。

(3)分析不同工况下稳定坡角与自然坡角的折减关系发现，岩体强度控制型高陡岩质边坡的稳定坡角不是一个定值，从自然条件工况到运行+降雨+竖向+水平地震偶然工况，稳定坡角逐渐递减，折减系数随工况的变化基本符合四次多项式的变化特征。

(4)对于强度控制型高陡岩质边坡，在通过数值分析确定的稳定坡角基础上，结合现场实测自然边坡高度、坡度、岩体产状、节理裂隙发育程度、风化情况等因素，综合确定桥基边坡的稳定坡角。该方法确定的稳定坡角在做到安全可靠与经济合理的有机统一方面是一种有益的尝试。