基于有限元的桥基斜坡稳定性及支护措施研究

作者简介：冯录双（1985—），工程师，主要从事公路工程施工管理工作。

为研究桥基斜坡的稳定性及支护措施，文章以云南省昆明市某边坡工程为例，基于有限元数值模拟软件MIDAS GTS分析了边坡在不同工况下的位移变化特征，并提出锚索抗滑桩的边坡支护措施。主要结论为：（1）桥梁荷载使岩土体的粘聚力和内摩擦角发生劣化，位移变化主要集中在边坡中下部；（2）桥基边坡对地震所产生的动力荷载较为敏感，坡体内部的岩土体与桥基均易受到动力荷载的影响；（3）随着降雨持续时间的增加，边坡的最大位移由坡顶缓慢向坡底处移动，且位移量不断增加；（4）锚索抗滑桩改善了坡体的受力模式，进而使得边坡的位移量减少，起到了较好的预加固作用。

边坡稳定性；MIDAS GTS有限元软件；锚索抗滑桩

U445.55A301064

0 引言

改革开放以来，我国基础建设规模不断扩大。在交通运输、水利工程以及采矿行业飞速发展的同时，出现了大量的人工边坡，人工边坡自稳性差，在强降雨和地震耦合作用下容易发生滑动，严重威胁着国民的生命财产安全。例如2008年汶川发生的8.0级特大地震，严重危害了百姓的生命和财产安全，因地震而产生的地质灾害数不胜数，其中滑坡类地质灾害就多达4 800余个。因此，研究边坡稳定性问题以及支护新方式显得尤为关键。

近些年来，国内外研究学者针对边坡稳定性及支护措施开展了大量的研究。目前的研究方法主要集中于数值分析方法（PFC、ANSYS、FLAC 3D等）与极限平衡法。Espinoza等［1］通过极限平衡法对露天矿边坡的稳定性进行分析，总结了缺陷地层对边坡稳定性的影响。Fredlund等［2］通过设置不同参数对边坡的渗流过程进行模拟，分析雨强变化对边坡稳定性的影响，结果表明：雨水的入渗会使得边坡安全系数降低，基质吸力下降。谭银龙等［3］以三峡库区金鸡岭滑坡为例，采用MIDAS-GTS软件对不同工况下滑坡稳定性进行分析，结果表明：在强降雨作用下，滑坡可能产生整体滑移。邵磊［4］通过FLAC 3D软件建立了有锚索抗滑桩联合加固支护的边坡模型，研究了锚固位置的改变对锚索抗滑桩受力和位移的影响，结果表明：锚索抗滑桩加固位置的变化对边坡最大位移的影响较小，对边坡的安全系数的影响较大。裴强［5］利用FLAC 3D有限元软件研究了锚索抗滑桩加固支护边坡在地震作用下桩身内应力、坡体内应力以及坡体水平位移的变化规律，结果表明：在地震作用下边坡水平位移减小，这是因为地震使坡体形成了土拱，与普通的抗滑桩相比，预应力锚索-抗滑桩的弯矩分布规律近似“S”型，与剪力的分布规律相反。Zhu等［6］通过数值模拟和物理模型试验，分析了桥基边坡在渗流侵蚀作用下的稳定性问题，并提出了相应的加固措施。

边坡稳定性是工程建设过程中的重点研究问题，而降雨与地震是诱发边坡失稳的直接因素，因此，本文基于前人对桥基边坡研究的基础上，结合云南省昆明市某大桥工程左侧桥基边坡，采用数值模拟的手段对不同工况下桥基边坡的稳定性进行分析，基于分析结果提出相应支护措施。

1 工程概况

研究区位于云南省昆明市，地势险峻，地形起伏较大，区域地势差异较大，主要地貌为高山剥蚀山地陡坡地貌。

地层岩性按结构顺序从上至下为：杂填土，主要成分为碎石，粒径约为0.5～3 cm，厚度约为0.2 m；黏土，硬塑，稍湿，厚度约为1～2 m，韧性以及干强度中等，结构较松散、有较好的压实性，容易产生竖直位移集中的沉降现象；下覆基岩上部为少量全风化板岩，存在较多风化不均匀的现象，大部分岩石已经风化为具有一定塑性的黏土；下部为较坚硬的中风化板岩，完整性较好，力学性质稳定，承载能力较强，经过施工处理后较适宜桥梁工程的建设。

工程区内未发现明显地表水的存在，地下水主要以第四系孔隙水、岩溶水以及裂隙水为主，裂隙水水量较小，以大气补给为主。区断裂带走向北东，边坡所处位置位于向斜南东翼，工程区内次级褶曲不发育，区内无断层。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015）附录E，工程区抗震设防烈度为7度，地震加速度值为0.10 g，设计特征周期为0.45 s，设计地震分组为第三组。设计应按相关规范做好抗震设防。

2 有限元模型建立

2.1 MIDAS GTS有限元软件介绍

MIDAS GTS是MIDAS公司旗下的一款针对岩土工程的有限元分析软件，拥有较先进的DIANA的有限元分析内核，其非线性分析能力能出色解决在溶洞、隧道、边坡等各类岩土工程上所遇到的难题，支持十余种本构模型以及多种自定义模型，通过MIDAS GTS软件中的不同计算模块可以对不同工况下的边坡进行稳定性分析。如图1所示为MIDAS GTS软件的有限元建模过程［7］。

2.2 模型构建

边坡模型如图2所示，按照实际工程桥基边坡坡顶高程为50.2 m，坡底高程为20.2 m，高差为30 m。在边坡底部布设1根直径6 m，长12 m的桥梁桩基，在坡中部布设两根直径4 m，长8 m的桩基，在坡顶部布设一根直径2 m，长6 m的桩基，并对桥基边坡桩基位置处施加均布桥梁荷载，荷载按实际项目桥基承载力设计值q=0.259 MPa取值。

2.3 细观参数的确定

细观参数对MIDAS GTS软件的模拟结果的准确性影响较大，而软件未给出细观参数与宏观参数的定量关系，因此土体力学参数根据野外调查报告以及室内试验进行确定，如表1所示为岩土体力学参数。

2.4 网格划分及边界条件

MIDAS GTS软件的网格划分需要对模型的重点分析部位进行网格加密处理，本文采用单位长度的方法对网格进行尺寸控制，模型网格包括158 482个节点以及144 235个单元。

关于边界条件，本文首先约束了边坡左右两侧的位移，即在水平x方向设置位移约束，随后在竖直y方向设置了模型前后端的位移约束，而模型的底部需要固定不动，故设置了x、y、z 3个方向的位移约束。

3 模拟结果分析

为研究桥基边坡的稳定性问题，本节通过研究边坡在自然条件、暴雨条件以及地震条件下的稳定性，来综合分析不同工况对边坡稳定性的影响。

为了确保本文的研究成果可运用至实际工程中，本文提取了工程现场的边坡位移监测数据，将监测数据与数值模拟结果进行对比分析，监测点布设如图3所示。

3.1 自然条件下桥基边坡稳定性分析

如图4、图5所示为桥基边坡水平位移与竖直位移监测曲线，通过现场监测数据与数值模拟结果可知，边坡的水平位移集中于坡脚处，随着边坡高程的增加，水平位移逐渐减小；水平位移最大值为2.54 cm，竖直位移集中于坡顶处，随着边坡高程的增加，竖向位移逐渐增大，竖向位移的最大值为2.75 cm。由此可知，边坡的主要位移区域集中于坡表处的粉质黏土以及全风化的板岩；桥梁荷载降低了岩土体的粘聚力和内摩擦角，使边坡中下部的总体位移较大。通过计算得出边坡安全系数为1.59，处于稳定状态。

数值模拟与实际监测边坡位移的变化规律一致，但存在较小的偏差。

主要原因如下：

（1）在建模过程中，简化了边坡的部分结构以及土层的厚度，同时数值模拟中未能精确反映当地的水文地质条件。

（2）数值模拟并未考虑地表水及地下水的变化影响。

（3）施工期间的荷载变化也会对桥基边坡的变形产生一定的影响。

3.2 暴雨条件下桥基边坡稳定性分析

根据云南省气象部门对暴雨气候制定的标准，设置降雨持时为12 h，降雨雨强为180 mm/d，如图6所示为暴雨条件下桥基边坡的水平与竖直位移监测图。

由图6可知，桥基边坡在降雨3 h后，产生最大水平位移约为4.6 cm，最大竖直位移约为3.2 cm，边坡的总体位移较小，最大位移集中于坡脚处；经过6 h的降雨后，最大位移集中上移到边坡中下部，坡体顶部的位移增长速率逐渐下降，随着降雨时间的增加，位移从坡顶向坡脚延伸变大，位移趋势不断增大。这是由于坡体内部含水量增加，导致边坡自重增大，粘聚力与内摩擦角降低，坡体内部的孔压不断增加，使边坡的下滑力不断增加。

在暴雨工况下，桥基边坡的安全系数降低到1.09，查阅相关规范，在暴雨工况下该边坡处于较稳定状态，但安全系数与自然工况下相比由1.59下降到1.09，下降幅度约31%，边坡的稳定性急剧下降。

3.3 地震条件下桥基边坡稳定性分析

本文根据工程地质条件设计地震波的峰值加速度为0.15 g，反应谱的特征值为0.35 s，如图7和图8所示分别为地震条件下桥基边坡的水平与竖直位移监测图。

由图7可知，各个监测点的水平位移随着地震波峰值加速度的增大而增大，但坡体各个部位的增长速率不同，坡体中部的水平位移的增长速率明显大于坡顶处与坡脚处的增长速率，且坡脚处与坡中处在峰值加速度增大时其位移差值要明显小于坡顶部的差值，表明桥基边坡在地震条件下坡脚与坡中部的水平位移更加敏感。由图8可知，桥基边坡在地震作用下其竖直位移主要集中于坡顶处。桥基边坡对地震所产生的动力荷载较为敏感，不仅坡体内部的岩土体受到动力荷载的影响，桥基附近的位置也会受到影响，因为桥梁桩基的刚度相对于岩土体更大，在地震作用下更容易产生位移。

在地震工况下，桥基边坡的安全系数降低到0.98，查阅相关规范，在地震工况下该边坡处于欠稳定状态，安全系数下降幅度约38%，说明动力荷载对边稳定性影响非常大，也证明了地震是诱发边坡失稳的主要因素之一。

4 桥基边坡支护措施分析

根据工程实际和前文对桥基边坡在不同工况下的数值模拟，本文采用锚索预应力抗滑桩对边坡进行支护，并通过MIDAS GTS软件对支护方案在各个工况下进行模拟。

首先在边坡底部布设了一排锚索抗滑桩，锚索为4束16 mm的钢绞线，抗滑桩桩长21 m，伸出地面长度为8 m；坡体中部与顶部的锚索预应力抗滑桩与坡底的抗滑桩交错布设，锚索为3束16 mm的钢绞线组成，桩长12 m，伸出地面长度为2 m，为悬臂式抗滑桩，如图9所示。锚索抗滑桩的各个参数依照《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）进行取值。

4.1 自然工况

如图10所示为支护过后的桥基边坡在自然工况下的位移曲线图。由图10可知，锚索抗滑桩的布设减小了桥基边坡中部的位移，并使坡体的整体位移趋势向坡体顶部转移，这是由于支护措施使边坡的应力分布更加均匀，坡面所受到的由重力控制的拉应力转变为压应力，减少了应力集中的现象。边坡的安全系数由先前的1.59提升到了1.88，提升幅度为18%，锚索抗滑桩的支护效果较好。

4.2 暴雨工况

如图11所示为支护过后的桥基边坡在暴雨工况下的位移曲线图。由图11可知，随着降雨时间的增长，桥基边坡的位移增长趋势与未支护前的圆滑曲线不同，而是呈波浪形的曲线，这是因为在锚索抗滑桩的加固作用下，坡体在缓慢变形时会受到锚索的牵制，逐渐减少坡体向下的滑动，曲线出现较大浮动的波动。边坡的安全系数由1.09提升到了1.68，提升幅度为54%，大幅度提升了边坡的安全稳定性。

4.3 地震工况

如图12所示为支护过后的桥基边坡在地震工况下的位移曲线图。由图12可知，支护过后的桥基边坡在地震作用下的位移与支护前（图7）相比明显下降，这是由于随着坡体下滑力的增加，锚索抗滑桩所受的拉力也随之增加，改善了坡体的受力模式，减少潜在的滑体受力，从而限制边坡的位移趋势。边坡的安全系数由0.98提升到了1.53，提升幅度为56%，说明锚索抗滑桩在地震作用下也能起到很好的支护作用。

5 结语

本文以云南省昆明市某桥梁工程左侧桥基边坡为例，

基于MIDAS GTS软件，对各工况下桥基边坡的稳定性进行分析，并对采用锚索抗滑桩加固后边坡的稳定性进行研究，分析边坡安全系数以及位移变化，为西南高山峡谷地区的桥梁建设提供参考。

本文得到如下主要结论：

（1）边坡的水平位移集中于坡脚处，随着边坡高程的增加，水平位移逐渐减小。

（2）桥梁荷载降低了岩土体的粘聚力和内摩擦角，使边坡中下部的位移增长速率增加，导致边坡中下部出现较大位移。

（3）桥基边坡的水平位移随着地震波峰值加速度的增大而增大，但坡顶、坡腰以及坡脚处的增长速率不同，坡体中部的水平位移增长速率明显大于坡顶处与坡脚处的增长速率，坡脚与坡中部的水平位移更容易受到扰动荷载的影响。

（4）锚索抗滑桩对桥基边坡有较好的支护作用，使边坡在各种工况下都能保持较好的稳定性。

参考文献

［1］Espinoza R D，Bourdeau P L，Muhunthan B.General framework for stability of slopes［J］.Geotechnique，1992，42（4）：603-615.

［2］Fredlund，D G，Xing，A.Equations for the soil-water characteristic curve［J］ .Can.Geotech.J，1994（31）：521-532.

［3］谭银龙，许万忠，曹家菊，等.基于Midas-GTS的三峡库区金鸡岭滑坡成因机制与稳定性分析［J］.水文地质，2023，50（1）：113-121.

［4］邵 磊.预应力锚索抗滑桩锚固位置优化研究［J］.安全与环境工程，2016，23（2）：143-146，152.

［5］裴 强，夏超南，刘小庆，等.预应力锚索抗滑桩支护边坡的地震动力响应分析［J］.煤炭技术，2018，37（9）：57-58.

［6］Zhu，L，Yang，Y，& Zhang，X.Study on Stability Analysis and Reinforcement Measures of Bridge Abutment Slope.Journal of Transportation Engineering and Information，2020，18（5）：123-129.

［7］Bo He，Hongcai Zhang.Stability Analysis of Slope Based on Finite ElementMethod［J］.International Journal of Engineering and Manufacturing（IJEM），2012，2（3）：70-74.