不同软件对桥梁桩基在路基边坡成桩后的稳定性分析心得分享

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设计成果在审查时总会遇到一些交叉专业的问题，桥梁桩基在既有路基边坡成桩后的稳定性问题就是审查专家普遍会提到的问题，此外桥梁岸坡、陡坡稳定性分析也是同样，这个时候桥梁专业和路基专业就需要通力合作，而且需要分析其全寿命周期稳定性。一般情况下全寿命周期稳定性包含以下几点：

（1）施工时承台施工平台边坡的开挖坡率的确定及施工工况下的稳定性；

（2）成桩后桥梁岸坡陡坡的整体稳定性；

（3）运营时桥梁岸坡陡坡的整体稳定性；

（4）此外应分析运营时桥梁岸坡陡坡桩基顶部的位移，一般应不大于10mm与桩径1/100的较小值。

一般以上就是一个较为全面的全寿命周期稳定性分析报告的计算部分提纲。

（一）软件及分析方法的选定

至于边坡稳定性分析软件的选择，对于此稳定性问题，所有的软件均能满足要求，极限平衡法和CAE软件无非是分为岩土层和桩体两个实体单元，因此均能适用，至于说哪个稳定性算的较为准确，我认为是相同的！由于桩基以上的边坡才是潜在最不利边坡区域，因此计算出的结果均会显示潜在滑动面从路基顶边缘到桩前位置。但由于对桩基顶部的位移有要求，比如填土并不密实，强度较低，上部边坡垮塌势必会影响下部桥梁桩基，所以需要双控，即稳定系数和桩顶位移，那么CAE软件无疑是更为全面的一个选择。（极限平衡法软件计算时未考虑行车荷载和桩顶荷载因此结果与有限元法软件计算结果稍有不同，就是为了给大家做个示例，因此没有加荷载））

图1极限平衡法软件计算结果

图2有限元软件强度折减法计算结果

对于极限平衡法软件计算稳定性的方法较多，但均需提前指定潜在滑动面，进行足够次数的全局搜索后得到最不利滑动面，有的软件在此基础上还能进一步对最不利滑动面进行精细化处理，不停调整每个条块的倾角和方向，使得滑动面稳定系数更小，但大多数情况下如果使用不当均会使滑动面偏离实际，因此对个人要求较高。对于数值分析法，以有限元和拉格朗日元法为例，其边坡稳定性计算的核心方法为强度折减法，不需要提前假定滑动面，但现在常规使用的还是对c值和φ的正切值进行同系数折减，但实际情况应基于岩土体黏聚力与内摩擦角发挥作用的先后及衰减速度的差异，将对应黏聚力及内摩擦角的双折减系数代替传统的单一折减系数（SRM），这就应运而生双强度折减法（DRM），双强度折减法讨论的关键是最终折减系数，多个学者均提出了不同的分析方法，我也曾经提出过基于内摩擦角及黏聚力折减速率和对边坡稳定系数影响程度确定双强度折减边坡稳定系数，并与统一折减法及极限平衡法进行比较，旨在为双强度折减法在实际公路工程的应用提供一些参考。（有兴趣的同仁可知网查询武博强,李博.基于双强度折减幅值加权法的公路边坡稳定性研究[J].公路交通科技,2023,40(09):75-81+90.）

图3黏聚力单折减结果

图4内摩擦角正切值单折减结果

图5两个单折减系数间的关系曲线

图6方法优劣性比较

除此之外，由于强度折减法得到的位移结果无法应用到实际（比如边坡折减系数为2.0，安全系数较高，但其位移大到几米），与实际情况相差较大，一般主流的解决方法有两个：

（1）直接进行弹塑性分析；

（2）考虑边坡极限破坏时其位移结果——通过强度折减法得到的折减系数对抗剪强度参数进行相应折减后将新的折减参数结果输入软件中再进行弹塑性分析。

还有学者研究认为泊松比是随着抗剪强度进行变化的，这样得到的位移结果可以直接在强度折减法结果中体现，郑宏教授在02年首次提出了强度折减法变形参数折减的必要性，并推出了泊松比折减的相应判据。我去年也有所研究，但是论文仅写了一半由于工作较忙，没有继续下去，等我完成论文后再和大家详细交流。

（二）二维分析还是三维

这个问题肯定是困扰不少人的，有的觉得桥梁桩基本来就是有间距的，而且圆桩在二维上显示的是方桩啊，二维分析不出来，其实我认为都可以，只要你找到正确的解决路径，三维无非是看起来更有冲击力，但是二维是更适合工程应用的，一个三维模型建模手慢的需要几小时，有几十个边坡模型等着他，别说跑模型了，就是建模完了都该交图了，所以说我们可以选择三维作为典型断面的对比校核，以二维分析为主。主要的解决办法有以下几个：

（1）如果是圆桩，根据《桩规》，受剪分析可以在二维中通过0.8d换算为方桩边长进行建模分析；

（2）关于桩间距问题，桩的本构模型选择线弹性体，对弹性模量按桩距d进行取值，如钢筋混凝土Es=3e4Mpa，桩间距为30m，则实际桩体的弹性模量在软件中应取3e4/30=1e3Mpa；

（3）关于桩顶力的问题，各桩顶力为集中力，如果建模想建个上部承台或者冠梁，那需要将其上部力算清楚，这个可以求救桥涵同事，将其所给的集中力转换为均布载，但是均布载同样有间距的问题，因为不是每一米都有集中力或均布荷载的，这里应该注意。

图7二维软件分析结果

（4）关于尺寸效应，我的偶像郑颖人院士提出了数值模型的各边界延伸尺寸，我也对其进行了研究，最后建议为：边坡模型的推荐通用边界尺寸，即坡脚至下边界尺寸U不小于0.75H，右边界至坡顶边界尺寸R不小于2H，左边界至坡脚边界尺寸L应小于1H（具体大家有兴趣可以知网搜索我的论文武博强,王勇,张葆永,等.土质边坡数值模型稳定性的求解精度研究[J].公路交通科技,2024,41(01):71-78.），在此计算中，我建议对于边坡坡顶右边界应延伸至少2倍均布荷载的长度，以保证应力应变的正确分布。