上壩大橋巖質(zhì)岸坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

任 勇，馮 強(qiáng)，韓 蒙

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

西南地區(qū)鐵路工程建設(shè)在很大程度上受到沿線各種地質(zhì)災(zāi)害以及地形條件的制約，線路主要采用橋梁、隧道工程方式行進(jìn)在高山巨川之間［1-2］。本文以納界河大橋巖質(zhì)岸坡為研究對(duì)象，采用 ANSYS有限元法［3-5］，對(duì)大橋岸坡在天然狀態(tài)和荷載作用下穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，從而得到該邊坡的應(yīng)力、變形和強(qiáng)度演化特征，確定強(qiáng)度破壞的區(qū)域和面積，為今后研究云南地區(qū)該類高陡巖質(zhì)邊坡提供參考。

1 工程概況

上壩大橋位于云南省施甸縣，左岸有鄉(xiāng)村公路相通，右岸則僅有山間小路，橋址區(qū)交通條件相對(duì)較好。橋址區(qū)為黔北中低山地貌，地面高程1 130～1 439 m，相對(duì)高差309 m。初步擬建橋位橫跨濫棗河，為深切河谷地貌。上壩橋址選擇地段的流向?yàn)楸蔽飨颍哟舱w呈“V”字形，左右兩岸岸坡底部陡峭，高度達(dá)十幾米，坡度達(dá)到60°;岸坡中部坡度相對(duì)較緩，坡度約為45°，頂部坡度近直立。左側(cè)坡體基巖大量出露，坡體表面植被較發(fā)育;右側(cè)坡體大部分被基巖風(fēng)化物覆蓋，局部有出露，坡體表面植被較發(fā)育，橋址區(qū)范圍內(nèi)無(wú)居民點(diǎn)分布。

左岸橋址處地層巖性主要為白云質(zhì)灰?guī)r，灰白色、肉紅色。橋址處頂層為微風(fēng)化到中風(fēng)化灰?guī)r，灰白色，層理面不明顯，局部可見(jiàn)節(jié)理裂隙較為發(fā)育，頂部植被茂密。右岸處為黃色、灰色泥質(zhì)灰?guī)r，中厚層 ～厚層狀。層面產(chǎn)狀:47°∠42°，中等風(fēng)化程度，巖體表面有溶蝕現(xiàn)象，岸坡頂部基巖可見(jiàn)，植被茂密，未發(fā)現(xiàn)地下水出露于地表。

2 數(shù)值模擬分析

采用有限單元法對(duì)邊坡巖體力學(xué)行為進(jìn)行分析，數(shù)值分析通過(guò)有限元軟件ANSYS10.0實(shí)現(xiàn)，分析岸坡巖體在天然狀態(tài)下、橋梁荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)。

2.1 參數(shù)選取

計(jì)算中巖體采用D-P本構(gòu)模型。結(jié)合該段工程地質(zhì)報(bào)告及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，整個(gè)邊坡分碎石土與白云巖2種地層，相關(guān)力學(xué)參數(shù)如表1所示，其中混凝土橋基的力學(xué)參數(shù)取無(wú)限大。橋梁荷載取3 364 058 kN。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

混凝土橋基、巖體、碎石土層均采用平面8節(jié)點(diǎn)PLANE82號(hào)單元，坡體附近網(wǎng)格加密，天然狀態(tài)與橋梁荷載作用計(jì)算模型如圖1、圖2所示。邊界條件為橫向左右邊界水平方向(X方向)約束，底邊界全約束，重力加速度取10 m/s2。

2.3 岸坡巖體穩(wěn)定性有限元分析

在進(jìn)行岸坡巖體應(yīng)力特征的分析時(shí)，主要關(guān)注的是橋基附近巖體的應(yīng)力狀態(tài)，因此下面主要對(duì)線路縱剖面的巖體應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行研究。

2.3.1 天然狀態(tài)下

圖1 天然狀態(tài)下岸坡計(jì)算模型

圖2 橋梁荷載作用下岸坡計(jì)算模型

由圖3可看出，最大主應(yīng)力與埋深呈線性關(guān)系，坡腳及變坡點(diǎn)附近形成應(yīng)力集中區(qū)，兩岸最大主應(yīng)力可達(dá)3.0 MPa以上，但仍遠(yuǎn)低于巖體的抗壓強(qiáng)度。

由圖4可看出，最小主應(yīng)力在坡面上局部形成拉應(yīng)力，坡面附近最小主應(yīng)力方向幾乎與坡面平行，向坡內(nèi)逐漸正?；?，逐漸變化為與埋深呈線性關(guān)系。右岸坡頂上巖體最小主應(yīng)力形成拉張區(qū)，總坡面和坡頂上形成的拉應(yīng)力對(duì)岸坡巖體的穩(wěn)定不利。

圖5表示剪應(yīng)力在坡腳和變坡點(diǎn)附近同樣形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是坡腳，剪應(yīng)力值較大，最大可達(dá)1.0 MPa左右，在陡坡與緩坡的變坡點(diǎn)處，剪應(yīng)力也較大，這對(duì)坡腳及變坡點(diǎn)附近巖體的穩(wěn)定不利。

通過(guò)有限元強(qiáng)度折減法得到［6-7］，左岸、右岸岸坡在自然狀態(tài)下的安全系數(shù)分別為2.00，2.20，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3.2 荷載作用下

圖3 線路縱剖面巖體最大主應(yīng)力分布特征

圖6表示橋梁荷載作用下橋梁基礎(chǔ)附近巖體最大主應(yīng)力分布特征。與天然狀態(tài)相比，基底附近巖體最大主應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了明顯的改變，特別是基礎(chǔ)底部，均產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值明顯增大，但應(yīng)力集中的范圍并不大，遠(yuǎn)離基礎(chǔ)的巖體應(yīng)力并未受到太大的影響。從圖6中可以更加清楚地看出，基礎(chǔ)附近巖體最大主應(yīng)力全為壓應(yīng)力。右岸基礎(chǔ)附近巖體開(kāi)挖后，最下部橋基處出現(xiàn)最大主應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力可達(dá)1.0 MPa以上。左岸與右岸類似，在橋基下部出現(xiàn)最大主應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力最大值可達(dá)3.0 MPa。

圖5 線路縱剖面巖體剪應(yīng)力分布特征

橋梁基礎(chǔ)附近巖體最小主應(yīng)力特征如圖7所示?；赘浇鼛r體最小主應(yīng)力受到很大的影響，基底兩側(cè)巖體因橋梁荷載產(chǎn)生了較大的張應(yīng)力，但范圍僅限于基礎(chǔ)附近很小區(qū)域。兩岸坡面上巖體局部均存在拉應(yīng)力現(xiàn)象，岸坡巖體有拉張破壞的條件。

圖8表示橋梁荷載作用下基礎(chǔ)附近巖體剪應(yīng)力分布特征，除岸坡變坡點(diǎn)附近存在剪應(yīng)力集中現(xiàn)象以外，受荷載影響，基底還存在局部剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中最下部主墩基礎(chǔ)底部剪應(yīng)力集中的范圍較大，并且附近開(kāi)挖后覆蓋層岸坡中也同時(shí)由于應(yīng)力集中產(chǎn)生了塑性變形區(qū)，其它基礎(chǔ)底部剪應(yīng)力集中程度及范圍均較小。剪應(yīng)力集中表明該區(qū)域巖體存在剪切破壞的可能性較大。

通過(guò)有限元強(qiáng)度折減法得到，左岸、右岸邊坡在橋梁荷載作用下的安全系數(shù)分別為1.60，1.70，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 橋梁荷載作用下橋基附近巖體最大主應(yīng)力

圖7 橋梁荷載作用下橋基附近巖體最小主應(yīng)力

圖8 橋梁荷載作用下橋基附近巖體剪應(yīng)力

3 結(jié)論及建議

1)總體上來(lái)看，岸坡應(yīng)力場(chǎng)特征表現(xiàn)出明顯受重力場(chǎng)控制的河谷應(yīng)力場(chǎng)特征。同時(shí)受岸坡巖體結(jié)構(gòu)特征及巖性組合的影響，岸坡應(yīng)力場(chǎng)在軟硬巖性變化帶附近出現(xiàn)較大的變化，而巖性相對(duì)均勻的部位應(yīng)力值變化較均勻。

2)天然狀態(tài)下，兩岸谷底及陡坡段坡腳存在最大主應(yīng)力集中現(xiàn)象，但最大主應(yīng)力遠(yuǎn)低于巖體抗壓強(qiáng)度，巖體不會(huì)因不滿足抗壓強(qiáng)度而破壞，坡面和坡頂局部存在拉應(yīng)力，對(duì)岸坡巖體的穩(wěn)定不利。

3)橋梁荷載作用下，基底巖體應(yīng)力存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，遠(yuǎn)離橋基時(shí)，巖體應(yīng)力狀態(tài)逐漸與天然巖體應(yīng)力狀態(tài)一致。橋梁荷載的作用，使原本遠(yuǎn)離橋基的塑性應(yīng)變區(qū)呈現(xiàn)向橋基下方巖體中發(fā)展的趨勢(shì)，使橋基下方巖體中出現(xiàn)局部塑性區(qū)。橋梁荷載對(duì)坡面巖體應(yīng)力影響較大，岸坡巖體是否破壞，需要進(jìn)行強(qiáng)度校核。另外，對(duì)于大橋的兩個(gè)主墩放置于較厚的覆蓋層中，從有限元分析結(jié)果看，主墩開(kāi)挖后較厚的覆蓋層中產(chǎn)生塑性變形區(qū)，因此主墩施工開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)注意覆蓋層岸坡的穩(wěn)定性，需采取一定的防護(hù)措施。

4)沿線路剖面方向有限元計(jì)算結(jié)果表明，左岸、右岸兩岸坡基本穩(wěn)定，自然狀態(tài)下安全系數(shù)分別為2.00，2.20，橋梁荷載作用下安全系數(shù)分別為1.60，1.70。

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