納界河巖質邊坡穩(wěn)定性數值分析

葉慧君

(浙江省龍泉市村鎮(zhèn)建設管理處，浙江 龍泉 323700)

本文以納界河大橋巖質岸坡為研究對象，采用Ansys有限元法［3～5］，對大橋岸坡在天然狀態(tài)和荷載作用下穩(wěn)定性進行模擬分析，從而得到該邊坡的應力、變形和強度演化特征，確定強度破壞的區(qū)域和面積。

1 工程概況

納界河特大橋位于清鎮(zhèn)市與織金縣交界處大寨村。該區(qū)屬貴州高原的灰?guī)r、白云巖地帶，溶蝕、侵蝕現象比較嚴重，加之地形起伏大，河流沖刷強烈，故山間深切河谷地貌十分發(fā)育，河谷兩側常形成高陡的絕壁。納界河流流向近似正北，河面寬約100m，兩岸上部及下部陡峭，且岸坡呈三階平臺，坡度近直立，最下一階即靠近河水的臺階有凌空面出露。大橋橋位位于納界河谷的“V”型峽谷處，河道比較平直，河流強烈下切，岸坡近于直立，局部岸壁坡度50～60°。兩邊山體相對高差10～330m，橋高約320m。在橋址范圍，坡面植被發(fā)育，多為灌木叢。基巖零星出露，覆蓋層一般較薄，大部分出現溶溝、溶槽等現象，其內部土層稍厚。

2 數值模擬分析

采用有限單元法對邊坡巖體力學行為進行分析，數值分析通過有限元軟件ANSYS10.0實現，分析岸坡巖體在天然狀態(tài)下、橋梁荷載作用下的力學響應。

2.1 參數選取

計算中巖體為采用D－P本構模型。結合該段工程地質報告及經驗數據，整個邊坡均質灰?guī)r地層，相關力學參數如表1所示，其中混凝土橋基的力學參數取無限大。橋梁荷載取732522.7 kN。

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2.2 網格劃分及邊界條件

混凝土橋基、巖體均采用平面8節(jié)點PLANE82號單元，坡體附近網格加密。邊界條件為橫向左邊界水平方向(X方向)約束，底邊界全約束，重力加速度取10m/s2。

2.3 岸坡巖體穩(wěn)定性有限元分析

在進行邊坡巖體應力特征的分析時，主要關注的是橋基附近巖體的應力狀態(tài)，因此下面主要從線路縱剖面的巖體應力狀態(tài)進行研究。

2.3.1 天然狀態(tài)下

圖1 縱剖面巖體最大主應力分布特征

由圖1可看出，最大主應力與埋深呈線性關系，坡腳及變坡點附近形成應力集中區(qū)，兩岸最大主應力可達4.0MPa以上，但仍遠低于巖體的抗壓強度。

圖2 縱剖面巖體最小主應力分布特征

由圖2可看出，最小主應力在坡面上局部形成拉應力，坡面附近最小主應力方向幾乎與坡面平行，向坡內逐漸正?；?，逐漸變化為與埋深呈線性關系。左岸坡頂上巖體最小主應力形成拉張區(qū)，容易使得節(jié)理裂隙在拉張作用力下延伸發(fā)展，形成局部崩塌落石，故總坡面和坡頂上形成的拉應力對邊坡巖體的穩(wěn)定不利。

圖3表示剪應力在坡腳和變坡點附近同樣形成應力集中現象，特別是坡腳，剪應力值較大，兩岸最大可達2.0MPa左右。這些地方巖體易受到剪切破壞而發(fā)生錯動滑移，這對坡腳及變坡點附近巖體的穩(wěn)定不利。

通過有限元強度折減法得到［6，7］，左岸、右岸邊坡在自然狀態(tài)下的安全系數分別為1.60、1.90，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3.2 荷載作用下

圖4表示橋梁荷載作用下橋梁基礎附近巖體最大主應力分布特征。與天然狀態(tài)相比，基底附近巖體最大主應力狀態(tài)發(fā)生了明顯的改變，特別是基礎底部，均產生了應力集中現象，應力值明顯增大，但應力集中的范圍并不大，遠離基礎的巖體應力并未受到太大的影響。從圖中可以更加清楚地看出，基礎附近巖體最大主應力全為壓應力。左岸基礎附近巖體開挖后，最下部橋基處出現最大主應力集中現象，應力可達1.0MPa以上。右岸與左岸類似，在橋基下部出現最大主應力集中現象，應力最大值可達3.0MPa。

圖3 縱剖面巖體剪應力分布特征

圖4 橋梁荷載作用下橋基附近巖體最大主應力

圖5 橋梁荷載作用下橋基附近巖體最小主應力

圖6 橋梁荷載作用下橋基附近巖體剪應力

橋梁基礎附近巖體最小主應力特征如圖5所示。從圖中可以看出，基底附近巖體最小主應力受到很大的影響，基底兩側巖體因橋梁荷載產生了較大的張應力，但范圍僅限于基礎附近很小部分區(qū)域。總的看來，兩岸坡面上巖體局部均存在拉應力現象，邊坡巖體有拉張破壞的條件，可形成局部崩塌落石。

圖6表示橋梁荷載作用下基礎附近巖體剪應力分布特征，除邊坡變坡點附近存在剪應力集中現象以外，受荷載影響，基底還存在局部剪應力集中現象，其中最下部主墩基礎底部剪應力集中的范圍較大，其它基礎底部剪應力集中程度及范圍均較小。剪應力集中表明該區(qū)域巖體存在剪切破壞的可能性較大。

通過有限元強度折減法得到，左岸、右岸邊坡在橋梁荷載作用下的安全系數分別為1.30、1.40，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結論及建議

(1)利用二維有限元對岸坡巖體力學行為進行分析結果表明，天然狀態(tài)下，兩岸谷底及陡坡段坡腳存在主應力集中現象，坡面和坡頂局部存在拉應力，可能造成巖體拉張破壞，兩岸橋基下方陡坡底及谷底存在局部塑性區(qū)，但從長期來看，兩岸邊坡橋基下方及上方楔形危巖體可能產生局部的巖體破壞，對邊坡巖體的穩(wěn)定不利。

(2)強度分析結果表明，橋梁荷載作用下，基底巖體應力在基礎附近存在應力集中現象，荷載對坡面巖體應力的影響較大，遠離橋基時，巖體應力狀態(tài)逐漸與天然巖體應力狀態(tài)一致。

(3)兩岸邊坡基本穩(wěn)定，自然狀態(tài)下左岸、右岸安全系數分別為1.60、1.90，橋梁荷載作用下左岸、右岸安全系數分別為 1.30、1.40。

建議:右岸整體上是穩(wěn)定的，坡面巖體局部會產生崩塌落石，可采用適當加固措施;左岸整體穩(wěn)定性稍遜于右岸，坡面巖體會產生崩塌落石，并且在橋梁荷載作用下橋基下方巖體產生局部塑性區(qū)，可能發(fā)生破壞，建議清除兩岸墩臺基礎附近邊坡坡面危巖落石，必要時對坡面巖體進行防護。

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