橋基荷載作用下特殊高邊坡巖體力學行為三維數值分析

劉學強

(福州市規劃設計研究院,福建福州 350003)

橋基荷載作用下特殊高邊坡巖體力學行為三維數值分析

劉學強

(福州市規劃設計研究院,福建福州 350003)

橋基荷載作用下高陡邊坡巖體力學行為是橋基位置確定及邊坡穩定性分析的基礎.基于大型通用軟件ANSYS,對橋基荷載作用下特殊高邊坡巖體力學行為進行三維有限元分析,研究結果可為荷載作用下高陡橋基邊坡穩定性分析及橋基合理位置設計提供理論依據.

橋基荷載;角型高邊坡;數值分析;三維有限元

0 引 言

邊坡穩定分析是個經典土力學問題.在公路、鐵路、土建、水利等工程上都涉及到邊坡穩定性分析的問題.目前,邊坡穩定分析方法主要有：基于極限平衡理論的整體法和基于彈性理論的有限法.而在實際應用中為解決簡單邊坡問題通常假設坡面為平面,在此基礎上邊坡問題被簡化成二維進行分析,這種邊坡分析沒有考慮變形的過程.事實上,邊坡的滑動形狀為三維狀態,而且其破壞形態是隨著地質條件而發生變化的.二維分析和三維分析最大區別是在于是否考慮地面和滑動面的形狀、巖土特性及滑動面強度等影響邊坡的變形因素,三維分析與實際情況較為接近.通常,在山區道路建設中,橋基所處岸坡坡面經常突起呈角型形狀,包括地質巖層在面上也是異常復雜,巖層厚度并非等厚度分布,工程中常將坡面呈角型形狀的高邊坡稱作特殊高邊坡,此時,普通的平面簡化已不能完全真實反映邊坡的空間形狀和力學性能,其分析結果推廣到實際邊坡應用中往往存在較大誤差.故針對角型高邊坡穩定性分析應當采用三維模型.

本文結合某市繞城高速公路一座互通立交作為工程實例,互通主線高架橋基落在下穿匝道路基邊坡,下穿匝道路基邊坡受地形地物等因素限制呈角型形狀,角型高邊坡的高度達80 m,主線高架橋梁的設計荷載標準為公路I級.本文以此邊坡為例進行數值分析,對特殊高邊坡在均質條件下巖體力學行為進行詳細研究,獲得了特殊高邊坡巖體力學行為特征及其變化規律.本研究結果可為荷載作用下高陡橋基邊坡穩定性分析及橋基合理位置設計提供理論依據.

1 模型建立

1.1 計算參數

本文數值分析均通過大型通用有限元軟件ANSYS10.0來實現[1-3],巖體采用ANSYS自帶D-P模型,基礎為線彈性,二者力學參數如表1所示[4].

表1 計算參數

1.2 基本模型

首先建立樁土相互作用的三維模型.在進行樁土共同作用分析時考慮土的塑性這一特性是十分必要的,而采用有限元方法可以在沉樁動力分析基礎上,考慮土的彈塑性沉樁動力影響及樁土接觸面特性,分析樁土體系承受荷載作用后的反應,得到樁及土體內力、應力和變形的基本變化規律[5].對基本模型本文做以下幾點假定：①樁體是連續的等截面彈性體;②不考慮橋基成樁過程引起的土體變形;③采用等效線性模型來模擬土體材料的非線性.

特殊均質高邊坡分析模型中均包括：①邊坡的幾何參數;②橋基設計參數.邊坡幾何參數包括坡高、坡度,分別用H和α表示;橋基埋深用D表示,橋基水平距離用S表示,橋基水平距離是指橋基礎外邊緣線與坡面的水平距離.

我們分析的工程實例為邊坡橋梁樁基為1根,樁徑2.0 m.橋基荷載設計參數為：橋梁上部結構為12.5 m、橋寬4×30 m、PC連續箱梁,橋梁荷載考慮箱梁自重、車輛荷載等因素,正常使用極限狀態組合豎向力荷載為9 280 kN,樁頂橋基荷載強度 q為2 953 kPa;橋基的寬度為B,橋梁樁基長度為L,橋基所在位置均為中風化巖層.與普通高邊坡相比,特殊高邊坡多了一個分析參數,即坡頂面夾角(見圖1),橋基距離S為頂面交點到基礎的垂直距離,即模型中坡頂面三角形頂點到基礎前緣的垂直距離.其他基本參數為：H=80 m,α=80°,β=90°,B=10 m,L= 15 m,S=10 m,D=2 m.為定義不同施工階段,對三維幾何體進行網格劃分(見圖2).

圖1 基本幾何模型

圖2 網格劃分示意圖

2 結果分析

2.1 邊坡巖體應力特征

圖3為在豎直荷載作用下特殊均質高邊坡巖體應力特征云圖.

圖3 荷載作用下邊坡巖體應力特征云圖

從圖3中可看出,基底及坡腳出現應力集中現象,邊坡內部最大主應力隨深度的增加而增加.雙臨空面導致特殊高邊坡 yz向剪應力(圖3 b)分布特征發生變化,在坡腳出也明顯出現應力集中.取各應力云圖基礎中心下方的橫(z向)、縱(x向)剖面,其結果如圖4～圖6所示.

圖4 最大主應力剖面圖縱剖面圖

圖5 最小主應力剖面圖縱剖面圖

圖6 剪應力剖面圖

從最大主應力(圖4)和最小主應力(圖5)縱剖面云圖可看出：在基底及坡腳處均有應力集中現象,最小主應力應力等值線向上凸起;縱剖面剪應力(圖6 a)分布特征與一般高邊坡大致相同,數值上顯示坡腳處剪應力明顯減小;受雙坡面影響,橫剖面剪應力(圖6 b)與一般高邊坡明顯不同,除基底附近外,在兩側坡腳處應力明顯集中,并呈對稱分布.

2.2 邊坡巖體位移特征

豎直荷載作用下特殊均質邊坡的位移特征如圖7～圖9所示.

從圖7～圖9可以看出：荷載引起的邊坡巖體位移均以基礎為中心向周圍擴散,基礎前側邊坡臨空面及基礎后側 x向位移程度明顯,且均表現出圓弧狀分布(見圖7 a),這也表明若邊坡被破壞,以上兩處可能為潛在破壞面兩端出口,且破壞面為橢球圓面;y向位移主要向兩個臨空面發展,即邊坡巖體在荷載作用下有向坡面移動的趨勢,兩坡面交線 y向位移大于同等高度坡面上的位移(見圖7 b);同一深度上,坡面附近巖體的水平位移大于邊坡內部巖體位移(見圖8),在橫剖面圖上 z向水平位移呈橢圓形對稱分布,因雙臨空面,相對一般高邊坡z向水平位移在坡面上也有較大影響;豎直位移在橋基底部最大,向兩側及深部逐漸減小,坡面巖體豎直位移大于同一深度上邊坡內部巖體的位移(見圖9),在橫剖面圖上z向豎直位移以基礎為中心向周圍擴散,z向豎直位移對坡面也有較大影響.

圖7 荷載作用下岸坡位移云圖

圖8 荷載作用下岸坡水平位移縱剖面

圖9 荷載作用下岸坡豎直位移縱剖面圖

此外,從數值對比可看出,豎直位移要大于水平位移,說明豎直荷載作用下特殊高邊坡巖體以豎直位移為主,基底處豎直位移最大,水平位移在兩坡面交線處某一位置最大.

3 結 論

通過工程實例對特殊高邊坡巖體力學行為特征的分析,我們可以得出以下幾點結論：

(1)雙臨空面導致特殊高邊坡yz向剪應力分布特征發生變化,在坡腳處明顯出現應力集中.

(2)荷載引起的邊坡巖體位移均以基礎為中心向周圍擴散,基礎前側邊坡臨空面及基礎后側x向位移程度明顯,均表現出圓弧狀分布.此表明若邊坡被破壞,以上兩處可能為潛在破壞面兩端出口,且破壞面為橢球圓面.

(3)從數值對比可知,豎直位移要大于水平位移,說明豎直荷載作用下特殊高邊坡巖體以豎直位移為主,基底處豎直位移最大,水平位移在兩坡面交線處某一位置最大.

(4)根據邊坡穩定數值分析結果,本工程的橋梁橋墩樁基入巖深度應不小于12 m,同時,施工時還應對橋基處邊坡護面做局部邊坡防護.

[1]朱伯芳.有限單元法原理與應用[M].北京：中國水利水電出版社,2004.

[2]李裕春,時黨勇,趙 遠.ANSYS 10.0/LS-DY NA基礎理論與工程實踐[M].北京：中國水利水電出版社,2006.

[3]李 權.ANSYS在土木工程中的應用[M].北京：人民郵電出版社,2005.

[4]鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程地質手冊[S].北京：中國鐵道出版社,1999.

[5]黃志全,周 進.單樁樁土作用及其理論計算方法研究[J].山西建筑,2008,34(1)：3-4.

Three Dimensional Numerical Analysis of Mechanical Behavior of Rock Mass on Special High Slope under Bridge Load

LIU Xueqiang

(Urban Planning and Design Institute of Fuzhou,Fuzhou 350003,China)

The mechanical behavior of rock mass on high slope under bridge load is the base of bridge position and slope stability analysis.Based on the common software ANSYS,three dimensional numerical analysis of mechanical behavior of rock mass on special high slope under bridge load was made.The results may provide theoretical basis for rational design of bridge position and slope stability analysis.

bridge load;angle high slope;numerical analysis;three-dimensional finite element

U443.15;U416.14

：A

1004-5422(2010)02-0168-04

2010-02-02.

劉學強(1979—),男,工程師,從事橋梁與隧道工程設計.