納界河巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

葉慧君

(浙江省龍泉市村鎮(zhèn)建設(shè)管理處，浙江 龍泉 323700)

本文以納界河大橋巖質(zhì)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(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。

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(xiàn)象比較嚴(yán)重，加之地形起伏大，河流沖刷強(qiáng)烈，故山間深切河谷地貌十分發(fā)育，河谷兩側(cè)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(tái)，坡度近直立，最下一階即靠近河水的臺(tái)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(qiáng)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(xiàn)溶溝、溶槽等現(xiàn)象，其內(nèi)部土層稍厚。

2 數(shù)值模擬分析

采用有限單元法對邊坡巖體力學(xué)行為進(jìn)行分析，數(shù)值分析通過有限元軟件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)算中巖體為采用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)邊坡均質(zhì)灰?guī)r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)取無限大。橋梁荷載取732522.7 kN。

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2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

混凝土橋基、巖體均采用平面8節(jié)點(diǎn)PLANE82號(hào)單元，坡體附近網(wǎng)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(jìn)行邊坡巖體應(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)，因此下面主要從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 縱剖面巖體最大主應(yīng)力分布特征

由圖1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)4.0MPa以上，但仍遠(yuǎn)低于巖體的抗壓強(qiáng)度。

圖2 縱剖面巖體最小主應(yīng)力分布特征

由圖2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)逐漸正常化，逐漸變化為與埋深呈線性關(guān)系。左岸坡頂上巖體最小主應(yīng)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(yīng)力對邊坡巖體的穩(wěn)定不利。

圖3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，兩岸最大可達(dá)2.0MPa左右。這些地方巖體易受到剪切破壞而發(fā)生錯(cuò)動(dòng)滑移，這對坡腳及變坡點(diǎn)附近巖體的穩(wěn)定不利。

通過有限元強(qiáng)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(shù)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(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。左岸基礎(chǔ)附近巖體開挖后，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)1.0MPa以上。右岸與左岸類似，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)3.0MPa。

圖3 縱剖面巖體剪應(yīng)力分布特征

圖4 橋梁荷載作用下橋基附近巖體最大主應(yīng)力

圖5 橋梁荷載作用下橋基附近巖體最小主應(yīng)力

圖6 橋梁荷載作用下橋基附近巖體剪應(yīng)力

橋梁基礎(chǔ)附近巖體最小主應(yīng)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(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)附近很小部分區(qū)域。總的看來，兩岸坡面上巖體局部均存在拉應(yīng)力現(xiàn)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(chǔ)附近巖體剪應(yīng)力分布特征，除邊坡變坡點(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，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1.30、1.40，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)論及建議

(1)利用二維有限元對岸坡巖體力學(xué)行為進(jìn)行分析結(jié)果表明，天然狀態(tài)下，兩岸谷底及陡坡段坡腳存在主應(yīng)力集中現(xiàn)象，坡面和坡頂局部存在拉應(yīng)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(chǎn)生局部的巖體破壞，對邊坡巖體的穩(wěn)定不利。

(2)強(qiáng)度分析結(jié)果表明，橋梁荷載作用下，基底巖體應(yīng)力在基礎(chǔ)附近存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，荷載對坡面巖體應(yīng)力的影響較大，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。

(3)兩岸邊坡基本穩(wěn)定，自然狀態(tài)下左岸、右岸安全系數(shù)分別為1.60、1.90，橋梁荷載作用下左岸、右岸安全系數(shù)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(huì)產(chǎn)生崩塌落石，可采用適當(dāng)加固措施;左岸整體穩(wěn)定性稍遜于右岸，坡面巖體會(huì)產(chǎn)生崩塌落石，并且在橋梁荷載作用下橋基下方巖體產(chǎn)生局部塑性區(qū)，可能發(fā)生破壞，建議清除兩岸墩臺(tái)基礎(chǔ)附近邊坡坡面危巖落石，必要時(shí)對坡面巖體進(jìn)行防護(hù)。

［1］張倬元，王士天，王蘭生.工程地質(zhì)分析原理［M］.北京:地質(zhì)出版社，1981

［2］黃潤秋.中國西部巖石高邊坡發(fā)育的動(dòng)力過程及典型變形破壞機(jī)理研究［G］//第八次全國巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會(huì)，2004:78－87

［3］李權(quán).ANSYS在土木工程中的應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2005

［4］劉陽，宋亞林.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析理論探討［J］.中國西部科技，2008，7(21):19 －20

［5］賈東遠(yuǎn)，陰可，李艷華.巖石邊坡穩(wěn)定性分析方法［J］.地下空間，2004，24(2):250 －255

［6］陳華，房銳，趙有明，等.基于有限元強(qiáng)度折減法的巖石高邊坡穩(wěn)定性分析［J］.公路，2009(10):83－86

［7］鄭穎人，趙尚毅.有限元強(qiáng)度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(19):3381 －3383