任 勇，馮 強，韓 蒙

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

西南地區(qū)鐵路工程建設在很大程度上受到沿線各種地質災害以及地形條件的制約，線路主要采用橋梁、隧道工程方式行進在高山巨川之間［1-2］。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，為今后研究云南地區(qū)該類高陡巖質邊坡提供參考。

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為北西向，河床整體呈“V”字形，左右兩岸岸坡底部陡峭，高度達十幾米，坡度達到60°;岸坡中部坡度相對較緩，坡度約為45°，頂部坡度近直立。左側坡體基巖大量出露，坡體表面植被較發(fā)育;右側坡體大部分被基巖風化物覆蓋，局部有出露，坡體表面植被較發(fā)育，橋址區(qū)范圍內(nèi)無居民點分布。

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

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

2.1 參數(shù)選取

計算中巖體采用D-P本構模型。結合該段工程地質報告及經(jīng)驗數(shù)據(jù)，整個邊坡分碎石土與白云巖2種地層，相關力學參數(shù)如表1所示，其中混凝土橋基的力學參數(shù)取無限大。橋梁荷載取3 364 058 kN。

表1 材料力學參數(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PLANE82號單元，坡體附近網(wǎng)格加密，天然狀態(tài)與橋梁荷載作用計算模型如圖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

在進行岸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)，因此下面主要對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 天然狀態(tài)下岸坡計算模型

圖2 橋梁荷載作用下岸坡計算模型

由圖3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3.0 MPa以上，但仍遠低于巖體的抗壓強度。

由圖4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(nèi)逐漸正?；?，逐漸變化為與埋深呈線性關系。右岸坡頂上巖體最小主應力形成拉張區(qū)，總坡面和坡頂上形成的拉應力對岸坡巖體的穩(wěn)定不利。

圖5表示剪應力在坡腳和變坡點附近同樣形成應力集中現(xiàn)象，特別是坡腳，剪應力值較大，最大可達1.0 MPa左右，在陡坡與緩坡的變坡點處，剪應力也較大，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力分布特征

圖6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(chǎn)生了應力集中現(xiàn)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6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。右岸基礎附近巖體開挖后，最下部橋基處出現(xiàn)最大主應力集中現(xiàn)象，應力可達1.0 MPa以上。左岸與右岸類似，在橋基下部出現(xiàn)最大主應力集中現(xiàn)象，應力最大值可達3.0 MPa。

圖5 線路縱剖面巖體剪應力分布特征

橋梁基礎附近巖體最小主應力特征如圖7所示?；赘浇鼛r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(chǎn)生了較大的張應力，但范圍僅限于基礎附近很小區(qū)域。兩岸坡面上巖體局部均存在拉應力現(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附近巖體剪應力分布特征，除岸坡變坡點附近存在剪應力集中現(xiàn)象以外，受荷載影響，基底還存在局部剪應力集中現(xiàn)象，其中最下部主墩基礎底部剪應力集中的范圍較大，并且附近開挖后覆蓋層岸坡中也同時由于應力集中產(chǎn)生了塑性變形區(qū)，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(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力

圖7 橋梁荷載作用下橋基附近巖體最小主應力

圖8 橋梁荷載作用下橋基附近巖體剪應力

3 結論及建議

1)總體上來看，岸坡應力場特征表現(xiàn)出明顯受重力場控制的河谷應力場特征。同時受岸坡巖體結構特征及巖性組合的影響，岸坡應力場在軟硬巖性變化帶附近出現(xiàn)較大的變化，而巖性相對均勻的部位應力值變化較均勻。

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

3)橋梁荷載作用下，基底巖體應力存在局部應力集中現(xiàn)象，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。橋梁荷載的作用，使原本遠離橋基的塑性應變區(qū)呈現(xiàn)向橋基下方巖體中發(fā)展的趨勢，使橋基下方巖體中出現(xiàn)局部塑性區(qū)。橋梁荷載對坡面巖體應力影響較大，岸坡巖體是否破壞，需要進行強度校核。另外，對于大橋的兩個主墩放置于較厚的覆蓋層中，從有限元分析結果看，主墩開挖后較厚的覆蓋層中產(chǎn)生塑性變形區(qū)，因此主墩施工開挖過程中應注意覆蓋層岸坡的穩(wěn)定性，需采取一定的防護措施。

4)沿線路剖面方向有限元計算結果表明，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。

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

［2］黃潤秋.中國西部巖石高邊坡發(fā)育的動力過程及典型變形破壞機理研究［C］∥第八次全國巖石力學與工程學術大會，2004:78-87.

［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］劉陽，宋亞林.巖質邊坡穩(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，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.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應用［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(19):3381-3383.

［8］朱贊成，徐化祥，宋衛(wèi)東，等.大黑山鉬礦非永久性邊坡穩(wěn)定性研究［J］.鐵道建筑，2007(6):65-68.

［9］王春雷，王華，封輝.荷載作用下高陡邊坡巖體力學行為三維數(shù)值分析［J］.鐵道建筑，2007(6):52-54.