冷　濤，年夫喜

(1.湖北水利水電職業(yè)技術學院， 湖北 武漢 430070； 2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院， 湖北 武漢 430070)

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卸荷裂隙巖體在橋基荷載作用下的力學行為研究

冷濤1，年夫喜2

(1.湖北水利水電職業(yè)技術學院， 湖北 武漢 430070； 2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院， 湖北 武漢 430070)

為研究卸荷裂隙附近巖體在橋基荷載作用下的力學行為，在分析橋基和巖體相互作用以及裂隙模擬方法的基礎上，建立了二維有限元模型，分析卸荷裂隙不同的深度和傾角下，裂隙表面的位移和應力影響系數(shù)變化情況。結果表明：橋基荷載下，裂隙表面的位移以豎向位移為主；應力影響系數(shù)隨著裂隙深度先增加后減小，最后趨于固定值；卸荷裂隙傾角達到90°時，應力影響系數(shù)急劇增大，這說明豎向裂隙對邊坡的應力影響最大。

卸荷裂隙；傾角；深度；應力影響系數(shù)

巖體是在漫長的地質作用過程中形成的一種特殊介質，是巖石單元體(巖塊)和結構面(節(jié)理、裂隙、斷層等)網(wǎng)絡組成的集合體。卸荷裂隙主要是由于自然地質作用和人工開挖使巖體應力釋放和調整而形成的，而重力、風化及岸坡的物理地質作用將會使裂隙進一步張開或位移[1]。開展卸荷裂隙巖體的研究，不僅可以加深對工程巖體力學行為及破壞機理的認識，而且對巖體工程的設計及加固處理起到重要作用[2]。針對卸荷裂隙巖體的研究，目前主要集中在兩方面：(1) 巖體卸荷裂隙的性質研究。王毅等[3]為了探尋高邊坡巖體裂隙發(fā)育規(guī)律，采用單位面積節(jié)理數(shù)和裂隙開度作為研究指標。錢康等[4]著重探討了裂隙的形態(tài)特征、分布范圍以及與地形、斷裂、風化水文地質條件的關系。黃達等[5]以裂隙巖體物理模型試驗為基礎，研究2種卸荷應力路徑下裂隙巖體的強度、變形及破壞特征和裂隙的擴展演化過程和力學機制。顏峰等[6]在線彈性斷裂力學理論的基礎上，建立了裂隙巖體的概化模型，并分析了裂隙巖體在不同卸荷條件下(包括最小主應力和最大主應力)的應力強度因子和變形特性。(2) 裂隙巖體的穩(wěn)定性研究。王亻弟剴等[7]利用邊坡監(jiān)測成果，并根據(jù)現(xiàn)場的地質情況以及可能的失穩(wěn)模式，分析了大崗山右岸邊坡卸荷裂隙密集帶變形的施工響應關系，總結卸荷裂隙密集帶的變形特征，并分析其對邊坡穩(wěn)定的影響。戴妙林等[8]以白鶴灘拱壩勘Ⅰ線左岸天然巖質邊坡為對象，對陡傾角卸荷裂隙的因素進行了敏感性分析,并初步評價了天然狀態(tài)邊坡的穩(wěn)定性。王靖等[9]對安徽省績溪抽水蓄能電站左岸高邊坡的裂隙實際特征進行概化并進行數(shù)值分析。趙文[10]和王春雷[1]采用自己建立的基本模型，卸荷裂隙采用接觸單元來分析卸荷巖體力學特性，但是其模型是理想化的，不符合實際工程情況。除此之外，孫樹林等[11]、張曉欣等[12]、張正波等[13]和蔡德所等[14]也開展了卸荷裂隙方面的研究工作。

卸荷裂隙是一種較為特殊的節(jié)理，在橋基荷載產(chǎn)生的壓力和側向推力作用下，卸荷裂隙和橋基附近的巖體力學行為也將發(fā)生變化，勢必會影響橋基邊坡的穩(wěn)定性。本文以華坪—麗江高速公路金沙江大橋的華坪岸橋基邊坡為研究對象，在分析橋基和巖體相互作用以及裂隙模擬方法的基礎上，建立了二維有限元模型，分析卸荷裂隙不同的深度和傾角下，裂隙表面的位移和應力影響系數(shù)，為橋基位置的確定和工程穩(wěn)定性提供參考數(shù)據(jù)。

1　工程簡介

國家高速公路網(wǎng)G4216成都—麗江高速公路華坪—麗江段(以下簡稱華麗高速)是云南省高速公路網(wǎng)“三縱三橫，九大通道”中的第一橫華坪—麗江—蘭坪—六庫中的一段。路線起點K0+000起于在建麗攀高速公路華坪至滇川界至攀枝花高速公路起點K180+000處，途經(jīng)華坪縣、永勝縣、古城區(qū)、玉龍縣，路線止點K169+926止于玉龍縣拉市海接在建的大理至麗江高速公路K187+700處。路線全線位于麗江市境內(nèi)，全長169.926 km[11]。

華麗高速公路的控制性工程——金安金沙江大橋處于玄武巖及多層凝灰?guī)r軟弱夾層地層區(qū)，跨徑逾千米。麗江岸為逆向坡，2 000 m高程以下較陡，陡崖發(fā)育，存在失穩(wěn)條件。華坪岸為順向坡，基巖裸露受多條小型沖溝切割，岸坡上陡崖多呈三面臨空姿態(tài)。橋址邊坡的穩(wěn)定性對大橋建設至關重要。其中華坪岸岸坡在平硐勘察中發(fā)現(xiàn)岸坡存在卸荷帶，根據(jù)已有硐探資料，一般正常卸荷水平發(fā)育深度約30 m～48 m，最深達90余米。目前橋基初步設定位置位于卸荷裂隙后部。

2　計算分析

2.1計算模型

建立橋基邊坡的幾何模型如圖1(a)所示。其中邊坡表面是以華坪岸橋基和卸荷帶附近岸坡表面原型為基礎建立的。圖1(a)中的H和φ分別表示卸荷裂隙深度和傾角。有限元劃分網(wǎng)格劃分如圖1(b)所示，采用四節(jié)點線性單元劃分。邊界條件采用底面固定約束，側面法向約束，橋基施加荷載大小為867 kN/m。

圖1卸荷裂隙邊坡圖(單位：m)

2.2計算方案

模型基本參數(shù)設為H=30 m，φ=60°，模型中考慮卸荷裂隙完全張開。為考慮不同的卸荷裂隙特性對橋基荷載作用的力學影響，本分析包括以下2種情況：(1) 裂隙深度H改變，H=10 m～70 m，φ=60°；(2) 裂隙傾角φ改變，φ=60°～90°，H=30 m。

2.3計算參數(shù)

巖體采用Mohr-Coulomb模型，基礎為線彈性，具體計算模型參數(shù)參考文獻[11]如表1所示。

表1　計算參數(shù)

2.4評價指標的選取

外界荷載(如橋基荷載)的作用，必然引起巖體應力和位移的改變。本節(jié)采用位移和應力影響系數(shù)表示荷載對邊坡力學行為的影響。其中應力影響系數(shù)η的定義[10]為：

(1)

其中：σq表示由橋基荷載產(chǎn)生的附加最大主應力；σ0表示由巖體自重產(chǎn)生的最大主應力，即巖體的初始應力。

荷載作用在卸荷邊坡時，僅對卸荷帶和橋基附近的巖體力學行為產(chǎn)生明顯影響。因此，我們選取卸荷裂隙表面為分析重點。

3　結果分析

3.1卸荷裂隙深度的影響

不同卸荷裂隙深度H時巖體變形及應力影響系數(shù)在卸荷裂隙面的變化如圖2～圖4所示。

圖2　水平位移隨卸荷裂隙深度的變化

圖3豎向位移隨卸荷裂隙深度的變化

從圖2、圖3可以看出：(1) 橋基荷載對卸荷裂隙表面的水平位移影響基本維持在1 mm以內(nèi)；(2) 豎向位移基本隨著裂隙深度線性變化，越靠近邊坡表面，位移越大；(3) 橋基荷載對卸荷裂隙表面的豎向位移影響比水平位移大，這主要是由于施加的荷載是豎向的。

由于卸荷裂隙尖端會產(chǎn)生高度應力集中現(xiàn)象，在分析應力影響系數(shù)隨深度的變化時，剔除裂隙尖端點的應力影響系數(shù)，繪制成圖4。從圖4中可以看出：(1) 應力影響隨著卸荷裂隙深度先增大后減小，最后基本趨于穩(wěn)定；(2) 橋基荷載產(chǎn)生的應力影響系數(shù)最大值并不在巖體表面，而是距離巖體表面有一段距離，且最大值深度基本不變；(3) 當裂隙深度H>30 m，應力影響系數(shù)隨深度的變化曲線基本重合。

圖4應力影響系數(shù)隨卸荷裂隙深度的變化

3.2卸荷裂隙傾角的影響

考慮卸荷裂隙角度φ變化時，巖體的變形及應力影響系數(shù)在卸荷裂隙面的變化如圖5～圖7所示。

圖5　水平位移隨卸荷裂隙傾角的變化

圖6　豎向位移隨卸荷裂隙傾角的變化

圖7應力影響系數(shù)隨卸荷裂隙傾角的變化

從圖5、圖6可以看出：(1) 隨著裂隙傾角的增加，橋基荷載在卸荷裂隙表面引起的水平和豎向位移均有大幅增加，但相比豎向位移，水平位移較?。?2) 橋基荷載在卸荷裂隙表面產(chǎn)生的豎向位移最大值在邊坡的表面。

和3.1節(jié)類似，剔除卸荷裂隙尖端的應力集中點后，將應力影響系數(shù)隨卸荷裂隙深度的變化情況繪制成圖7。從圖7中可以看出：(1) 應力影響系數(shù)最大值隨著裂隙傾角的增加和邊坡表面的距離增大；(2) 應力影響系數(shù)隨著卸荷裂隙傾角的增加而增大，在卸荷裂隙傾角達到90°時，應力影響系數(shù)急劇增大，這說明豎向裂隙對邊坡的應力影響最大。

4　結　論

卸荷裂隙對巖體的力學行為有重要的影響，本文以華坪高速公路華坪岸橋基邊坡為依托，開展了卸荷裂隙不同深度和傾角下巖體力學行為的研究，得出以下結論:

(1) 裂隙表面的位移以豎向位移為主，水平位移可忽略。

(2) 應力影響系數(shù)隨著裂隙深度先增加后減小，最后趨于固定值。橋基荷載產(chǎn)生的應力影響最大值距離邊坡表面有一定距離。

(3) 當卸荷裂隙深度H>30 m，應力影響系數(shù)隨深度的變化曲線基本重合。

(4) 隨著裂隙傾角的增加，應力影響系數(shù)隨著卸荷裂隙傾角的增加而增大，在卸荷裂隙傾角達到90°時，應力影響系數(shù)急劇增大，這說明豎向裂隙對邊坡的應力影響最大。

[1]王春雷.橋基荷載作用下三維高邊坡巖體力學行為及橋基位置確定的研究[D].成都：西南交通大學，2005.

[2]吳剛.工程巖體卸荷破壞機制研究的現(xiàn)狀及展望[J].工程地質學報,2001,9(2):174-181.

[3]王毅,聶德新,任光明.一種高邊坡巖體卸荷分帶方法的探討[J].工程地質學報, 2004,12(1):83-86.

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[7]王亻弟剴，王界雄，董瑜斐.大崗山水電站卸荷裂隙密集帶對高陡邊坡穩(wěn)定性的影響與分析[J].長江科學院院報，2014,31(11):87-91.

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[13]張正波，王東坡，何思明.巖體裂隙開挖卸荷擴展機理研究[J].西藏科技,2012(4):59-63．

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Mechanical Behavior of Rock Mass near Unloading Crack Under Load

LENG Tao1, NIAN Fuxi2

(1.HubeiWaterResourcesTechnicalCollege,Wuhan,Hubei430070,China; 2.HubeiInvestigationandDesignInstituteofWaterConservancyandHydropower,Wuhan,Hubei430070,China)

To study the mechanical behavior of rock mass near the stress-release crack under bridge foundation load, a two-dimensional finite element model was developed based on fracture simulation method and the analysis of the interaction between rock mass and the bridge foundation. Then the model was used to calculate the displacement and stress influence coefficient changed with different depth and stress-release crack angle. The results show that the vertical displacement is the main displacement of the fracture surface and the stress influence coefficient increases initially and then decreases with the changing of depth, and finally reaches to a fixed value under the bridge foundation load. When the angle of the tress-release crack reaches 90°, the stress influence coefficient increase sharply which means the vertical crack has the major impact on slope stress.

unloading crack; dip angle; depth; stress effect coefficient

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.034

2016-03-07

2016-04-01

冷濤(1974—)，男，湖北武漢人，高級工程師，主要從事水工結構及巖石邊坡研究工作。E-mail：406944957@qq.com

TD313

A

1672—1144(2016)04—0173—04