孫春衛(wèi),巫錫勇,凌斯祥,任勇,李濤,廖昕

(西南交通大學(xué) 地質(zhì)工程系,四川 成都 611756)

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深大寬張裂隙條件下巖質(zhì)橋基邊坡穩(wěn)定性分析

孫春衛(wèi),巫錫勇,凌斯祥,任勇,李濤,廖昕

(西南交通大學(xué) 地質(zhì)工程系,四川 成都 611756)

某擬建橋位附近地層移動(dòng)造成橋基岸坡巖體中部分節(jié)理面發(fā)育成深大寬張裂隙，此類卸荷裂隙往往影響橋基位置的選擇，也是橋基荷載下邊坡穩(wěn)定性分析的重點(diǎn)。在現(xiàn)場(chǎng)勘察的基礎(chǔ)上，采用赤平投影法分析節(jié)理巖體穩(wěn)定性，確定巖體質(zhì)量指標(biāo)，用經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合巖體中寬張裂隙位置確定并修正橋基安全距離。運(yùn)用離散元和有限元數(shù)值模擬深大寬張裂隙及橋基荷載條件下邊坡巖體的破壞模式及應(yīng)力情況，綜合分析并驗(yàn)證提出的在安全距離位置橋基荷載條件岸坡的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，由于裂隙的存在，荷載對(duì)裂隙坡前巖體影響不大，但寬張裂隙底部是高應(yīng)力集中區(qū)，將可能導(dǎo)致裂隙再次破壞。在建議的橋位下荷載應(yīng)力對(duì)邊坡巖體影響下，橋墩基礎(chǔ)是安全的。

寬張裂隙；巖質(zhì)邊坡；穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

在巖質(zhì)邊坡工程中，邊坡巖體的失穩(wěn)和破壞模式往往受控于坡體結(jié)構(gòu)面的空間幾何關(guān)系和結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)特性。在橋基荷載條件下的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究還需要考慮巖體風(fēng)化卸荷裂隙帶的分布。周德培等[1]認(rèn)為巖質(zhì)邊坡坡體結(jié)構(gòu)除了具有巖性和地質(zhì)構(gòu)造特征外，還具有臨空面的特性，這使得它直接受到自然營(yíng)力的作用，而造成坡面一下一定深度的巖體發(fā)生很大的變化，如風(fēng)化、卸荷裂隙等，這種上部巖體風(fēng)化層常處于上層建筑影響范圍內(nèi)，對(duì)工程穩(wěn)定性影響大。

目前，巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的方法較多，而不同的方法考慮邊坡巖體的工程地質(zhì)特征的程度和方式各不相同。主要有經(jīng)驗(yàn)公式法、極限平衡法、有限元法、離散元法等。蔣爵光等[2]應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析、概率方法、定量化理論等數(shù)學(xué)方法建立了基于邊坡巖體質(zhì)量指標(biāo)與巖石邊坡坡度的巖石邊坡穩(wěn)定性的定量的評(píng)價(jià)方法。許湘華等[3]在對(duì)巖質(zhì)邊坡赤平投影分析的基礎(chǔ)上，利用極限平衡分析法對(duì)不同破壞模式邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算。詹志峰等[4]采用初步地質(zhì)評(píng)價(jià)、經(jīng)驗(yàn)公式法以及岸坡應(yīng)力場(chǎng)有限元模擬綜合分析清江大橋巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。田洪銘等[5]考慮巖質(zhì)邊坡節(jié)理裂隙發(fā)育情況，應(yīng)用ABAQUS有限元軟件中的節(jié)理材料，采用強(qiáng)度折減法模擬橋基荷載作用下岸坡穩(wěn)定狀態(tài)。周濤等[6]基于彈塑性平面離散元原理，分析了巖石邊坡的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、塑形屈服區(qū)和整體穩(wěn)定性變化情況。趙志明等[7]在試驗(yàn)確定的巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用離散單元法計(jì)算分析了岸坡巖體在自然、橋基荷載作用下、地震加橋基荷載作用工況條件下的破壞趨勢(shì)。然而，在實(shí)際巖質(zhì)邊坡工程中，巖體中發(fā)育的控制性結(jié)構(gòu)面包括風(fēng)化卸荷裂隙、深大結(jié)構(gòu)面等是考慮橋基選址和岸坡穩(wěn)定關(guān)鍵因素。

擬建大橋橋址位于深溝峽谷地區(qū)，且周邊受煤層采空區(qū)影響，地層移動(dòng)造成橋基岸坡巖體中部分節(jié)理面發(fā)育成深大寬張裂隙，這類控制性結(jié)構(gòu)面往往影響橋基位置的選擇，也是橋基荷載下邊坡穩(wěn)定性分析的重要因素。本文依托擬建橋基所在巖質(zhì)邊坡，考慮岸坡風(fēng)化卸荷裂隙等結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征，基于巖體質(zhì)量指標(biāo)，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式法確定邊坡穩(wěn)定坡角和橋基安全距離，然后分別采用有限元和離散元法綜合分析巖質(zhì)邊坡破壞模式，得到了橋基荷載對(duì)岸坡應(yīng)力變形的影響規(guī)律，對(duì)橋基位置的選取和岸坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)有重要指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)概況

擬建橋基位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯境內(nèi)，線路所處地質(zhì)構(gòu)造單元屬華北地臺(tái)內(nèi)的內(nèi)蒙地軸、山西斷隆及鄂爾多斯臺(tái)拗三個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元的結(jié)合部位，有輕微的波狀褶皺和小斷裂構(gòu)造，除黃河等較大河流的沖洪積平原沉積了厚層第四系覆蓋層外，其余地段地層以中生代及古生代沉積巖為主，局部巖層傾角最大可達(dá)45°，其余地段巖層平緩或近于水平，多為緩傾的單斜構(gòu)造，局部呈寬緩波狀起伏，地質(zhì)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單。研究點(diǎn)附近多為深溝峽谷，分布有二疊系、石炭系等煤系地層。

2 坡體結(jié)構(gòu)特征

擬建橋墩設(shè)置在谷深近40～50m的溝谷的巖質(zhì)邊坡上，巖體巖性為砂巖。不考慮區(qū)域構(gòu)造特征時(shí)，基礎(chǔ)的穩(wěn)定性決定于岸坡的穩(wěn)定性和墩臺(tái)基礎(chǔ)下巖體的強(qiáng)度。受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和淺表生改造，以及煤層采空區(qū)造成地層移動(dòng)的影響，該橋址邊坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)得到2組節(jié)理，分別為節(jié)理面1：315°84°，節(jié)理面2：30°70°。另外，層理面產(chǎn)狀為215°25°，坡面產(chǎn)狀為275°∠80°。

圖1 赤平投影分析圖Fig.1 Analysis graphic of the stereographic projection

圖2 邊坡巖體寬張裂隙Fig.2 Wide tension fissure of the slope rock mass

根據(jù)該橋基岸坡巖體結(jié)構(gòu)特征，赤平投影分析如圖1所示?？梢钥闯觯旅嫱队按┎寤瑝K12，1，G和3，滑塊2的滑動(dòng)方向指向坡面內(nèi)部，因此上述滑動(dòng)方向上的滑塊穩(wěn)定?；瑝K13和23為兩個(gè)結(jié)構(gòu)面切割形成的楔形體，有繼續(xù)滑塌的可能，滑動(dòng)方向?yàn)榻痪€的傾向方向，分別為228°和301°。 J1和J3切割的塊體13傾倒破壞是邊坡破壞的主要形式。受煤層采空引起地層移動(dòng)，兩組節(jié)理均張開，張開寬度最大可達(dá)40 cm以上，且延伸很長(zhǎng)，坡頂發(fā)現(xiàn)走向平行邊坡走向的寬張裂隙數(shù)條，在岸坡谷底也發(fā)現(xiàn)了近期崩塌落石的痕跡,邊坡在現(xiàn)階段處于不穩(wěn)定階段，邊坡巖體仍有繼續(xù)崩塌的可能。

總的來說，邊坡整體欠穩(wěn)定，存在坡面巖體崩塌落石的可能性。此外，坡頂存在數(shù)條寬張裂隙如圖2所示，若橋基置于寬張裂隙之間，橋基的穩(wěn)定性將決定于裂隙巖體的穩(wěn)定性，邊坡頂部橋基施工加載后，由于垂直荷載引起的側(cè)向力會(huì)加劇岸坡巖體的位移，甚至導(dǎo)致坡頂巖體的崩塌，因此，需要對(duì)邊坡自然狀態(tài)下及受橋基荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。

3 邊坡穩(wěn)定坡角的確定

在一般意義上，橋基岸坡的穩(wěn)定性與自然岸坡的穩(wěn)定性有關(guān)，而自然岸坡的穩(wěn)定坡角是考慮岸坡自我生存能力下的穩(wěn)定坡角，在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步分析加載條件下的岸坡穩(wěn)定性。利用邊坡巖體質(zhì)量法經(jīng)驗(yàn)公式來確定岸坡在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定坡角，利用荷載作用對(duì)邊坡巖體應(yīng)力的影響，確定荷載作用下的邊坡穩(wěn)定坡角。

3.1 邊坡自然穩(wěn)定坡角的確定

邊坡自然穩(wěn)定坡度主要采用謝強(qiáng)[8]提出的巖體質(zhì)量法經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。通過對(duì)岸坡巖體結(jié)構(gòu)面特征的調(diào)查和力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)，三組結(jié)構(gòu)面平均距離分別取120 cm、160 cm和125 cm，回彈值取R=29。按上述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得巖體塊度為:

133.89≈134(cm)

該地區(qū)氣候干燥，坡面未見地下水出露，因此取地下水折減系數(shù)γw=0.9；高度折減系數(shù)取γh=0.9，代入上述公式計(jì)算邊坡自然穩(wěn)定坡角為：

θ=0.9×[14.7×ln(0.9×29×lg134)+

13]=64.8≈64°

3.2 荷載作用下邊坡穩(wěn)定坡角的確定

大量的數(shù)值分析結(jié)果表明，橋基荷載作用下，邊坡是否會(huì)產(chǎn)生整體破壞主要看荷載對(duì)邊坡坡面巖體應(yīng)力的影響。荷載作用產(chǎn)生的附加應(yīng)力在高陡邊坡中有一定的影響范圍，基于應(yīng)力影響范圍確定橋基位置基本觀點(diǎn)為：如果巖體應(yīng)力影響范圍未到達(dá)邊坡坡面，則邊坡坡面巖體應(yīng)力不受荷載影響，坡面巖體保持原始穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡不會(huì)產(chǎn)生整體破壞，橋基位置是可行的；如果應(yīng)力影響范圍到達(dá)坡面，認(rèn)為荷載對(duì)坡面巖體產(chǎn)生了明顯的影響，坡面巖體可能不穩(wěn)定，這種情況的橋基的位置不合理。研究表明，荷載作用的應(yīng)力影響范圍主要與荷載強(qiáng)度、橋基寬度、邊坡坡度、邊坡巖體質(zhì)量等有關(guān)[9]。橋基安全距離可以用下式表示：

Sf=0.031·α1.482 3·[(1-0.87B)·q]0.7·

(0.5+RMR/200)-0.7

式中：Sf為橋基安全距離，即橋基外緣與坡面的水平距離；α為邊坡坡度；q為荷載強(qiáng)度；B為橋基寬度；RMR為巖體質(zhì)量。

式中相關(guān)參數(shù)確定如下：

1)邊坡坡度

邊坡坡度通過野外實(shí)測(cè)獲得，朔州岸橋基及下方邊坡平均自然坡度分別為76°、44°。

2)橋基寬度B及荷載強(qiáng)度q

設(shè)計(jì)橋墩距離坡頂寬張裂隙較近，基礎(chǔ)承臺(tái)初步擬定尺寸為29 m10.5 m，設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)荷載豎向力43 506 kN，縱向水平力1 151 kN，縱向水平彎矩36 087 kN·m，橫向水平力4 669 kN，橫向水平彎矩115 922 kN·m。橋基寬度和荷載強(qiáng)度是橋梁荷載的兩個(gè)因素，由于考慮為平面應(yīng)變問題，因此不考慮橋基長(zhǎng)度，基礎(chǔ)寬度B=10.5 m，荷載強(qiáng)度按q=0.4 MPa計(jì)算。

3)邊坡巖體質(zhì)量RMR

邊坡巖體質(zhì)量采用賓尼奧斯基的巖土力學(xué)分類法，該方法給出的一個(gè)總的巖體評(píng)分值(RMR)，這個(gè)評(píng)分值取決于5個(gè)通用參數(shù)：巖石強(qiáng)度、巖芯質(zhì)量、地下水條件、節(jié)理和斷裂的間距及節(jié)理的特征[10-11]。采用該方法時(shí)將節(jié)理和斷裂的間距改為巖體的塊度[9]。根據(jù)野外調(diào)查資料及試驗(yàn)資料，則σc=30 Mpa；RQD=55%；巖體塊度D=1.34 m；節(jié)理表面粗糙，節(jié)理張開度大于5 mm，硬巖壁；坡面干燥。根據(jù)以上特征得到RMR=52。

4)橋基安全距離確定

將以上參數(shù)代入公式可得設(shè)計(jì)荷載條件下橋基安全距離如下：

Sf=0.031·761.482 3·[(1-0.8710.5)·0.4]0.7·

(0.5+52/200)-0.7=10.2 m

該橋基安全距離沒有考慮坡頂裂隙的影響，為基礎(chǔ)外緣與坡面邊緣的水平距離。由于坡頂存在寬張裂隙，寬張裂隙對(duì)橋基的位移及基底巖體應(yīng)力有較大的影響，對(duì)于存在寬張裂隙的巖體高邊坡，原則上橋基必須置于裂隙之后。趙文[8]通過對(duì)不同橋基水平距離時(shí)荷載對(duì)坡面巖體應(yīng)力的影響規(guī)律的研究，認(rèn)為荷載對(duì)邊坡巖體應(yīng)力的影響可以用應(yīng)力影響角來表示，得出邊坡上橋基荷載應(yīng)力影響角約為55°，荷載對(duì)坡面巖體應(yīng)力的影響在應(yīng)力影響角所對(duì)應(yīng)的位置上最大。如圖3所示，荷載應(yīng)力影響角BAC=55°。假定利用上述方法確定的橋基水平距離為Sf1，如果裂隙深度較小，裂隙與圖中的AC線不相交，則認(rèn)為荷載作用下裂隙對(duì)的坡面巖體應(yīng)力影響不大，橋基水平距離仍為Sf1；當(dāng)卸荷裂隙與AC線相交時(shí)，則將AC平移至AC使其剛好與裂隙相交于F點(diǎn)，得出橋基水平距離Sf2，即圖中的BA，當(dāng)裂隙深度很大時(shí)，Sf2值相應(yīng)變大，此時(shí)假定裂隙為新的坡面，裂隙的傾角為新的邊坡的坡角，利用前面的方法可以得出假定的這個(gè)邊坡的橋基水平距離為Sf3，即圖中的EA，則此時(shí)橋基水平距離取BA與BA中的較小者。

圖3 對(duì)卸荷裂隙邊坡橋基位置的修正示意圖Fig.3 Correction of unloading slope bridge foundation position

圖4 寬張裂隙影響下的橋基安全距離Fig.4 Bridge safety distance under the influence of the wide tension fissure

邊坡頂部靠近邊坡發(fā)育14#和15#裂隙兩條寬張裂隙。一般情況下，橋基宜置于裂隙后，即應(yīng)置于15#裂隙以后，因此對(duì)15#裂隙進(jìn)行討論。鉆孔揭示該處地表下砂巖厚31.3 m，砂巖下覆泥巖，15#裂隙地表張開寬度約40 cm，該張開裂隙系構(gòu)造節(jié)理受采空區(qū)影響而產(chǎn)生地層移動(dòng)形成的，調(diào)查發(fā)現(xiàn)該組構(gòu)造節(jié)理延伸長(zhǎng)，初步認(rèn)為張開裂隙的深度較深，貫穿整個(gè)砂巖層，即15#裂隙深度30 m以上。當(dāng)裂隙深度很深時(shí)，則橋基安全距離計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮將裂隙作為虛擬的坡面，虛擬坡面的坡度為90°，則橋基安全距離為：

Sf=0.031·901.482 3·[(1-0.8710.5)·0.4]0.7·

(0.5+52/200)-0.7=13.2 m

橋基安全距離距裂隙為13.2 m，而15#裂隙距坡面13.08 m，則安全橋基距離應(yīng)距坡面26.28 m以上，如圖4所示。按橋基荷載的應(yīng)力影響角55°計(jì)，當(dāng)裂隙深度大于20.7 m時(shí)，就應(yīng)將裂隙當(dāng)作虛擬坡面考慮橋基安全距離，實(shí)際裂隙深度可達(dá)30 m以上，因此，以裂隙當(dāng)作虛擬坡面考慮。

4 岸坡巖體破壞模式及應(yīng)力分析

數(shù)值分析中各材料計(jì)算參數(shù)選取如表4所示，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，橋墩基底應(yīng)力按0.4 MPa計(jì)，橋基寬度B=10.5 m。

表4 各材料計(jì)算參數(shù)

4.1 邊坡巖體破壞模式分析

離散單元法是求解塊體集合體在外力作用下，塊體間的相互作用以及運(yùn)動(dòng)過程的有效方法，非常適合非連續(xù)介質(zhì)、節(jié)理巖體的應(yīng)力及破壞的分析[12-15]。利用離散單元法，對(duì)岸坡的天然狀態(tài)下、橋基荷載作用下巖體破壞模式及可能產(chǎn)生的破壞范圍進(jìn)行分析。

4.1.1 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

基于野外地質(zhì)調(diào)繪結(jié)果，建立離散單元模型，考慮到計(jì)算的精度要求及模型的合理簡(jiǎn)化，巖層傾角20°，節(jié)理傾角90°，采用二維離散單元軟件，建立模型劃分塊體并在坡面選擇了7個(gè)觀測(cè)點(diǎn)如圖5所示，令各點(diǎn)的水平位移偏向坡面內(nèi)的方向?yàn)檎粗疄樨?fù)，垂直位移向上為正，反之為負(fù)。

圖5 離散單元模型及坡面位移記錄點(diǎn)Fig.5 Discrete element model and slope displacement record points

4.1.2 天然狀態(tài)下巖體破壞模式

天然狀態(tài)下邊坡巖體位移趨勢(shì)特征如圖6所示，圖中箭頭長(zhǎng)度表示該點(diǎn)位移的相對(duì)大小。從圖中可以看出，邊坡坡面上及裂隙處巖體位移最大，向坡內(nèi)部巖體位移越來越小，坡面巖體可能移動(dòng)塊體主要分布在變坡點(diǎn)附近。同時(shí)由于裂隙的存在，裂隙前坡體受坡后巖體影響降低，所以天然狀態(tài)下坡面巖體相對(duì)穩(wěn)定，但是，自然邊坡上部陡坡段巖體存在崩塌的可能，自然邊坡有變緩的趨勢(shì)。圖7為天然狀態(tài)下邊坡巖體位移速率圖示意圖，從圖中可以看出邊坡巖體位移速率最大為墩后方G點(diǎn)處巖體，裂隙靠近墩一側(cè)次之，坡面最??；由此可見邊坡巖體由坡后部至坡前位移速率逐漸變小，邊坡巖體也逐漸變穩(wěn)定。

圖6 天然狀態(tài)下巖體位移趨勢(shì)Fig.6 Trend of the natural state of the rock mass displacement

圖7 天然狀態(tài)下巖體位移速率Fig.7 Displacement rate of rock mass under natural condition

(a)水平位移;(b) 豎向位移圖8 天然狀態(tài)下巖體關(guān)鍵點(diǎn)位移發(fā)展趨勢(shì)Fig.8 Development trend of the key points displacement in the rock mass under natural condition

從圖8(a)中可以看出，坡面巖體水平位移隨著自然歷史的演化逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定。坡面巖體在邊坡自然歷史發(fā)展演化過程中，會(huì)產(chǎn)生較大的水平位移，巖體水平位移往往體現(xiàn)在外傾節(jié)理的張開、位移直至破壞，邊坡上卸荷節(jié)理、近期崩塌痕跡證明邊坡巖體位移還在發(fā)展期。坡面E點(diǎn)裂隙靠墩一側(cè)附近巖體水平位移相對(duì)最大，坡中部B點(diǎn)巖體位移次之，D點(diǎn)位移最小。D點(diǎn)處于分割邊坡巖體的裂隙頂部，且位于靠近坡面的這部分巖體上，裂隙貫穿整個(gè)砂層直至泥巖，降水沿裂隙直達(dá)泥巖層形成軟弱巖層，另外，裂隙底部也受上坡巖體影響出現(xiàn)順坡向的應(yīng)力集中，造成下坡巖體底部向坡外位移大于坡體上部，坡體向坡內(nèi)向方向傾斜，因而裂隙頂部下坡巖體上的D點(diǎn)出現(xiàn)坡內(nèi)向方向上的位移。隨著邊坡巖體的演化，下坡坡體底部位移向坡外繼續(xù)增大，D點(diǎn)開始向坡外方向移動(dòng)，最終形成了位移先向坡內(nèi)方向(正向)，后向坡外方向(負(fù)向)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

從圖8(b)中可以看出，坡面巖體豎向位移同樣隨著自然歷史的演化逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定。坡面巖體豎向位移由坡腳A點(diǎn)至坡后側(cè)巖體位移依次逐漸增加。坡角處豎向位移為坡后側(cè)巖體G點(diǎn)位移的19.1%，其他各點(diǎn)位移均為坡后側(cè)巖體G點(diǎn)位移的50%以上。

根據(jù)邊坡巖體變形發(fā)展歷史可知，邊坡在形成初期，變形發(fā)展迅速，而在邊坡形成后期，巖體變形趨于平緩。從圖8中也可以看出，在水平位移和豎向位移隨時(shí)間的變化曲線中，曲線有變形加速階段和變形平緩階段?？梢哉J(rèn)為，天然狀態(tài)下邊坡巖體仍處于變形階段，目前狀態(tài)下邊坡是處于變形發(fā)展平緩期，坡面大部分巖體不會(huì)產(chǎn)生較大的變形，坡頂部受節(jié)理切割巖體可能產(chǎn)生局部的崩塌落石，裂隙后側(cè)巖體有向坡外位移的趨勢(shì)。

4.1.3 橋梁荷載作用下巖體破壞模式

橋梁荷載作用下邊坡巖體位移趨勢(shì)特征如圖9所示，圖中位移向量表示僅由荷載產(chǎn)生的巖體位移，而未包括天然狀態(tài)下巖體仍將產(chǎn)生的變形。從圖中可以看出：荷載作用下，基礎(chǔ)底部巖體位移最大，約為天然狀態(tài)下的51%，沿陡傾節(jié)理向下位移，其向下的影響深度約至坡內(nèi)30 m，向坡外影響至裂隙發(fā)育處，由于裂隙的存在，橋梁荷載對(duì)裂隙至坡前側(cè)巖體影響不大，向邊坡內(nèi)部巖體位移越來越小，坡面巖體受荷載影響較大的巖體主要分布在基礎(chǔ)附近。荷載作用增加了邊坡巖體運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，認(rèn)為荷載作用對(duì)邊坡巖體的位移和破壞影響有一定的影響，裂隙的存在未對(duì)邊坡的總體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。圖10為荷載作用下邊坡巖體位移速率示意圖，分布規(guī)律與天然狀態(tài)下基本一致，從圖中可以看出邊坡巖體位移速率主要集中在墩后方G點(diǎn)處巖體，裂隙至坡前側(cè)巖體的位移速率很小，可見荷載對(duì)邊坡巖體位移速率的影響主要集中在墩后側(cè)，邊坡巖體由坡后部至坡前位移速率逐漸變小。

圖9 荷載作用下巖體位移趨勢(shì)Fig.9 Displacement trend of rock mass under loading condition

圖10 荷載作用下邊坡巖體位移速率Fig.10 Displacement rate of rock mass under loading condition

(a)水平位移;(b)豎向位移圖11 橋梁荷載作用下邊坡關(guān)鍵點(diǎn)巖體位移發(fā)展趨勢(shì)Fig.11 Development trend of the key points displacement in the rock mass under bridge loading condition

橋梁荷載作用下坡面關(guān)鍵點(diǎn)巖體位移特征如圖5所示。由圖11(a)可以看出，水平位移最大點(diǎn)位于E點(diǎn)；其次是坡后部G點(diǎn)；裂隙前A、B、C及D點(diǎn)位移相對(duì)最小，其中C和D點(diǎn)位移方向與其他各點(diǎn)相反，荷載作用下坡頂部分巖體向坡后產(chǎn)生少量位移；裂隙前坡體位移約為E點(diǎn)的7.4%，也說明和橋梁荷載對(duì)裂隙前側(cè)巖體的水平位移影響不大。由圖11(b)可以看出，橋梁荷載對(duì)邊坡豎向位移影響最大的是離墩最近的F點(diǎn)和E點(diǎn)，D點(diǎn)次之，A點(diǎn)最小，其中D點(diǎn)豎向位移約為E點(diǎn)的53.0%，說明荷載對(duì)裂隙前側(cè)巖體豎向位移的影響要低于后側(cè)的位移，荷載的影響范圍是有限的。E點(diǎn)在初始階段有向上的微小位移，是由于荷載作用下，基礎(chǔ)底部巖體向坡下位移相對(duì)較大，對(duì)其下坡向頂部巖體有向上的應(yīng)力作用，造成裂隙頂部E點(diǎn)有向上的微小位移，但隨著坡體的演化，各測(cè)點(diǎn)豎向位移總體趨勢(shì)是向下的。

4.2 考慮寬張裂隙的邊坡巖體應(yīng)力分析

有限單元法在邊坡穩(wěn)定性分析的應(yīng)用越來越廣泛，它不但能考慮邊坡巖體本身的變形對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，而且能給出邊坡巖體中應(yīng)力應(yīng)變分布，分析邊坡破壞的發(fā)生和發(fā)展過程[16-19]。在考慮14號(hào)和15號(hào)兩條寬張裂隙條件下，對(duì)邊坡在建議橋位下巖體力學(xué)行為特征進(jìn)行分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察及鉆孔資料，建立邊坡數(shù)值分析模型如圖12所示。

圖12 有限元分析模型Fig.12 Finite element analysis model

橋基荷載作用下邊坡巖體最大主應(yīng)力特征如圖13所示，由于地層由砂巖、泥巖及煤層組成，地層不均勻，因此巖體應(yīng)力分布狀態(tài)也不均勻。受寬張裂隙的影響，在張裂隙底部正下方巖體呈現(xiàn)張應(yīng)力狀態(tài)，而在張裂隙底部?jī)蓚?cè)則呈現(xiàn)較高的壓應(yīng)力狀態(tài)，即裂隙底部附近區(qū)域既有張應(yīng)力集中現(xiàn)象，也有壓應(yīng)力集中現(xiàn)象。雖有較高的壓應(yīng)力，但壓應(yīng)力遠(yuǎn)低于巖體抗壓強(qiáng)度，因此巖體不會(huì)出現(xiàn)因抗壓強(qiáng)度不足而破壞的現(xiàn)象，但張裂隙底部的張應(yīng)力使裂隙有進(jìn)一步加大加深的趨勢(shì)。此外，橋基荷載改變了基礎(chǔ)底部應(yīng)力狀態(tài)，使基底巖體應(yīng)力顯著提高，同樣，基底巖體應(yīng)力遠(yuǎn)低于巖體抗壓強(qiáng)度，基底不會(huì)出現(xiàn)巖體抗壓強(qiáng)度不足而破壞的現(xiàn)象，基礎(chǔ)和基底巖體均是安全的。

圖13 邊坡巖體最大主應(yīng)力分布Fig.13 Distribution of maximum principal stress of slope rock mass

橋基荷載作用下邊坡巖體最小主應(yīng)力特征如圖14所示，邊坡巖體最小主應(yīng)力分布極不均勻?；A(chǔ)底部附近巖體最小主應(yīng)力局部存在張應(yīng)力，但不影響基礎(chǔ)及基底巖體的穩(wěn)定。受寬張裂隙的影響，在張裂隙底部正下方巖體最小主應(yīng)力呈現(xiàn)張應(yīng)力狀態(tài)，且張應(yīng)力值較高，對(duì)巖體的穩(wěn)定不利。張裂隙底部巖體拉張應(yīng)力對(duì)裂隙附近巖體的穩(wěn)定不利，對(duì)裂隙后方的巖體的穩(wěn)定影響不大。

圖14 邊坡巖體最小主應(yīng)力分布Fig.14 Distribution of the minimum principal stress of slope rock mass

橋基荷載作用下邊坡巖體剪應(yīng)力特征如圖15所示，邊坡中巖體剪應(yīng)力集中區(qū)主要分布在裂隙底部和基礎(chǔ)底部。由于巖體抗剪強(qiáng)度較高，設(shè)計(jì)荷載下，基礎(chǔ)底部產(chǎn)生剪切破壞的可能性不大。但寬張裂隙底部的高剪應(yīng)力集中則可能導(dǎo)致裂隙的進(jìn)一步破壞。

圖15 邊坡巖體剪應(yīng)力分布特征Fig.15 Shear stress distribution characteristics of rock slope

5 結(jié)論

1)采用赤平投影法并結(jié)合巖石試驗(yàn)深入探究包括巖石質(zhì)量和巖體節(jié)理面的巖體結(jié)構(gòu)特征，并通過現(xiàn)場(chǎng)地勘資料，計(jì)算巖體質(zhì)量指標(biāo)，由此通過經(jīng)驗(yàn)公式分別計(jì)算自然條件和橋基荷載條件下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定坡角，并確定坡面寬大裂隙以修正橋基安全距離是對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的較為方便、有效的方法。

2)當(dāng)不考慮坡頂寬張裂隙的影響時(shí)，邊坡自然穩(wěn)定坡角為64°。坡頂寬張裂隙深度較大，對(duì)橋墩基礎(chǔ)的確定有較大的影響，橋墩基礎(chǔ)建議距邊坡邊緣宜大于26.28 m，距15號(hào)裂隙13.2 m。推測(cè)橋墩坡內(nèi)方向存在地下裂隙，將巖體切割成巨塊狀，但無臨空面，巖體無位移空間，因此對(duì)邊坡和橋基的穩(wěn)定影響較小。建議在施工開挖后，根據(jù)揭示的裂隙規(guī)模及發(fā)展形態(tài)，進(jìn)行適當(dāng)處理。

3)邊坡巖體卸荷裂隙有逐漸增大的趨勢(shì)，坡頂巖體存在局部崩塌的可能。橋梁荷載下基礎(chǔ)底部巖體位移明顯，影響深度約至坡內(nèi)30 m，向坡外影響至裂隙發(fā)育處；由于裂隙的存在，荷載對(duì)裂隙至坡前側(cè)巖體及荷載下邊坡整體穩(wěn)定性影響不大。

4)寬張裂隙底部是高應(yīng)力集中區(qū)，將可能進(jìn)一步導(dǎo)致裂隙的破壞。在建議的橋位下，橋墩基礎(chǔ)荷載對(duì)邊坡巖體應(yīng)力的影響較小，橋墩基礎(chǔ)是安全的，但不排除寬張裂隙前方巖體的進(jìn)一步破壞，在鐵路運(yùn)營(yíng)期應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)裂隙寬度的監(jiān)測(cè)，以評(píng)估對(duì)橋基礎(chǔ)安全性的影響。

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Analysis of rock slope stability of bridge foundation under the condition of wide tension fissure

SUN Chunwei, WU Xiyong, LING Sixiang, REN Yong, LI Tao, LIAO Xin

(Department of Geological Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China)

Some joint surfaces develop into the deep and wide tension fissure in the rock slope of a bridge foundation because of stratigraphic heave. The fissure, one type of stress-release crack contributing to human activity, has a great influence on the determination of the position of bridge foundation and is the focal point to the analysis of rock slope under bridge loading. On the basis of field investigation, the method of stereographic projection was utilized to analyze the stability of the jointed rock mass, and the safe distance of bridge foundation was obtained by calculating the empirical formula involving RMR and fixing that after defining the position of the wide fissures. The failure model and stress regime of the rock mass were analyzed using finite element method and Discrete element method. The rock slope stability of the bridge foundation under the proposed safe distance position was analyzed comprehensively and verified. The analysis results indicate that the front of the rock mass slope is not susceptible to the load for the existence of the wide tension fissures, while the bottom of the fissure is high stress concentration area where it is prone to failure of the rock mass again. The bridge foundation is safe under the proposed position.Key words：wide tension fissure; rock slope; stability; numerical simulation

2016-01-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41172261)

巫錫勇(1963-)，男，四川成都人，教授，從事巖石風(fēng)化及其工程特性評(píng)價(jià)、巖土體穩(wěn)定性研究;E-mail:wuxiyong@163.com

U212.22

A

1672-7029(2016)11-2154-09