張 可，石 昊，劉世杰，付昱凱

(1.蘭州鐵道設(shè)計院有限公司， 甘肅 蘭州 730000； 2.長安大學(xué) 地質(zhì)工程系， 陜西 西安 710054)

祁家渡黃河鐵路大橋岸坡數(shù)值模擬分析

張 可1，石 昊2，劉世杰2，付昱凱2

(1.蘭州鐵道設(shè)計院有限公司， 甘肅 蘭州 730000； 2.長安大學(xué) 地質(zhì)工程系， 陜西 西安 710054)

祁家渡黃河鐵路大橋位于甘肅劉家峽水庫庫區(qū)。針對橋梁設(shè)計及施工過程中所面對的問題，通過現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗，掌握了橋址岸坡巖土體特征，之后建立二維及三維數(shù)值模型，利用FLAC3D軟件對所建模型進行數(shù)值計算，得到兩岸坡現(xiàn)狀穩(wěn)定系數(shù)、穩(wěn)定岸坡角以及岸坡在施工過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。計算結(jié)果表明： 岸坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)； 岸坡位移及應(yīng)力集中主要分布于卸荷裂隙帶范圍內(nèi)； 橋墩基槽開挖可能導(dǎo)致基坑后壁局部失穩(wěn)。最終，根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果提出相應(yīng)支護建議，以達到保證橋址岸坡穩(wěn)定的目的。

穩(wěn)定性；數(shù)值模擬；FLAC3D；強度折減法

邊坡的穩(wěn)定性及其變形特征一直是國內(nèi)外研究的重點，傳統(tǒng)的分析方法主要有：極限平衡法、極限分析法和滑移線場法等[1]。其中極限平衡法簡單、快捷，在工程中得到廣泛應(yīng)用。但其在計算中引入了大量假設(shè)，Ducan J M[2]對其局限性進行了總結(jié)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，越來越多的學(xué)者利用數(shù)值模擬方法對邊坡的穩(wěn)定性及其變形特征進行了研究[3-13]。本文通過現(xiàn)場調(diào)查、原位測試、室內(nèi)試驗并查閱相關(guān)資料[14-16]，掌握了橋址岸坡的工程地質(zhì)條件及巖土體參數(shù)，之后建立數(shù)值模型，利用FLAC3D軟件針對橋址岸坡面臨的工程問題進行相關(guān)計算分析。

祁家渡黃河鐵路大橋為擬建蘭州至合作鐵路第二大橋，位于甘肅省劉家峽水電站大壩上游約4.0 km處，橋址上游1.0 km為祁家渡口，大里程(合作側(cè))岸坡位于東鄉(xiāng)族自治區(qū)境內(nèi)，小里程(蘭州側(cè))岸坡位于永靖縣境內(nèi)，該橋設(shè)計長度302.0 m。橋址岸坡穩(wěn)定性對于橋梁安全有著重要影響，為了保證線路施工及運營安全，對該橋橋址岸坡進行穩(wěn)定性分析是必要的。針對數(shù)值計算中發(fā)現(xiàn)的問題，提出了針對性建議以保證橋址岸坡安全。

1 工程地質(zhì)條件

橋址區(qū)位于甘肅省劉家峽水庫庫區(qū)。該區(qū)大地構(gòu)造上屬祁連山褶皺系南端，屬構(gòu)造相對穩(wěn)定區(qū)域，坡體附近無斷層穿過。該區(qū)地貌單元上屬于黃河上游峽谷區(qū)，河谷斷面呈“V”型。岸坡高約90.0 m，坡面基巖裸露，坡面坡度約70°，部分近于直立。橋址區(qū)岸坡主要由云母石英片巖組成，根據(jù)鉆孔及波速資料，坡體表面分布有4.0 m～5.0 m的卸荷裂隙帶；第三系砂礫巖以角度不整合覆蓋于前震旦系云母石英片巖之上，岸坡頂部為殘留的黃河高階地前緣，其工程地質(zhì)縱剖面如圖1所示。橋址區(qū)水文地質(zhì)條件較為簡單，地下水主要以裂隙水賦存，水量不豐富，庫區(qū)水流基本與岸坡垂直。橋址區(qū)地震動峰值加速度系數(shù)為0.2g。

圖1 祁家渡黃河大橋橋址縱剖面示意圖

另外，在祁家渡橋址下游約100.0 m處存在一已建公路大橋，該大橋邊坡坡度、坡高及巖土地質(zhì)條件與祁家渡橋址基本相似，該大橋經(jīng)多年使用，其橋址邊坡未見明顯變形破壞跡象。同時根據(jù)現(xiàn)場踏勘，祁家渡橋址區(qū)邊坡上覆砂質(zhì)黃土未見變形跡象，因此可初步判定祁家渡橋址區(qū)邊坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2 岸坡巖體結(jié)構(gòu)特征

橋址岸坡巖體具有塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較完整，接近地表的卸荷裂隙帶，陡傾節(jié)理多張開，片理面閉合。對橋址兩岸的結(jié)構(gòu)面分別進行了統(tǒng)計，圖2為兩岸結(jié)構(gòu)面等密度圖，根據(jù)等密度圖統(tǒng)計得出兩岸片理及節(jié)理優(yōu)勢面產(chǎn)狀見表1，現(xiàn)場測量的結(jié)構(gòu)面間距也列于表1中。

圖2 橋址兩岸結(jié)構(gòu)面等密度圖表1 兩岸巖層節(jié)理、片理產(chǎn)狀統(tǒng)計

3 岸坡巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

為了更加準(zhǔn)確地進行定性評價及定量計算，對在橋址區(qū)采取的鉆孔巖芯和巖塊試樣進行室內(nèi)試驗，并參考相關(guān)文獻[14-16]，獲得橋址區(qū)巖土體密度、彈性模量、泊松比、巖塊黏聚力及摩擦角。于岸坡鉆孔內(nèi)取得圓柱試樣，進行了橋址區(qū)石英片巖天然重度測定及巖石單軸壓縮試驗，求得石英片巖的彈性模量及泊松比。于岸坡取得新鮮巖塊，進行直剪試驗獲得其強度參數(shù)，根據(jù)試驗結(jié)果擬合得到片巖巖塊黏聚力和摩擦角，其中內(nèi)摩擦角為48.0°，黏聚力為9.5 MPa。然后，將剪切破壞的試樣沿剪切破壞面拼起，進行巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗，根據(jù)試驗結(jié)果擬合得到片巖結(jié)構(gòu)面摩擦角，其平均值為29.3°。由于巖石直剪試驗結(jié)果不能直接應(yīng)用于巖體，因此在室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場測得的兩岸結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況對其進行折減，岸坡巖土體相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表2 數(shù)值模擬物理力學(xué)參數(shù)

4 岸坡穩(wěn)定性及變形計算

橋址岸坡在橋梁設(shè)計及建設(shè)過程中會遇到以下三個問題：(1) 橋址岸坡的現(xiàn)狀穩(wěn)定性及破壞模式是怎樣的？(2) 橋基的安置位置應(yīng)如何確定？(3) 橋址岸坡在施工過程中會發(fā)生怎樣的變形？為此，本文利用FLAC3D軟件，根據(jù)岸坡實測地形數(shù)據(jù)及岸坡特點建立模型，在試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程經(jīng)驗確定模型參數(shù)，對以上三個問題進行分析計算。

4.1 橋址岸坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性的計算及變形破壞模式分析

選取兩岸岸坡典型剖面建立兩岸岸坡二維模型，進行現(xiàn)狀整體穩(wěn)定性計算。蘭州側(cè)岸坡模型坡高217.9 m，右邊界距坡腳50.0 m，下邊界距坡腳50.0 m。合作側(cè)岸坡模型坡高210.24 m，右邊界距坡腳50.0 m，下邊界距坡腳50.0 m。數(shù)值模擬邊界條件為：約束模型側(cè)面位移，坡面為自由邊界。其中蘭州側(cè)岸坡模型劃分為2 601個單元；合作側(cè)岸坡模型劃分為2 224個單元。模型單元網(wǎng)格劃分如圖3所示。根據(jù)勘察資料，模型由表層黃土、卸荷裂隙帶及其下基巖組成，采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，材料參數(shù)如表2所示。

圖3 網(wǎng)格劃分圖

采用FLAC3D內(nèi)置的強度折減法對橋址岸坡的現(xiàn)狀穩(wěn)定性進行計算。在穩(wěn)定性計算的過程中，利用下式對坡體巖土體抗剪強度參數(shù)進行調(diào)整。在計算過程中逐漸增加折減系數(shù)，當(dāng)計算到不收斂時則坡體破壞，此時所得的折減系數(shù)為穩(wěn)定系數(shù)。

cF=c/Ftrial

(1)

φF=tan-1((tanφ)/Ftrial)

(2)

式中：cF為折減后的黏聚力；φ為折減后的內(nèi)摩擦角；φF為折減系數(shù)。

通過計算，得到祁家渡蘭州側(cè)岸坡邊坡的現(xiàn)狀整體穩(wěn)定安全系數(shù)為2.11，合作側(cè)岸坡的現(xiàn)狀整體穩(wěn)定安全系數(shù)為2.32，這與岸坡目前的變形跡象相符，證明本文的模型建立及模型參數(shù)選取較合理(見圖4、圖5)。

從圖4上可以看出，在蘭州側(cè)岸坡強度折減系數(shù)為2.11，合作側(cè)岸坡強度折減系數(shù)為2.32的條件下，河流兩側(cè)岸坡在目前狀態(tài)下其位移分布有著相似的規(guī)律，兩岸位移主要集中在坡面以下一定深度范圍內(nèi)，即卸荷裂隙帶范圍內(nèi)，且中下部卸荷裂隙帶的位移較大，基巖及坡頂覆蓋的黃土的位移很小。主要因為邊坡中下部卸荷裂隙帶坡度較陡，加之這部分巖體破碎，其力學(xué)性質(zhì)較差，導(dǎo)致該部位地層變形較大。

圖4 位移分布圖(單位：m)

圖5 剪應(yīng)變增量分布圖及速度矢量圖

從圖5中可以看出，在蘭州側(cè)岸坡強度折減系數(shù)為2.11，合作側(cè)岸坡強度折減系數(shù)為2.32的條件下，兩岸在剪應(yīng)變增量圖和速度矢量圖上也有著相似的規(guī)律。兩岸坡體內(nèi)剪應(yīng)變及速度矢量在坡面以下一定深度范圍內(nèi)明顯大于較深部位，說明兩岸岸坡變形及應(yīng)力集中主要在坡面以下一定深度范圍內(nèi)，這與岸坡卸荷裂隙帶的范圍及兩岸位移分布圖的結(jié)果相互印證，由此可知，兩岸岸坡卸荷裂隙帶是控制岸坡變形及穩(wěn)定性的主要因素。

4.2 岸坡整體穩(wěn)定坡角確定

巖質(zhì)岸坡穩(wěn)定性分析的重要目的是為橋梁設(shè)計提供橋基安置準(zhǔn)則[17]，穩(wěn)定岸坡角法是確定橋基安置準(zhǔn)則的方法之一。岸坡整體穩(wěn)定坡角是指岸坡巖土體在滿足一定的安全儲備條件下維持整體穩(wěn)定狀態(tài)所需的最大角度，橋基的安置必須在岸坡整體穩(wěn)定坡角所確定的坡度線之下。這里采用FLAC3D強度折減法，分別對南北兩岸岸坡，從45°到80°每隔5°一個坡角，分別建立8個坡度的邊坡模型，計算其穩(wěn)定系數(shù)。計算岸坡穩(wěn)定坡角時，采用摩爾庫侖模型，將岸坡地層概化為均質(zhì)邊坡，即只有片巖地層，邊坡模型材料物理力學(xué)指標(biāo)見表2所列。

模擬計算得到的岸坡整體穩(wěn)定系數(shù)及坡度關(guān)系如表3及圖6所示?？紤]到鐵路大橋的安全等級及工程重要性，邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)取2.0，由表3及圖6可以看出，隨著坡度增大，岸坡整體穩(wěn)定系數(shù)減小。蘭州側(cè)岸坡坡度為55°時，整體穩(wěn)定系數(shù)接近2.0，合作側(cè)岸坡坡度為65°時，整體穩(wěn)定系數(shù)接近2.0，因此可確定兩岸岸坡整體穩(wěn)定坡角為：蘭州側(cè)岸坡55°，合作側(cè)岸坡65°，可根據(jù)這兩個角度來確定橋基位置。

4.3 橋址岸坡應(yīng)力應(yīng)變分析

祁家渡大橋橋梁基槽開挖深度及范圍較大，在基槽開挖過程中，會引起岸坡應(yīng)力應(yīng)變重分布，有可能導(dǎo)致開挖部位局部失穩(wěn)破壞，因此還需要對其開挖工況進行數(shù)值模擬計算，分析確定其開挖過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布及局部失穩(wěn)破壞的可能。

根據(jù)橋址區(qū)平面地形圖和地質(zhì)剖面圖，建立兩岸岸坡的三維模型。其中蘭州側(cè)岸坡模型高190m，長170m，寬120m；合作側(cè)岸坡模型高190m，長165m，寬120m。用于計算的三維模型如圖7所示。

表3 岸坡整體穩(wěn)定系數(shù)與坡度關(guān)系表

圖6 岸坡整體穩(wěn)定系數(shù)與坡度關(guān)系曲線圖

圖7 祁家渡兩岸三維模型示意圖

根據(jù)施工情況，將計算分為三個過程即：天然狀態(tài)自重應(yīng)力施加；橋梁拱腳基礎(chǔ)開挖；橋梁拱腳基礎(chǔ)混凝土澆筑及加載。其三維分析流程如圖8所示。模型邊界條件為：左右邊界約束水平位移，底部邊界約束水平和豎向位移。根據(jù)設(shè)計資料，暫定橋梁拱腳基礎(chǔ)所受荷載為72 134kN，與水平方向夾角44°。

圖8 祁家渡兩岸三維分析建模流程示意圖

(1) 橋址岸坡基槽開挖應(yīng)力應(yīng)變分析。在模型自重應(yīng)力平衡后，將基槽開挖部分移除進行開挖工況的計算，計算結(jié)果如圖9、圖10所示。由圖9(a)及圖10(a)可以看出，在基槽開挖后，基槽下部卸荷裂隙帶及基槽上部部分巖體處于剪切塑性狀態(tài)。對于基槽上部部分巖體而言，在基槽開挖后形成新的臨空面，加之坡體表面巖體處于卸荷裂隙帶其節(jié)理裂隙發(fā)育，在重力的作用下可能導(dǎo)致局部失穩(wěn)，因此應(yīng)在開挖后進行相應(yīng)的支護以保證后續(xù)施工的安全。

此外，由圖9(a)及10(a)可知基槽開挖對岸坡整體影響較小，因此選取基槽附近區(qū)域的變形行重點研究，如圖9(b)、圖9(c)及圖10(b)、圖10(c)所示。由圖可見，由于基槽開挖坡體荷載發(fā)生改變，卸荷產(chǎn)生較小彈性變形，方向指向臨空面。由此可見，基槽開挖對于岸坡的應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生較小影響。

(2) 橋址岸坡基槽加載應(yīng)力應(yīng)變分析。在對基槽開挖計算完成后，增加基礎(chǔ)單元并施加設(shè)計荷載進行加載狀態(tài)的計算，計算結(jié)果如圖11、圖12所示。由圖11(a)、圖12(a)所示，與開挖工況(圖10(a)、圖11(a))相比，其塑性區(qū)分布不明顯，由此可見荷載的施加對岸坡的整體影響較小。在橋梁荷載施加后，橋梁基礎(chǔ)發(fā)生了較小變形，坡體變形相對于開挖狀態(tài)沒有發(fā)生明顯變化。由此可見，橋梁荷載的施加對岸坡的整體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)影響較小。

圖9 蘭州側(cè)岸坡開挖后計算結(jié)果

圖10 合作側(cè)岸坡開挖后計算結(jié)果

圖11 蘭州側(cè)岸坡加載后計算結(jié)果

圖12 合作側(cè)岸坡加載后計算結(jié)果

5 結(jié)論及建議

本文在現(xiàn)場調(diào)查、原位測試及室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，運用數(shù)值模擬計算法對新建鐵路蘭州至合作線祁家渡黃河大橋橋址邊坡的穩(wěn)定性及變形特征進行了分析評價，主要結(jié)論及建議如下：

(1) 橋址岸坡工程地質(zhì)條件較好，由強度折減法計算得到橋址岸坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性結(jié)果可知，岸坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 考慮到一定的安全儲備，兩岸岸坡整體穩(wěn)定坡角建議值為：蘭州側(cè)岸坡55°，合作側(cè)岸坡65°。

(3) 經(jīng)數(shù)值計算結(jié)果可得，兩岸卸荷裂隙帶會出現(xiàn)較大變形以及應(yīng)力集中，其深度一般為4.0m～5.0m。卸荷裂隙帶內(nèi)巖體作為橋基時會產(chǎn)生過量變形，因此該區(qū)域巖體不應(yīng)作為橋梁基礎(chǔ)。

(4) 經(jīng)三維數(shù)值模型應(yīng)力應(yīng)變分析可知，橋梁荷載的施加對橋址岸坡穩(wěn)定性影響不大，但岸坡基槽開挖后其后壁巖體處于塑性狀態(tài)，可能導(dǎo)致局部失穩(wěn)，因此在施工時應(yīng)減少爆破對巖體的影響并在開挖后應(yīng)及時加固。

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Numerical Simulation of Qijiadu Yellow River Railway Bridge Bank Slopes

ZHANG Ke1, SHI Hao2, LIU Shijie2, FU Yukai2

(1.LanzhouRailwaySurveyandDesignInstisuteCo.，Ltd.,Lanzhou,Gansu730000，China;2.SchoolofGeologicalEngineeringandSurveying,Chang'anUniversity,Xi'an,Shaanxi710054,China)

The Qijiadu Yellow River Railway Bridge is located in the Liujiaxie Reservoir. In order to solve the problems which may occur during the design and construction of the bridge, the character of the material in slope bank is analyzed through investigation on the site and laboratory experiments. 2D and 3D models were developed. Based on qualitative analysis, the stability coefficient of bank slopes, the safety angle of bank and the change of stress and strain field during construction of the bridge are obtained using numerical simulation software (FLAC3D). The analysis result show that: The bank slopes are in the stable state; The unloading fissure zone with obvious stress concentration phenomenon is more likely to damage; The excavation of slope may cause unstable state in the back wall. Finally prevention measures are proposed based on the analysis.

stability; numerical simulation; FLAC3D; strength reduction method

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.027

2016-10-30

2017-01-11

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃資助項目(2014JQ5186)；長安大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(0009-2014G1261057)

張 可(1985—)，男，四川達州人，工程師，主要從事工程地質(zhì)、水文地質(zhì)勘察工作。E-mail:zk3403@163.com。

TU457

A

1672—1144(2017)02—0138—06