（地质工程专业论文）保腾高速公路龙江特大桥桥基位置的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 !_l 一 ；_ ；l i i i 皇曼曼曼! 曼曼曼曼! 曼曼皇曼曼皇曼鼍曼曼曼! 曼! 曼! ! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼皇 摘要 拟建的保( 山) 腾( 冲) 高速公路中的龙江特大桥将跨越龙江中游，龙江特大桥 采用单跨悬索钢箱梁结构，桥墩设置在谷深近l o o m 的“v 型 玄武岩岸坡上。桥基位 置的变化，不仅对桥梁的造价和边坡的稳定有很大的影响，而且直接关系到整个桥梁 的技术指标和经济造价。本文的研究对于龙江特大桥的建设具有重要的现实意义。 本文采用工程地质分析方法、自然稳定坡角经验公式法和数值模拟相结合的综合 方法，来确定桥基的位置。首先对龙江特大桥天然状态下岸坡的稳定性进行野外实地 调查分析，初步确定岸坡的破坏模式，结果表明天然状态下，由于风化和重力作用， 造成两岸坡顶可能产生少量崩塌，但岸坡整体上是稳定的。然后利用桥基位置确定公 式提出了桥基参考位置、岸坡稳定坡角和安全距离。最后利用有限元对岸坡岩体力学 行为进行了分析，结果表明，当桥基设置在荷载作用稳定坡角线以内时，荷载对边坡 坡面岩体应力影响很小，不会影响边坡的整体稳定性及桥基的安全。荷载作用产生的 岸坡位移同样不影响边坡和桥基的安全。 本论文利用各种方法综合确定桥基位置，提出高边坡上桥基位置确定的分析方法， 对类似的工点具有一定的参考价值。 关键词：稳定性；有限元；桥基位置 西南交通大学硕士研究生学位论文第f 页 a b s t r a c t t h el o n g j i a n gb r i d g ew h i c hh a sb e e nr e a d yt ob u i l di nt h eh i g h w a yb e t w e e nb a o s h a n a n dt e n g c h o n gw i l ls p a nl o n g ji a n gr i v e r t h el o n g j i a n gb r i d g ew i l lu s es i n g l e s p a ns t e e l b o xg i r d e rs u s p e n s i o n t h ea b u t m e n tl o c a t i o nh a sb e e ns e to nt h eb a s a l ts l o p eo ft h ev a l l e y d e e pn e a r10 0 m t h ec h a n g eo ft h ea b u t m e n t sp o s i t i o ni sn o to n l yr e l a t e dt ot h es l o p e s t a b i l i t y ，t h es a f e t yo fb r i d g e sa n da l s od i r e c t l yt ot h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n sa n dc o s to f t h e m t h es t u d i n go ft h et h e s i sh a st h ei m p o r t a n te n g i n e e r i n gp r a c t i c a lm e a n i n g t od e t e r m i n et h ea b u t m e n t sp o s i t i o n ，t h et h e s i su s e st h ec o n s o l i d a t e dm e t h o d st ol o c a t e t h eb r i d g ef o u n d a t i o np o s i t i o n ，w h i c hm e t h o d sa r ee n g i n e e r i n gg e o l o g i ca n a l y s i sa n dt h e e x p e r i e n c e df o r m u l ao ft h en a t u r a ls t a b l es l o p ea n g l ea n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n f i r s t l y ， a n a l y s i so ff i e l ds u r v e yc o n d u c ts l o p es t a b i l i t yo fl o n g j i a n gb r i d g eu n d e rn a t u r a ls t a t e ， p r e l i m i n a r yd e t e r m i n et h ef a i l u r em o d eo ft h es l o p e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tu n d e rt h e n a t u r a ls t a t e ，d u et ow e a t h e r i n ga n dg r a v i t y ，c a u s i n gas m a l la m o u n to fc r o s s s t r a i tt o po ft h e h i l lm a yh a v ec o l l a p s e d ，b u tt h eo v e r a l ls l o p ei ss t a b l e u s i n gt h ef o r m u l ap r o p o s e da b u t m e n t l o c a t i o n st od e t e r m i n et h ec o n s u l tp o s i t i o na n dt h es t a b l ea n g l eo fs l o p e u s i n gt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o da n a l y s i sm e c h a n i c a lb e h a v i o ro fr o c ks l o p e ，r e s u l t ss h o w e dt h a tw h e nt h e b r i d g ef o u n d a t i o ns e tu pi nt h es t a b l es l o p el i n e ，t h el o a ds t r e s so nt h er o c ks i d es l o p ei sv e r y s m a l la n dw i l ln o ta f f e c tt h eo v e r a l ls t a b i l i t yo ft h es l o p ea n dt h es a f e t yo ft h eb r i d g e f o u n d a t i o n t h eg e n e r a t e dd i s p l a c e m e n tb yt h el o a da l s od o e sn o ta f f e c tt h es a f e t yo fs l o p e a n da b u t m e n t i nt h i st h e s i s ，v a r i o u sm e t h o d sw e r ec o m p r e h e n s i v eu s e dt od e t e r m i n et h eb r i d g e l o c a t i o n , p r o p o s i n gt h eb r i d g ef o u n d a t i o nd e s i g no fh i g hs l o p ep o s i t i o na n ds l o p es t a b i l i t y a n a l y s i s t h et h e s i sh a st h ec e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e sf o r t h es i m i l a rs p o t k e yw o r d ：s t a b i l i t y ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；a b u t m e n tp o s i t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密西使用本授权书。 ( 请在以上方框内打”) 学位论文作者签名： 垂磋 日期：p ，o 1 指导老师签名：芝七 酾：一1 玄 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 对桥位区的工程地质环境详细调查的基础上，运用系统的工程地质分析理 论，分别从区域稳定性、卸荷裂隙带和岸坡稳定性三个方面来分析桥基的适宜性。 然后，运用经验公式计算了岸坡稳定坡角和桥基安全距离。最后，应用有限元分 析了岸坡应力和位移状态。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 害援 p 6 。| 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 随着西部地区的开发和建设，西南地区的水电、铁路和公路等基础设施建设 进入一个快速发展阶段，拟建保山至腾冲高速公路位于云南省西部、横断山脉南 段，是云南省干线公路“9 2 1 0 ”骨架网、“7 7 1 9 ”一般干线网和高速公路网的公 路发展总体规划的一部分，是昆明至缅甸、印度国际大通道及亚洲公路网的重要 组成部分。其控制性工程龙江特大桥位于龙江中游河段，桥轴线走向为3 0 7 。，东、西两岸分别属于龙陵县龙江乡和腾冲县五合乡。桥基处于上新统芒棒组 玄武岩夹砂砾岩地层，跨径逾千米，自然坡度3 0 。 - - 5 0 。，边坡高达2 8 0 米， 地质条件复杂【l 】。在此种复杂地质条件下修建大跨度的桥梁，墩台的设置位置和 合理埋深的确定是一个重要的技术难点。主跨墩台位置与合理埋深的确定不仅关 系到建桥适宜性桥基岸坡的稳定和桥梁的安全，也直接关系到整个桥梁的技 术指标和造价。一方面，如果桥基位置不能满足桥梁结构的要求，比如桥跨太大 致使结构难以满足，或是桥址处山体本身不稳定，引起线路方案改变，带来的间 接经济价值是难以估计的；另一方面，这些大桥主墩台设在峡谷的高陡岸坡上， 主墩台位置的变化将导致桥跨的增减，而所带来的桥梁结构和造价的变化也是相 当可观的。因此桥位的选择对大桥建设至关重要。 荷载作用下高陡边坡岩体力学行为特征是桥基位置确定及边坡稳定性分析 的基础。本论文将以龙江特大桥为例，为了确定桥基合理位置，本文通过现场调 查，收集地质资料，运用经验公式对岸坡自然状态及桥梁荷载作用下的稳定坡角 进行计算，得到荷载作用下的岸坡桥位。最后通过数值模拟模拟所选桥位的合理 性。该方法可为类似高陡边坡桥基位置的确定提供参考。这将是对多灾害地区桥 基位置选择的一次探索，因此具有重大意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼舅舅i ii 曼曼皇曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼苎曼曼 1 2 国内外斜坡桥基研究现状 1 2 1 国内外边坡研究现状 边坡是人类生存的重要环境，甚至是工程建筑的重要组成部分。人类在从事 生产和建筑过程中，不可避免的要对岩石圈表层进行改造，其中，水电建设、露 天采矿和道路修筑等人类工程活动对岩体的挖掘，往往会形成众多的岩质工程边 坡。 边坡稳定性研究是边坡防护设计和施工的重中之中，没有可靠的稳定性研 究，一切处在边坡潜在威胁地段的工程项目便难以实施有效的设计，更别说进行 施工了。随着人类工程活动的发展，对边坡稳定性问题的研究也不断深化。从人 们最初对滑坡、崩塌等灾害的研究到现今对人工边坡及自然边坡的关注，从其整 个发展历史来看，边坡稳定性研究发展的过程也是边坡稳定性分析方法不断发展 的过程。归纳前人对边坡问题的研究，大致可分为以下几个阶段： 1 9 世纪末至2 0 世纪初，随着欧美国家工业化的兴起，大规模的工程建设， 如修筑铁路，采矿等，导致了较多人工边坡的出现，并诱发了大量的滑坡和崩塌， 造成了很大的经济损失。于是，以滑坡为主要内容的半经验、半理论的研究逐步 开展起来。这一时期的边坡稳定性研究主要是从边坡所处地质条件、影响因素和 失稳现象上进行初步的对比和分析，同时借用土力学中的极限平衡概念，由静力 平衡条件计算边坡极限状态下的稳定性f e l l e n i u s ，1 9 2 7 ；t a y l o r ，1 9 3 7 ：j a n b u ， 1 9 5 4 ：b i s h o p ，1 9 5 5 等) 。 2 0 世纪5 0 年代，我国学者引进前苏联工程地质的体系，继承和发展了“地 质历史分析”法，并将其应用于滑坡的分析和研究中，对边坡稳定性研究起到了 推动作用。这阶段学者们着重边坡地质条件的描述和边坡类型的划分，采用工程 地质类比法评价边坡稳定性。 2 0 世纪6 0 年代，世界上几起灾难性的边坡失稳事件的发生( 如：意大利的瓦 依昂滑坡造成近3 0 0 0 人的死亡和巨大经济损夫) ，使人们逐渐认识到了结构面对 边坡稳定性的控制作用以及边坡失稳的时效特征( l m u l e r , 1 9 6 3 ，1 9 6 5 ) ，初步形成 了岩体结构的观点( 谷德振、孙玉科等，1 9 6 5 ) ，并在应用赤平极射投影的基础上， 提出了实体比例投影方法，用以进行边坡块体破坏的计算，定性判断边坡的稳定 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 性。同时，我国学者结合露天矿边坡稳定性研究，在陈宗基教授的指导下，进行 了比较系统的岩体力学性质的试验研究，包括大型现场试验及室内岩块试验，常 规力学试验及流变力学试验，岩块力学试验及结构面力学试验，动力学试验及静 力学试验等。这些工作推动了岩质边坡稳定性研究的发展。 2 0 世纪7 0 年代着重于边坡的破坏机理研究，提出了累进性破坏的观点及边 坡变形破坏的机制模式，将边坡的形成演化机制与其变形破坏的全过程联系了起 来，从而使边坡稳定性问题的研究步入了地质分析和岩石力学分析相结合的时 代。在破坏机理研究方面，至今已提出了多种观点，如张悼元，王兰生( 1 9 9 4 ) 提 出的斜坡变形的6 种主要模式，即：蠕滑一拉裂、滑移一压致拉裂、滑移一拉裂、 弯曲一拉裂、塑流一拉裂和滑移一弯曲，以及斜坡失稳的三种基本破坏方式，即 崩落( 塌) 、滑落( 坡) 和( 侧向) 扩离：孙广忠提出了“岩体结构控制论”观点；与此 同时，国外的r e g o o d m n a 出版了非连续岩体地质工程方法一书，对岩体 结构的特性也进行了深入细致的研究。 2 0 世纪8 0 年代，边坡稳定性研究进入了一个新的阶段。1 9 8 6 年，在举行国 际地质会议期间，国际工程地质协会( i a e g ) 成立，同时成立了“滑坡及其他块体 运动委员会”，它是国际上第一个专门研究滑坡及其防治的国际组织。国际岩石 力学与工程学会( i s r m ) 、国际岩土力学与基础工程学会( i s s m f e ) 、国际大坝委 员会( c o l d ) 等均将边坡工程作为重要的专题进行学术交流和探讨。这些国际组 织在促进边坡工程研究方面起到了重要作用。同时，我国改革开放政策的实施， 使大批从事边坡工程研究的学者焕发了强大的活力，在水电、矿山、铁路、地矿 等部门专f - j x 寸滑坡和边坡稳定性设列专题进行攻关研究。如，1 9 8 1 年至1 9 8 6 年， 原地质矿产部将“中国西南、西北崩滑灾害与斜坡稳定性研究”列为专题进行重 点攻关：1 9 8 6 年至1 9 9 0 年三峡工程将库岸稳定性列为专题进行研究。这期间，在 系统科学方法论的指导下，对边坡岩体的赋存环境、坡体结构、内部应力状态、 变形破坏机制、影响稳定性的因素等进行系统研究，形成了较为系统的边坡稳定 性研究思路；边坡变形破坏的地质模式得到了进一步的补充和完善( 王兰生等， 1 9 8 2 ，1 9 8 9 ；孙玉科等，1 9 8 3 ) ，针对不同的地质模式提出了一些相应的稳定性 计算方法( s a r a m ，1 9 7 9 ，1 9 8 1 ；黄润秋，1 9 8 8 ；王兰生、陈明东，1 9 8 9 ) 数值和物 理模拟手段也被引入边坡研究中，人们借助有限元法、离散元法、地质力学模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼ii 曼曼! 曼曼曼! 曼曼曼曼舅曼曼曼皇苎曼曼! 曼! ! ! 曼曼曼曼鼍曼! 曼! 曼皇曼曼鼍曼蔓曼曼曼曼曼鼍皇曼曼曼曼曼蔓曼曼曼! 曼曼 试验等再现边坡变形破坏的全过程，从整体上、内部作用机理等方面对边坡进行 全面的认识和评价；利用统计热力学理论、灰色系统理论、数量化理论、概率论 与数理统计等，探索了边坡稳定性的预测预报方法。可以说，这一阶段是边坡科 学发展的高峰期。 2 0 世纪9 0 年代以来，人类工程活动在发展中国家迅速增长，人工边坡的规 模和高度不断增大，边坡稳定问题越来越突出。我国黄河小浪底水电工程、长江 三峡工程、金沙江溪洛渡水电站和雅碧江锦屏电站等重大工程的建设或论证遇到 了前所未有的高边坡稳定性问题。为此，人们对工程边坡的勘察、设计、评价、 监测和加固越来越重视。“八五”和“九五”期间，国家专门立项开展了工程边 坡稳定性及其加固配套技术的研究。如水利电力部的“岩质高边坡稳定及处理技 术”被列为国家重点攻关项目，国家自然科学基金委员会和中国长江三峡工程开 发总公司专门将“三峡船闸高边坡的变形与稳定”列为重大项目进行资助研究。 同时，非线性科学理论、非连续介质理论、可靠性分析理论以及计算机技术的发 展，为边坡稳定性问题的研究提供了新的途径和方法，多学科、多专业的交叉渗 透研究己成为边坡研究的发展方向。可靠性分析理论、模糊数学、块体理论、灰 色系统理论、神经网络理论、分形理论、突变理论、自组织理论以及各种复杂的 数值计算方法广泛地应用于边坡研究中。边坡稳定性研究步入了定性与定量相结 合、概念模型与仿真模拟相结合、监测与反馈分析相结合的新阶段，取得了大量 成果。概括起来，主要有以下几方面： ( 1 ) 岩质边坡研究中的岩体结构控制理论 边坡的结构一般来说都很复杂，受许多因素的影响。岩质边坡结构尤其十分 复杂，其稳定性取决于边坡的各类结构面的特征。中国科学院地质研究所孙广忠 提出了“岩体结构控制理论”，并出版了岩体结构力学，将赤平投影法和实体 比例投影法应用于边坡工程。美国华裔学者石根华提出了“关键块体理论 ，南 京大学等提出了岩坡优势面控制理论，认为岩坡的变形破坏受岩坡内的优势面所 控制。王思敬等把断裂力学引入岩体结构。这些专家学者从不同的方面探索了岩 质边坡中岩体结构，极大地促进了岩质边坡结构研究的发展。 ( 2 ) 岩质边坡研究中的地质力学模型 岩质边坡的变形破坏机制和地质力学模型是反映影响岩质边坡稳定性状态 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 的各种地质因素的综合体现。因此，在实际工程中可以根据岩质边坡的地质模型 对岩质边坡的变形发展趋势及可能的破坏形式进行预测和评价，所以，典型岩质 边坡地质模型的建立对岩质边坡稳定性评价是非常有意义的。 2 0 世纪9 0 年代以来，岩质边坡变形破坏地质力学模型得到了不断的补充和 完善，不仅对己有地质力学模型的量化评价方法进行了探讨，而且还提出了更为 完善的岩质边坡变形破坏模式，如王兰生等( 1 9 9 2 ) 提出了边坡变形的旋转滑移一 拉裂模型，孙广忠( 1 9 9 3 ) 提出了9 种边坡变形破坏形式，即：楔形滑坡、圆弧滑面 滑坡、顺层面滑动滑坡、倾倒变形边坡、溃屈破坏边坡、复合型滑面滑坡、斜坡 开裂变形体、堆积层滑坡、崩塌碎屑流滑坡；国际上边坡破坏类型采用五分法， 即：崩塌、倾倒、滑动、侧向扩展拉裂和流动。这些地质模式的不断提出无疑对 边坡稳定性理论的研究起到了积极的推动作用。 ( 3 ) 岩质边坡研究中的人工神经网络方法 所谓人工神经网络( 简称n n n u e a r ln e t w o k r ) 是指由大量简单神经元经广 泛联接构成的一种计算结构，是一种广义的并行处理系统。人脑的认知模式被认 为是一种并行的分布模式，神经网络采用类似于人大脑的神经网络的体系结构来 构造模型仿真人的大脑功能，即把对信息的存储和计算推理同时储存在一个单元 里。因此，在某种程度上神经网络被认为可以模拟生物神经系统的工作过程。近 年来，人工神经网络开始应用于岩质边坡工程的稳定分析和评价，对于解杂的岩 质边坡系统工程的稳定性问题提供了一条新的途径。白占平针对露天矿发生的顺 层滑坡，使用b p 神经网络原理，建立了边坡系统状态识别人工神经网络模型， 选择海州露天矿6 6 次滑坡实例和3 4 个典型非失稳边坡模型作为样本进行训练和 预测，取得了显著成果。 ( 4 ) 岩质边坡研究中的非确定性分析方法 岩质边坡研究中的非确定性分析方法是指在定性分析方法和定量分析方法 的基础上，由于学科之间的交叉渗透而出现的一些新的理论和方法。如可靠性分 析法、模糊分级评判法、系统工程地质分析法、灰色系统理论分析法等，这些理 论和方法的出现，使人们可以更全面地反映岩土边坡工程中存在的各种模糊、不 确定性因素。 在岩质边坡稳定性分析中，传统的极限平衡理论是根据静力平衡原理来分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 边坡各种破坏模式下的受力状态，并根据抗滑力和下滑力的关系来评价边坡的稳 定性；而在一些边坡工程中，安全系数大于1 的边坡发生了失稳破坏，安全系数 小于1 的边坡反而处于稳定状态，这种情况发生的主要原因是极限平衡法计算中 选用的各种参数往往是确定的或线性变化的，忽视了计算参数的不确定性和随机 性，而以基于概率论的可靠性分析法为代表的非确定性分析方法正是注意到了这 些，并越来越受到人们的重视。 ( 5 ) 岩质边坡研究中的数值计算和仿真技术 岩质边坡研究中应用数值方法进行边坡工程的计算具有下列特点： a 由于边坡具有复杂的边界条件和地质环境，如岩土体的非均匀性、非连续 性，造成边坡工程的非线性等特性，这些问题要采用弹塑性理论和极限平衡分析 解决，数值方法可以方便的解决上述问题。 b 数值方法可以得到边坡的应力场、应变场和位移场，非常直观的模拟边坡 的变形破坏过程。 c 数值方法适用于分析边坡工程的分步开挖，边坡岩土体和加固结构的相互 作用，地下水渗流，爆破和地震等因素对边坡稳定性的影响。 d 数值分析能根据岩土体的破坏准则，确定边坡的塑性区或拉裂区域，分析 边坡的累进性破坏过程和取定边破的起始破坏部位。 e 采用离散元法可以仿真边坡整体的滑动过程，对于预测边坡的破坏规模和 重要意义。 这些年来，朱维申、卓家寿等许多专家从国外引进和自行研制了许多切实可 行的数值分析方法用于解决边坡工程的计算。与此同时，随着数值分析方法的不 断发展，出现了不同数值方法和相互耦合，如有限元、边界元、无限元、离散元 和块体元等的相互耦合，数值解和解析解的结合，以及非确定性数值方法，如随 机有限元、模糊有限元、概率数值分析等方法。这些方法的耦合能够充分发挥各 自的特长，解决复杂的岩土工程问题。 1 2 2 国内外桥基边坡研究现状 公路高陡边坡桥基合理位置研究尚处于初始阶段，没有成熟的理论与方法。 目前相应的规范及手册对高陡边坡桥基水平距离的确定没有明确的规定。公路 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 桥涵设计手册指出若基础置于较陡的岩体上，要考虑岩层的走向、节理发育等 与岩体稳定性有关的因素，一般情况下基础前缘至岩层坡面间的安全距离及基础 嵌入深度与持力层的关系如表l 一1 所示，并考虑到桥梁基础的荷载较挡土墙大 且受力复杂，故宜将安全距离适当增大【2 】。该方法适合于较矮的边坡，对高陡边 坡桥基位置确定不合适。 表1 1桥基安全距离及埋置深度与持力层之间的关系 铁路桥涵地基和基础设计规范指出墩台应避开不良地质，陡峭山坡上修 建墩台时应注意基础下岩体的稳定3 1 。铁路工程地质手册指出，在岩石地基 上设桥时，通常将基础直接修建在清除风化层后的岩面上。当风化层很厚时，其 埋深应按风化层的风化程度、冲刷程度及相应的容许承载力来确定。对于大桥基 础，除清除风化层外，尚应视基岩强度将基础嵌入一定深度或采用锚固措施，使 基础与基岩连成整体。 其它行业如建筑类对边坡上基础水平距离的规定适用于低矮土质边坡，不适 合于岩质边坡，更不适合于高陡边坡桥基位置的设计。 也有学者将稳定坡角法应用于高陡边坡桥基位置确定，谢强等根据对大量的 道路边坡的统计和理论分析，得到了基于岩体质量的边坡稳定坡角经验公式为： 口= n 1 4 7 1 n ( y r l o g d ) + 1 3 口：边坡稳定坡角；：坡高折减系数；y w ：地下水折减系数； r ：岩石回弹值；d ：岩体块度( e m ) 通过上式可以确定出边坡的稳定坡角，桥基设置在稳定坡角线以内即可，如 图所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 稳定坡角线 -一一一一一一一一。 口：边坡稳定坡角；6 7 ：自然坡角 图1 1 稳定坡角法确定桥基位置 该公式基于自然稳定高边坡的统计分析获得，不宜直接应用于承受重大荷载 的高陡边坡的桥基位置确定。稳定坡角法应用于高陡边坡桥基位置设计存在最大 的不足是没有考虑到荷载大小的因素；其次上述公式中坡高折减系数理论依据不 明确，对坡高的折减系数太大，当坡高大于1 0 0 m 时，坡高折减系数取值7 = o 8 。 对于高陡边坡来说，坡角变化1 。，反映在坡顶面上将有数米的变化，高边坡稳 定坡角进行折减以后，一般将产生1 0 。左右的差别，反映在坡顶面上将有数十 米的变化，若桥基设置在稳定坡角以内，往往使结果过于保守。 詹志峰从成昆铁路上调查的2 1 座峡谷型铁路桥中选取1 0 座大桥边坡来分 析，旨在通过统计与理论分析寻求一种适用于确定峡谷区岩质边坡稳定坡角的经 验公式。根据分析，选取边坡高、边坡角和边坡岩体质量评分作为基本自变因子， 以稳定坡角表示桥基位置，由统计分析得出经验公式如下： 0 = 2 7 4 7 3 1 5 4 4 6 1 h + 0 9 1 7 3 7 a + 0 0 4 4 3 s m r 曰：边坡稳定坡角；h ：边坡高度； 口：自然坡角；s d r ：边坡岩体质量评分。 该公式统计样本较少，且样本的坡高均较小，以后通过样本的积累，特别是 高陡边坡相关数据的收集，重新进行统计分析，可以提高公式的可信度和适用范 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 围。虽然该公式隐含了荷载的因素，但荷载对桥基位置的影响机理仍不明确。 对于高陡边坡桥基位置的确定，设计人员往往依靠经验，或者类比自然稳定 高陡边坡，采用稳定坡角法，利用土力学的方法进行稳定性检算。对于特别重大 的高陡边坡桥基工程，设计单位往往依托科研单位，对高边坡的稳定性及桥基位 置的可行性进行论证。我校近年来在该技术领域的研究中己取得一些进展。对南 ( 宁) 一昆( 明) 线清水河大桥、三峡对外交通公路下涝溪大桥、内( 江) 昆( 明) 线龙塘 山2 j f | 大桥、( 六盘) 水一柏( 果) 线北盘江大桥、宜( 昌) 万( 州) 线清江大桥、野三河大 桥等工程岩体高边坡稳定性进行了详细的研究。采用离散元模拟、有限元模拟、 模型试验、理论计算、现场监测等综合方法对天然状态及不同桥基位置下峡谷边 坡岩体可能的变形破坏模式、变形发展规律、边坡岩体的位移和应力状态进行分 析1 4 。1 。在多种方法研究结果互相印证的基础上，验证设计桥基位置的可行性。 这种方法针对具体工程进行系统综合的研究，对设计桥位下边坡的稳定性进行分 析，它本身不是桥基位置的确定方法。 就目前研究进展而言，由于理论依据不足，高陡边坡桥基位置确定采用什么 方法尚未达成共识。仅凭经验风险太大或者结果保守，而采用稳定坡角的方法存 在理论缺陷。工程建设迫切希望提供切实可行的高陡边坡桥基位置确定方法。 1 3 论文的研究目的、研究内容及所采用的技术路线 1 3 1 论文研究的目的 高陡边坡桥基位置不仅关系到高边坡的稳定和桥梁的安全，也直接关系到整 个桥梁的技术指标和造价。荷载作用下高陡边坡岩体力学行为特征是桥基位置确 定及边坡稳定性分析的基础。桥基位置的变化，对桥梁造价的影响及边坡稳定性 的影响很大，为了确定桥基合理位置，本论文利用各种方法综合确定桥基位置， 提出高边坡桥基位置设计及边坡稳定性分析方法。本文将提出的桥基位置确定方 法的理论根据，用于工程实践，提高经济效益。 1 3 2 论文研究内容 本文以龙江特大桥岸坡为研究对象，通过现场调查、理论分析和数值模拟研 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 究其在桥梁荷载作用下岸坡的稳定性，最终确定出合理的桥基位置。研究思路如 下： 1 边坡地质环境分析研究，在充分收集和利用区域地质、气象、水文和地 震活动资料的基础上分析边坡所处环境对边坡的影响及其对边坡稳定的控制作 用。 2 通过现场地质调查确定卸荷裂隙带，进而对边坡的安全性进行分区，参 照相应的规范和理论来确定桥基与卸荷裂隙带之间的安全距离。 3 通过数值模拟获得边坡岩体在不同因素作用下岩体应力的影响范围，在 边坡的不同部位选择合适的桥址，并提出可能的破坏形式及相应的治理。 4 根据以上分析并结合施工技术和经济对不同的方案进行综合评判。 5 由以上分析得出安全合理的桥位方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 1 3 3 技术路线 1 4 课题的计划安排 图1 五技术路线 1 2 0 0 8 年9 月一2 0 0 8 年1 2 月：现场调查及文献的收集、阅读和整理； 2 2 0 0 8 年1 2 月一2 0 0 9 年3 月：根据资料系统分析研究边坡可能发生的几 种破坏模式，进行理论分析研究和科学计算； 3 2 0 0 9 年3 月一2 0 0 9 年8 月：建立模型，进行数值模拟； 4 2 0 0 9 年8 月一2 0 l o 年1 月：撰写论文初稿； 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 5 2 0 1 0 年1 月- - 2 0 1 0 年6 月：修改、完善论文并提交答辩。 要雪圣鎏查耋罂吉窒塞兰兰堡耋圣塞! ! 至 21 工程概况 第2 章桥址区地质条件 根据云南省交通规划设计研究院的初测方案，拟建中的保山至腾冲高速公路 将在龙陵县龙江乡西北侧跨越龙川江( 图2 1 ) 。桥址区线路自龙江乡帮换村北 约5 0 0 m 处呈南东一北西走向以近垂直的角度跨越龙江至五合乡大丙弄村南东， 桥轴线走向3 0 7 。线路跨河地段选择龙江河谷较窄处，谷坡较陡。大桥推荐桥 型方案为单跨钢箱粱悬索桥，最大桥高2 8 0 m ，主墩和锚锭分别置于龙江两岸斜 坡之上的台地上。 e 一 ? 一i 一 一一 ； 一 f 。一 j 4 r “ 一* “* ，。 一暑，：二篓龙鼍j一，一；。4 ：_ 雹”，三固 ， 一 r口 1 吖一 图2 一l 龙江特大桥地理位置图 龙江特大桥位于保山一腾冲二级公路龙江桥下游约6 k m 的龙江中游河段， 桥轴线走向3 0 7 。桥位区行政划属保山市，东、西两岸分别属龙陵县龙扛乡和 腾冲县五合乡管辖，北距五合乡直线距离约3 k m ，南距龙江乡直线距离约95 k m 。 桥位区两岸均有县乡公路通过，上游约2 8 k m 有龙安桥连接两岸变通。自桥位区 经五台至保腾二级公路里程约1 2 k m ，至腾冲公路里程约4 4 k m ；经龙江至3 2 0 国道里程约4 6 k m ，至龙陵公路里程约6 8 k m ，交通较为方便。 i 霆 粥蠡 田 m譬 酗 宣耋 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 桥址区村落分布零星，较大村寨有龙江乡邦换村和五合乡大丙弄村，土地利 用以森林和耕地为主，主要作物有水稻、甘蔗和油菜。附近除上游有龙江糖厂、 河道内有采石场外，无其它工矿企业。 2 2 桥址区区域地质环境 测区大地构造位置居于冈瓦纳大陆东缘，冈底斯一腾冲陆块与羌南一保山陆 块拼接带偏西侧；属冈底斯一念青唐古拉褶皱系，伯舒拉岭一高黎贡山褶皱带南 段( 云南区域地质志，1 9 9 0 年) ，三江南北向构造带向南撒开的腾冲一梁河弧 形构造带内弧。 桥位测区地处于高黎贡山西侧，芒棒盆地南部，为一山间盆地地貌，总体地 势北高南低，两侧高中间低，龙川江呈近南北向纵贯盆地。区内最高点位于测区 东北高黎贡山西侧，高程2 4 5 1 m ，最低点位于测区南部龙川江河床，高程1 1 4 0 m ， 相对高差达1 3 1 l m 。测区东部边缘高黎贡山西侧的山脊、山包一般高程在1 8 0 0 - - , 2 1 0 0 m 之间，中部熔岩台地和河谷区一般高程为1 2 0 0 , - - , 1 6 0 0 m 。受构造控制，山 川呈南北向带状展布，加之新构造运动强烈，导致测区内地貌具有多层性特点。 根据成因类型及形态特征，将测区地貌划分为： 1 、构造侵蚀类型( 1 ) 中山中切割陡坡类型( 2 ) 低中山浅切割缓坡地形 2 、火山堆积类型( 1 ) 火山穹丘地形( 2 ) 熔岩台地地形 3 、侵蚀堆积类型( 1 ) 河湖台地低丘地形( 2 ) 河谷陡坡地形( 3 ) 山间河 谷堆积地形等七个类型。 测区所处区域地质构造复杂，深大断裂、活动性断裂发育，前人从地质、地 震、区域地壳稳定性等不同角度，对测区及周边的地质构造进行过较深入的研究， 积累了大量的资料。经对前人资料的综合、归纳，结合云南省交通规划设计研究 院的勘察遥感构造解译和地质测绘获取的资料，厘定了测区区域构造格架，详见 图2 2 。 至要苫鎏銮耋誓圭2 耋兰兰些鲨兰兰：蚕 图2 2 区域构造格架及深大断裂类型图 注：1 5 桥位；( 7 ) 龙川江断裂i ( 8 ) 泸水一龙陵一瑞丽断裂 由图2 2 看出测区构造以泸水一龙陵一瑞丽断裂带和龙川江断裂带的近南 北向断裂为主见，褶皱不发育。桥址区位于龙j i l 江断裂带的正西侧。 澜沧江断裂和泸水一龙陵一瑞丽断裂带控制了本区的构造格局。前者为冈底 斯一念青唐古拉褶皱系与昌都一兰坪一思茅褶皱系的分界线；后者为伯舒拉蛉一 高黎贡山褶皱带与福贡一镇康稽皱带的分界线，属二级构造单元分界线。 泸水一瑞丽断裂北段大致沿高黎贡山西坡呈近南北向延伸，进入泸水后与怒 江断裂重接复合为一支。在高黎贡山地区，该断裂与主要沿高黎贡山东坡展布的 怒江断裂相距较近，亦有文献将其称为“怒江西支断裂”，两断裂相互干扰、制 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 约、利用改造、重接复合，并各自分别控制着高黎贡山东西坡和怒江地区的各种 构造形迹和沉积岩相、变质带、岩浆岩的展布。至龙陵一带，泸水一瑞丽断裂转 向南西大致沿芒市河和瑞丽河延伸出境，总体形成弧形展布格局，并与腾冲一大 盈江断裂一道构成了高黎贡山一三台山弧形构造带，测区及腾冲火山、岩浆活动 区即位于该构造带内。 泸水一瑞丽断裂带由基本平行的多条断裂组成，在遥感影像上迹象清晰，呈 现为一组平行的弧形线性弯曲构造带，两支主干断裂延伸连续、规模大，局部地 段见断层陡崖、断层三角面和断层谷地。断裂两盘形成明显的地质差异。沿断裂 不仅有地貌上的显示，如控制了新生代盆地的发育、错断支流水系、新生代沉积 物位错等，而且有混合岩化、糜棱岩化及碎裂岩、角砾岩带，岩石普遍碎裂，地 层挤压褶皱，产状零乱，小断裂发育。该断裂为一多期活动断裂，倾向各地不一， 早期以压性为主，之后向压扭性转变，到后期局部显示张扭性质。就整条断裂而 言，其最近期活动是发生在第四纪，但不同段落的最新活动时代具有显著的差异。 据前人研究，泸水一龙陵段断层泥热释光测年值为1 4 3 5 , - - - 2 8 9 5 万年，判定为 中更新世活动断裂。龙陵一瑞丽段南支断裂断层泥测年值为5 0 1 9 万年，为早一 中更新世断裂；北支断裂断层泥和位错阶地堆积物的测年值为4 1 6 , - - - i o 7 1 万 年，全新世平均左旋走滑活动位错速率在3 4 , - - 4 5 m m ，综合判定为晚更新世至 全新世活动断裂。 2 3 桥址地质条件 拟建龙江特大桥处于熔岩台地和河谷陡坡地形区，地面高程1 1 8 0 ，- - - 1 4 8 0 m ， 相对高差3 0 0 m 。桥位横跨龙江，两岸岸坡见图2 3 、图2 _ 4 ，谷肩以下河谷狭 窄，呈陡直或阶梯状谷坡，平均坡度4 0 。，局部达4 5 。桥址区区域地质概况 如下。 皇里圣鎏奎兰至圭至耋兰兰堡尘圣矍! ：尘 图! 一4 龙江特大桥腾冲岸岸坡 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 2 3 1 地形地貌 拟建龙江特大桥处于熔岩台地和河谷陡坡地形区，附近河段谷底高程在 1 1 8 0 m 左右，河谷深切，谷肩地带高程保山岸为1 4 0 0 - - 1 4 5 0 m ，腾冲岸为1 4 1 0 - - - 1 4 8 0 m ，总体上由下游向上游递减。谷肩以下河谷狭窄，呈陡直或阶梯状谷坡， 平均坡度4 0 。，局部达4 5 。腾冲岸桥位一帮听一线谷坡上部形成高6 0 - - - 8 0 m 的陡崖；谷肩以上熔岩台地地势开阔宽缓，总体向河谷倾斜，坡度5 。1 5 。， 见图2 5 桥轴线南侧河谷剖面图和图2 6 桥位区地貌图，左岸为腾冲岸，右岸 为保山岸。 国t 函z 目s 囫匦s 翊s 圜，团s 团9 图2 - 5 桥轴线南侧河谷剖面图 1 、块碎石土2 、卵砾石3 、砂砾岩、粘土岩4 、玄武岩5 、第四系坡积层6 、第四系冲洪积层 7 、新近系芒棒组二段，括号内数字表示旋回次序8 、玄武岩层9 、砂砾岩、粘土岩层 堑霎圣塑奎兰至圭堑茎兰茎堡篁圣薹：墨 甏 圈2 6 桥位医地貌圈 “蠡筵冀兰雀篁g】￥茁e#一三=；瑟棼：；一翳蠡： 一戴 錾r h 键 ；|；孙#臣 。 ，g基#t#一j1 ，鹰并瘩忙e 坚fy耄：霉剖覃 窒里圣堡奎兰至圭至圣兰兰堡堡三矍：! 里 经现场野外调查得知，龙江特大桥两岸岸坡情况如表2 一l 所示 表2 1 龙江特大桥两岸岸坡 桥址区两岸溪沟发育长短不，较大的冲沟有5 条，基本分布于桥轴线两侧， 其共同特点是流域上宽下窄，面积 2 k i n 2 ；沟谷上缓下陡，在谷肩地带常形成跌 水坎。冲沟发育方向与玄武岩系统性主节理方向基本一致，沟壁沿节理面发育， 构成“v ”型且较为平整，其中【三【大丙弄冲沟最为典型( 图2 7 ) 。 图2 7 桥位南侧大丙弄冲沟顺节理发育 232 地层岩性及岩体结构特征 龙江特大桥横跨龙江河谷，主墩和锚锭位于两岸熔岩台地区，保山岸主墩距 河谷谷肩( 台地边缘) 约l o o m ，腾冲岸的主墩距台地边缘约2 0 0 m ，河谷陡坡区 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 无工程设置。场地区跨越龙江陡坡峡谷不利地段和大丙弄、邦焕熔岩台地较有利 地段。 一、地层岩性 场地区主要出露芒棒组二段( n a m 2 ) 玄武岩夹砂砾岩、粘土岩；台地和缓 坡广泛分布有残积、残坡积层；陡坡、陡崖脚多有崩塌堆积物，局部地段发育有 滑坡；i 、i i 级阶地和支流冲沟口尚有冲积、冲洪积和坡洪积层分布，岩土类型 极为复杂。各岩土层特征归纳如下。 1 、第四系堆积层 ( 1 ) 冲洪积层( q 4 a l 叫) 、坡洪积( q 4 d l + p 1 ) 层：灰、深灰色。以卵砾石、块 碎石土为主，局部夹漂石。含玄武岩卵石7 0 左右，砂泥质充填。松散，分选性 差，透水性好，分布于桥位区两侧斜坡坡底面，厚o 5 m ，属i i 级普通土。 ( 2 ) 残坡积层( q 4 e l + d 1 ) ：多为褐红色，可分为两类。一是含碎石、角砾亚 粘土，稍湿潮湿，可塑硬塑，碎石、角砾成分为玄武岩，含量1 5 4 0 ， 土质相对均匀；二是碎石土，中密，含3 0 , - 一7 0 的玄武岩碎石和少量的块石，局 部呈块石土，粘性土充填，松散，土质均匀性较差，分布于桥位区两侧斜坡坡面， 厚0 - - - 2 m ，属i i 级普通土。 ( 3 ) 滑坡堆积层( q 4 d e l ) ：组成物质较杂，与母岩有关。在河谷区以块石、 碎石土为主，中密密实，局部为含砾亚粘土，湿，可塑硬塑，含3 0 - 4 5 的全一强风化玄武岩角砾。在台地区项部为含砾亚粘土，中下部为砾砂岩、含砾 砂土，局部夹薄层粘土岩，潮湿，半成岩。 2 、芒棒组二段( n 2 m 2 ) 在桥位区出现，砂砾岩、砂泥岩或凝灰质砂岩、凝 灰岩、熔渣玄武岩、玄武岩旋回结构。钻孔揭露三个沉积夹层n 2 m 2 ( 2 ) s n 、n 2 m 2 ( 3 ) s n 、 n 2 m 2 ( 4 ) s n ，分别位于龙江河床以下、河谷边坡中部和谷肩以上台地地带。 ( 1 ) 二旋回沉积夹层n 2 m 2 ( 2 ) s n ：腾冲岸岩性以砂砾岩、粉砂岩和凝灰质砂 岩为主，间夹粘土岩、炭质粘土岩，半成岩，遇水软化、崩解，钻进中易跨孔， 局部岩石胶结好、较坚硬；保山岸岩性为熔渣玄武岩( 即玄武岩与砂岩、粘土岩 团块的混合堆积) 、凝灰质玄武岩，局部为凝灰岩，杂色，岩石较软，岩芯呈碎 块状，岩体为碎裂结构。附近钻孔钻进中孔内垮孔、掉块、漏水严重，有掉钻现 象。该层总体工程性能较差，力学强度低。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 ( 2 ) 三旋回沉积夹层n 2 n 1 2 0 ) s e i ：平面上岩相变化大，局部呈透镜状分布。 保山岸为熔渣玄武岩、凝灰质玄武岩，局部为