（岩土工程专业论文）朔准线黄河特大桥桥基位置确定及岸坡稳定性分析.pdf

西华大学硕士学位论文 朔准线黄河特大桥桥基位置确定及岸坡稳定性分析 专业：岩土工程 研究生：张玲指导教师：王泽云( 教授) 摘要 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。拟建中的朔( 州) 准( 格尔旗) 铁路将跨 越黄河，黄河大桥桥墩设置在谷深近1 2 0 m 的深切峡谷的灰岩岸坡上。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， 本文利用数值分析方法对天然状态与设桥后的边坡进行稳定性分析，并通过比 选确定出合理的桥基埋设位置。该方法可为类似高陡边坡桥基位置的确定提供 参考。 本文首先对黄河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。利用桥基位置确定公式提 出桥基参考位置及岸坡稳定坡角。利用离散元对岸坡岩体变形破坏模式分析结 果表明，所确定的天然稳定坡角是合理的，在荷载作用稳定坡角线内设桥，桥 基是安全的。利用有限元对岸坡岩体力学行为进行分析结果表明，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。最后利用强度理论分析推荐桥位下两岸岩体强度，表明岸坡岩体 在设计荷载作用下均满足强度要求，仅需要注意加强坡顶眉峰处岩体的保护。 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。本文提出的桥基位置确定方法具有清楚的理论根据，用于工 程实践，将产生显著的经济效益。 关键词：高边坡，稳定性，有限元，离散元 西华大学硕士学位论文 d e t e r m i n i n go fb r i d g ef o u n d a t i o np o s i t i o na n ds t a b i l i t y a n a l y s i so fh u a n g h eb r i d g es l o p ei ns h u o - z h u nr a i l w a y m a j o r ：g e o t e c l m i c a le n 酉n e e r i n gs p e c i a l t y c a n d i d a t e ：z h a n g u n gs u p e r v i s o r ：w a n g z e - y u n ( p r o f e s s o r ) a b s t r a c t t h eb r i d g ef o u n d a t i o np o s i t i o no nh i g h - s t e e ps l o p eh a sg r e a te f f e c to ns t a b i l i t y o fs l o p ea n db r i d g e ；i ta l s oa f f e c t st h et e c h n i c a li n d e xa n dc o s to fb r i d g e t h e m e c h a n i c a lb e h a v i o rc h a r a c t e r i s t i c so f r o c km a s so f s l o p eu n d e rl o a da l et h eb a s i so f b r i d g ef o u n d a t i o np o s i t i o nd e t e r m i n i n ga n ds l o p es t a b i l i t ya n a l y s i s s h o u - z h u n r a i l w a yi nc o n s t r u c t i o nw i l ls p a nt h ey e l l o wr i v e r , a n dt h eb r i d g ef o u n d a t i o nl o c a t e s o nt h el i m e s t o n eb a n ks l o p ew h o s ed e p t hi s1 2 0mt h ec h a n g eo f b r i d g ef o u n d a t i o n p o s i t i o na f f e c t st h eb r i d g ec o s ta n db a n ks l o p es t a b i l i t ym o n g l y i no r d e rt og e tt h e r e a s o n a b l ep o s i t i o no fb r i d g ef o u n d a t i o n , s t a b i l i t ya n a l y s i so ns l o p eu n d e rn a t u r a l s t a t ea n da f t e rb u i l d i n gb r i d g ea l ec a r r i e do u tb yn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d , a n dt h e r e a s o n a b l ep o s i t i o no f b r i d g ef o u n d a t i o ni sd e t e r m i n e d w h i c hc 瓶o f f e rr e f e r e n c ef o r t h es i m i l a r b r i d g ef o u n d a t i o np o s i t i o nd e t e r m i n i n go f h i g h s t e e ps l o p e f i r s t l y , f i e l ds u r v e ya n da n a l y s i s n a t u r a lb a n ks l o p es t a b i l i t yo ft h ey e l l o w r i v e rb r i d g ea r ec a r r i e do u lf a i l u r em o d eo f b a n ks l o p ei so b t a i n e d t h er e s u l t s s h o wt h a ts o m er o c kf a n m gm a yo c c u ro l lt o po fs l o p eb e c a u s eo fw e a t h e r i n ga n d g r a v i t yu n d e rn a t u r a ls t a t e b u tt h eb a n ks l o p e sa s t a b l ei nt h ew h o l e t h eb r i d g e f o u n d a t i o np o s i t i o n sa n ds t a b l es l o p ea n g l ea r ep u tf o r w a r du s i n gf o r m u l a so f b r i d g e f o u n d a t i o nd e t e r m i n i n g t h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r em o d eo f r o c ks l o p ei sa n a l y z e d b yd e m ，a n dt h er e s u l ts h o w st h a tn a t u r a ls t a b l es l o p ea n g l ei sr e a s o n a b l ea n db r i d g e n 西华大学硕士学位论文 b u 订ti nt h es t a b l es l o p ea n g l ei ss a f e t h e 托- s u l t so f m e c h a n i c a lb e h a v i o r sa n a l y s i so f b a n ks l o p er o c km a s sb yf e ms h o wt h a tw h e nb r i d g ef o u n d a t i o ni sb u i l ti ns t a b l e s l o p ea n g l e t h ei n f l u e n c eo f b r i d g el o a d0 nr o c k m a s ss t r e s si st o ol i t t l et oa f f e c tt h e w h o l es t a b i l i t yo fs l o p ea n ds a f e t yo fb r i d g ef o u n d a t i o n b a n ks l o p ed i s p l a c e m e n t s c a u s e db yl o a da l s oh a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h es a f c 匆o f s l o p ea n db r i d g ef o u n d a t i o n f 血d l y , t h er o c km a s ss 船n g t h so fb o t hb a n k sa td i f f e r e n tb r i d g ep o s i t i o n sa r c a a a l y z e db ys t r e n ；g t ht h e o r y , a n dt h er e s u l t ss h o w t h a tr o c km a s so f b a n ks l o p eu n d e r & s i g nl o a dm e e t st h ed e m a n do f s t r e n g t ha n do n l yp r o t e c t i o no f t h er o a kn 璐s o i lt h e t o po f s l o p ei sn e e d e d t h eb r i d g ef o u n d a t i o ni sd c t e r m i n e c ls y n t h e t i c a l l ya n db r i d g ef o u n d a t i o np o s i t i o n d e s i g no fh i g hs l o p ea n ds t a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o do ns l o p ea r ep u tf o r w a r d t h e b r i d g ef o u n d a t i o np o s i t i o nd e t e r m i n i n gm e t h o dp u tf o r w a r di nt h i sp a p e ri ss u p p o r t e d b ya b u n d a n ta n dc l e a rt h e o r y a p p l y i n gt l 】叵sm e t h o dt oe n 百联燃曲gp r a c t i c e s ，t h e e c o n o m i c a lv a l u ew i l lb er e m a r k a b l e k e y w o r d s ：h i g hs l o p e ，s t a b i l i t y , f e m ，d e m i i l 西华大学硕士学位论文 申明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的。论文成 果归西华大学所有，特此申明。 作者签名： 导师签名： m | 箨年只弓日 刀年( i d 月c - 日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 随着国家建设战略向西部转移，在诸如水电、露天采矿、能源及交通等地 质工程活动领域出现了越来越多的高陡边坡。中国的山区多，地质条件复杂， 许多新建铁路穿越地形困难、地质条件复杂的地区。正在修建的宜( 昌_ 卜万( 州1 铁路，全长3 7 8 k m ，线路穿越鄂西、渝东的崇山峻岭，所经之处地形险峻，河 谷深切，地质条件十分复杂。线路中桥梁共计1 8 3 座4 3 9 9 1 m ，占线路长度的 1 1 ，6 4 。其中高桥、特高桥约8 0 余座，跨越峡谷的桥梁2 0 余座，如马水河大 桥、野三河大桥、混水河大桥等，这些大桥桥跨多在1 0 0 m 以上，岸坡高度达 1 0 0 3 0 0 m ，自然坡度5 0 。9 0 0 。在此种复杂地形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。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 墩台常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。 在峡谷岸坡上修建桥梁的另一关键技术是桥基岸坡稳定性检算。此类岸坡 不同于一般边坡，常常是高度近百米至数百米、坡度较陡、岩体结构复杂的岩 质边坡，由于其岩性、岩体结构、不连续面、水文条件、施工条件等许多不确 定性因素的影响，其变形破坏的机制非常复杂，对其稳定性评价也非常困难。 但是在现行的桥梁基础的稳定性计算中，采用的计算理论是基于弹性半空间的 “承载力”计算。这种计算方法在平缓的地表上是合理的，且有了多年成熟的经 验，但是在斜坡上，仍然用承载力的方法就不太合理，有时甚至很危险。因此， 有必要在岩体力学的理论基础上，采用科学的分析手段进行峡谷岩质岸坡稳定 性评价研究，正确合理的评价可以节约巨大的经济投入或者挽回巨大的经济损 失。加强复杂岩体中高陡边坡稳定性、加强重大工程边坡稳定性研究，不仅对 西华大学硕士学位论文 国民经济建设有着重大实际意义，而且对地质灾害的防治及地质环境的保护有 着重大社会意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 高陡边坡桥基合理位置确定方法 铁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1 1 所示，并考虑至桥梁基础的荷载较 挡土墙大且受力复杂，故宜将安全距离适当增大【“。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 桥基安全距离与持力层关系 t a b l e l 1t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns a f ed i s t a n c ea n d b e a r i n gs l r a m mo f b r i d g ef o t m d a t i o n 持力层土类埋置深度m安全距离m 软完整的坚硬岩石 o 2 5 o 2 5 o 5 0 一般岩石( 如砂页岩互层等) o 6 0o 6 0 1 5 0 松软岩石( 如千枚岩等) 1 o o1 0 0 - 2 0 0 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圈。 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嗍。 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 2 西华大学硕士学位论文 适合于岩质边坡，更不适合于高陡边坡桥基位置的设计。 峡谷岸坡桥基位置确定有两种方法，一是通过经验公式计算出岸坡自然稳 定坡角，公式为：a = y h 1 4 7 t n ( r w r l o g d ) + 1 3 ，将桥基置于岸坡自然稳定坡角以 内即可。其二是通过现有峡谷岸坡桥基位置回归分析，回归公式为： 0 = - 6 5 5 0 1 5 + 0 0 7 0 6 9 1 1 + o 9 3 7 7 0 a + 0 0 5 7 0 8 s m r 。其中e 表示稳定坡度、h 为坡高、 a 为坡角、s m r 为岩体质量评分。第一种方法适合于较低的高边坡，应用于高 边坡时稳定坡度过于保守( 怀疑是高度折减系数仲取值有不合理的地方) 。第 二种方法由于样本数量有限，其合理性及计算精度有待进一步提高。 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。西南交通大学近年来在该技术领域的研究中已取 得一些进展。该单位对南( 宁卜昆( 明) 线清水河大桥、三峡对外交通公路下涝溪 大桥、内( 江卜昆( 明) 线龙塘山端大桥、( 六盘) 水柏( 果) 线北盘江大桥、宜( 昌卜一 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p 。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 2 2 边坡岩体力学行为的研究 随着社会生产力和科学技术水平的提高，岩土工程规模的不断扩大，逐渐 向高、深、大、难发展，岩体边坡工程作为岩土工程的一个重要方面，对岩体 西华大学硕士学位论文 边坡力学行为的研究经历了从简单到复杂的过程。近几十年来，边坡工程一直 是岩土工程研究领域的热门，国内外发表了大量岩体边坡研究的论文与专著， 举行了众多的有关边坡工程的国际学术会议。截止到2 0 0 4 年底的2 0 年来，从 中国知网( c m 中国期刊全文数据库中可以查到以“边坡”为关键词的科技论文 3 7 8 6 篇，从维普资讯网的中文科学期刊数据库中可以查到以边坡”为关键词的 科技论文5 0 8 0 篇，被e i 核心收录的有关边坡研究的论文达1 4 3 7 篇。近5 来， 与“边坡”有关的硕博士论文1 8 1 篇。可以说，对边坡的研究硕果累累，但即便如 此，对边坡的研究也从未停止过，一直还在继续。 边坡岩体力学行为的研究方法众多，主要有三种分析方法，即理论法、试 验法以及数值分析法【1 1 】。理论法适用于简单的边坡，并且分析中做很多的假设 1 2 j ，难以适应目前众多的复杂的边坡工程。岩石力学试验虽然是岩石力学研究 的基本手段，但试验结果往往不能直接用于工程实践。而模型试验不仅成本高、 工期长、工况少、边界条件简单，而且所得到的结果也不全面。现场试验一般 均耗费巨资，且受地形、地质、施工条件限制，分析、试验结果不具代表性， 很难推广到其它工程。试验研究方法在许多发达国家已经被数值分析方法所取 代【13 】。尽管如此。利用试验方法对边坡岩体力学行为研究仍取得了很多的成果， 如a d h i 娜, d p 利用离心模型试验研究了节理岩体溃屈破坏的力学机制【1 4 】。 j 撕把倾斜台面模型技术用于边坡倾倒破坏机理及过程【l5 1 。b r a y 和g o o d m a n 建立了基底摩擦试验理论，并用于边坡变形模式的分析【l q 。 目前边坡岩体力学行为研究用得最多的是数值分析法，而数值法又可以分 为两大类，第一类包括有限元法、有限差分法、边界元法等，通常将岩体视为 连续介质，变形微小，引入特殊的单元可以考虑岩体非连续问题；另一类包括 离散单元法、块体理论、不连续变形法等，通常将岩体视为离散块体，块体问 可以滑移、张开，可产生大的位移。两类数值法各有优缺点，也各有其最佳的 适用条件。近年来，大量新的数学力学方法引入岩土工程中，如人工智能、神 经网络、遗传算法、迸化计算、非确定性数学、随机理论、非线性力学、系统 科学、分形理论、拓扑论、三场耦合理论等等，为岩土工程数值分析提供了全 新的思维方式和研究方法。 边坡应力数值分析主要采用有限单元法f f e m ) 。边坡应力分布特征及变化 4 西华大学硕士学位论文 规律的研究，是岩体边坡设计及稳定性分析的基础。从强度设计的原理出发， 边坡稳定性与坡内应力直接相关。在边坡设计中，坡形、坡度、坡高设计和边 坡加固的基本力学依据是边坡应力状态。用有限元法分析边坡应力特征，已有 较多的成果可以参考，利用有限元法分析边坡应力特征的文献很多，如t & s t a c e y 研究了不同坡度条件下的坡度与拉张区范围的关系 1 7 】。b h o y a u x & b l a n d a a y i 研究了垂直边坡的应力分布特础1 8 1 。科茨计算了边坡面附近应力重分 布大小和应力方位特征【1 9 1 。蒋爵光等用有限元法分析了折线坡应力分布的关系 及对边坡设计的意义1 2 0 。s a v a g ew z 利用有限元法计算边坡自重应力分布情况 口】。g r i t t i t h sd v 利用有限元方法进行边坡稳定性分析圈。为了使数值分析模 型更接近真实状况，国内外学者将强度折减理论、随机模型、弹塑性与粘弹、 粘塑性模型、固液相耦合模型、接触原理等引入有限元中，大大丰富了有限元 的分析领域和分析手段。d a w s o nem 利用强度折减理论对边坡的稳定性进行 分析，指出边坡安全系数可以定义为使边坡刚好达到临界破坏状态时，对岩土 体剪切强度进行折减的程度，这种强度折减技术特别适合用有限元方法来实现 团j 。赵尚毅等把强度折减理论用于有限元法中，成功地解决了有限元在土质边 坡稳定性分析中的应力问题刚。张飞等应用各向异性弹塑性模型对具有两组任 意夹角的随机节理岩体重力边坡进行了非线性有限元分析瞄】。王贤能等利用有 限元分析了边坡岩体中的温度场和热应力的分布特征以及边坡岩体疲劳破坏的 机理及判据。结果表明当地面处于高温状态时，边坡岩体中出现压应力集中和 拉应力集中。热应力作用深度在边坡表面以下8 2 m 范围内瞄l 。徐建平等利用 摄动随机有限元法对顺层岩质边坡位移场、应力场及主应力场进行分析【2 ”。崔 治光等用空间有限元数值模拟法，对边坡的应力场、位移场和塑性区分布规律 进行了计算分析，揭示了边坡岩体的变形机制，解释了开采对变形的影响及发 展趋势圆。程谦恭等根据边坡实际地质模型，基于弹塑性与粘弹一粘塑性理论 的本构方程，通过有限元模拟分析，定量地揭示和模拟再现了高边坡岩体破裂、 变形、破坏及失稳前后锁固段岩体渐进性破坏的机制和过程网。盛建龙等探讨 了岩体内固液相耦合的有限元分析方法。考虑了地下水孔隙压力与岩体变形之 间的相互相合作用，建立孔隙水压的计算模型，并计算分析了在重力场和孔隙 水压力共同作用下某露天边坡的应力分布特点p 川。张雄等利用参变量变分原 西华大学硕士学位论文 理，建立了块体夹层模型的弹塑性分析和接触分析方法，将岩土结构的弹塑 性问题和接触问题转化为泛函在屈服条件和接触条件约束下的极值问题，并将 岩土结构的弹塑性问题与接触问题统一处理，用以模拟边坡、地基等岩土结构 的破坏、失稳、滑移、接触等非线性力学行为，可以很方便地处理岩土材料的 非法向流动和软化等行为，避免了传统方法在处理弹塑性问题和接触问题时的 迭代过程 3 1 】。 三峡大坝高边坡工程的出现，为岩土工作者们提出了前所未有的新课题， 围绕三峡大坝高边坡工程，国内的很多单位对三峡永久船闸高边坡岩体的稳定 性与变形控制进行了深入细致的探讨分析。章根德等利用流变学理论对三峡永 久船闸高边坡进行研究，表明该方法能用来预测开挖后高边坡蠕变引起的位移 和应力圈。徐平等也对边坡进行施工开挖卸荷效应的流变稳定性进行了分析【3 3 j 。 肖洪天、周维垣等也作过类似工作。寇晓东、周维垣等利用f l a c 3 d 对三峡 船闸高边坡稳定性进行分析，该方法在分析岩土工程结构的弹塑性力学行为、 模拟施工过程等方法有独到的优点，尤其在发生塑性流动或失稳的情况下，能 模拟结构从弹性到塑性屈服、失稳破坏直至大变形的全过程网，张永兴等针对 三峡永久船闸高边坡的特点，提出随边坡开挖形成边坡岩体的质量指标、变形 模量、强度等的劣化规律及估算方法。对三峡工程永久船闸高边坡岩体进行非 线性力学分析表明，边坡周边开挖位移与其他单位研究成果有数量级的差别i = ，6 j 。 朱维申，程峰等利用能量耗散理论对三峡高边坡稳定性进行分析，结果表明岩 体应力状态与常规分析不同，其易引起岩体损坏的剪应力有所减小，塑性屈服 区减小，更接近于工程实际情况”。章青，卓家寿针对三峡船闸高边坡的特点， 提出不连续介质变形体的界面应力元模型和工程稳定问题的干扰能量法，成功 地解决了岩体稳定性潜在滑面、危险滑面、稳定性薄弱部位的确定等难题网。 陈胜宏等建立了岩石高边坡力学参数的联合位移反分析模型，该模型可以预测 复杂区域材料的弹粘塑性力学参数例。 边坡岩体位移特征及破坏模式数值分析通常采用离散单元法，离散单 元法还可与边界元法、有限元法等耦合，：并能考虑多种材料本构关系，很多学 者利用离散元法对边坡的破坏机制和失稳过程进行了研究。沈宝堂、王泳嘉利 用离散元法对边坡破坏机制进行研究，提示了边坡的破坏机制，指出块体边坡 6 西华大学硕士学位论文 内的应力分布是不连续的，存在应力核现象【帅】。张丙印等利用离散元法研究了 岩体边坡在施工期和蓄水期的静、动力稳定性及岩体边坡可能的破坏形式【4 l 】。 陶连金等利用动力离散元法分析节理岩体边坡，。分析边坡在地震波作用下的动 力响应，研究了地震诱发边坡失稳的机制【4 2 】。金峰等提出一种二维变形体离散 元与时域边界元的藕合模型，考虑辐射阻尼的岩体边坡或地下结构等的动力稳 定和变形分析，拓宽了离散元动力分析的领域【4 3 】。王洪涛运用裂隙岩体渗流模 型与离散元力学模型耦合分析充水岩质高边坡的稳定性阳。常春，周德培等提 出离散元计算与神经网络预测相结合的模型，预测其它开采深度的边坡岩体应 力 4 5 1 。朱浮声，王泳嘉等利用三维离散元法对矿山高边坡失稳进行分析 4 0 3 。李 世海等采用面一面接触的三维离散元刚性块体模型，对三峡船闸未开挖高陡边 坡进行分析，通过施加力边界条件，给出了与实测初始地应力场接近的数值模 拟结果闻。 王泳嘉、邢纪波等利用f l a c 法模拟岩体沿某一弱面产生的滑移变形，并 考虑锚杆、挡墙等支护结构与岩体的相互作用嘲。s u n go c h o i 利用 b a r t o n - b a n d i s 模型研究了节理岩体的稳定性1 4 9 】。刘锦华、任青文等利用关键块 理论对边坡的稳定性进行研究 5 0 5 ”，通过多年的发展，关键块理论在岩土工程 应用中可考虑地震、地下水等作用，可考虑结构面的随机分布等【5 2 5 3 1 。其不足 之处是只考虑了结构面的抗剪强度，不考虑岩体本身强度破坏和变形，并且只 限于岩体的平动。王书法、朱维申等对原非连续变形分析方法( d d a 方法冲边 界约束方法进行推广，将其应用于节理岩质边坡变形规律的数值模拟酬。周维 垣等对岩体边坡的卸荷和流变作了非连续变形分析【5 5 】。数值流形方法在岩土工 程中的应用尚处于发展阶段，对许多工程因素考虑不够细致，如开挖、支护、 地下水等，随着研究的深入，数值流形方法有望应用于工程实践 5 6 - 5 s 1 。 1 2 3 边坡稳定性研究 边坡稳定性分析的方法很多，主要分为定性分析和定量分析两大类。 定性分析定性分析法主要通过工程地质勘察，对影响边坡稳定的主要因 素，可能的变形破坏方式及失稳的力学机制等的分析，对己变形的地质体的成 因及其演化史进行分析，从而给出被评价边坡的稳定状况及其可能的发展趋势 西华大学硕士学位论文 的定性的说明和解释。其优点是能综合考虑影响边坡稳定性的各种因素，快速 地对边坡的稳定状况及其发展趋势作出评价。常用的定性分析方法有自然历史 分析法、工程地质类比法、图解法( 赤平投影、诺模图法等) 、宏观判断法、专 家智慧经验半经验判断法、s m r 法、计算机判断法( 即工程地质专家系统) 等。 定量分析严格地讲，边坡稳定分析还未走到完全定量这一步，它只能算 一种半定量分析方法。常见方法有极限平衡分析法、有限元法、边界元法、半 解析元法、离散元法、无界元法、d d a 法、拉格朗日法、数值流形方法、灰色 系统理论、神经网络、遗传算法以及各种耦合或综合分析方法。其它方法还有 概率分析法、优势面及可靠度分析法等等。对于工程影响较大的边坡稳定性分 析，常采用多种定性与定量相结合的综合稳定性分析法。 1 ) 有限元方法目前最广泛使用的一种数值方法，可以用来求解弹性、 弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。其优点是部分考虑了边坡岩体的非均质和 不连续性，可以给出岩体的应力、应变大小和分布，避免了极限平衡分析法中 将滑体视为刚体而过于简化的缺点。可以近似地根据应力、应变规律去分析边 坡变形破坏机制。但它的缺点是不能很好地解决大变形和位移不连续问题。 2 ) 离散单元法离散元突出的功能是它能反映岩块之间接触面的滑移、 分离和倾翻等。用于分析边坡的破坏模式。该法对块状结构、层状破裂或一般 破裂结构岩体边坡比较合适，但它不能求解岩体内部应力应变，因为不连续面 的刚度系数不法准确获得，其计算的位移是相对的。 3 ) d d a 及数值流形方法由石根华博士和g o o d m a n 提出的块体系统 不连续变形分析是基于岩体介质、非连续性发展起来的一种崭新的数值分析方 法。节理面切割岩体形成不同的块体单元，单个块体内部满足连续介质的变形 协调方程和本构关系，但块体问不满足变形协调关系。块体间的本构关系是通 过假定刚度来实现。d d a 的本构关系为块体所受合外力与块体位移之间的关 系。d d a 可计算静力问题和动力问题，以及大位移问题，特别适合边坡极限状 态的设计计算。数值流形分析以有限覆盖技术为基础，使连续体、非连续体的 整体平衡方程都以用统一的形式表示。 4 ) 拉格朗日法为了克服有限元不能求解大变形问题的缺陷，人们提出 西华大学硕士学位论文 f l a c 数值分析方法。该方法较有限元能更好地考虑岩土体的不连续和大变形 特征，求解速度较快，缺点是计算边晃、单元网格的划分带有很大的随意性。 5 ) 无单元法采用一种特殊的形函数及位移插值函数，能够反映在无穷 远处的边界条件。其优点是有效地解决了有限元法的勉界效应”及人为边界的 缺点。 6 ) 可靠度方法边坡稳定可靠性分析方法始于2 0 世纪7 0 年代后期。许多 学者对边坡可靠性研究作出卓有成效的贡献。国内边坡稳定可靠性研究起步较 晚，近年来，学者们将可靠性分析方法应用于边坡稳定性分析，取得了显著成 果。这些成果的基本思想是假设边坡受控于多种因素x i ( i - 1 ，2 ，) ，基于极限平 衡理论的状态函数z = g ( x 1 ，x 2 ，瑚为合理的条件下，进行最小可靠度指标b ( 最 大失效概率) 的确定，其中b 是针对边坡临界滑面而言。 对于不同破坏形式下的岩体，可靠度的计算方法是不一样的j 尤其是岩质 边坡，由于岩体含有节理和裂隙，因此，岩体的性质不但受到岩石的影响，而 且受到节理的几何分布和力学性质的制约。岩质边坡必须考虑岩性三个主要不 确定类型( 即固有不确定性、模型不确定性和系统不确定性) 的同时，还必须 涉及岩体密度、强度参数c 、m 和裂隙角度b 的随机性。根据岩质边坡的不同 破坏模式，可以建立其可靠度计算方法。这些破坏模式大致分：二维岩质边坡 滑动问题、三维岩质边坡滑动问题、关键块分析问题、边坡的渐进破坏问题、 多组滑动面破坏问题等。 由于岩体节理的很大变异性及复杂性，将可靠度理论应用于边坡稳定性分 析还有很多技术难点。这些困难主要为以下六个方面：岩体物理力学性质的不 确定性；荷载条件的不确定性；体系不明确性；岩体破坏模式的不确定性；岩 体工程可靠度及随机分析数值计算方法的困难性以及确定目标可靠度的困难 性。由于测试技术和费用原因，往往对节理岩体的物理力学性质测试样本较小， 有时不足以单独进行统计。对不同种类的岩石物理力学性质的随机分布研究尚 不深入，对一些参数的概率分布形式也众说纷纭，尤其是h o e k - b m w n 经验准 则中的m 、s 参数及弹性模量、泊松比的随机分布与区域岩性的关系尚待进一 步研究。可靠度理论应用于边坡稳定性分析其困难不在于可靠度理论本身，而 在于难以掌握岩体物理力学性质的不确定性，以及岩体工程地质环境、荷载环 9 西华大学硕士学位论文 境的规律性问题，也就是岩体工程不确定性规律的概率特征。概而言之，存在 的主要问题包括极限状态函数的高度非线性问题、外延不清的模糊可靠度的计 算问题、破坏准则的随机概率化问题以及岩体强度准则的可靠度模型问题等。 、 在众多的边坡的稳定性分析方法中，目前最常用的方法仍然是极限平衡法。 极限平衡法包括f e l l e n i u s 法( w f e l l e n i u s ，1 9 3 6 ) 、b i s h o p 法( a w b i s h o p ，1 9 5 5 ) 、 t a y o r 法( t a y o r , 1 9 3 7 ) 、j a n b u 法( n j a n b u , 1 9 5 4 ，1 9 7 3 ) 、m o r g e n s t e m - p r i c e 法 ( m o r g e m t e m - p r i c e ，1 9 6 4 ) 、s p e n c e r 法( s p e n c e r , 1 9 7 3 ) 、s a r m a 法( s a r m a , 1 9 7 9 ) 、楔 形体法、平面破坏计算法、传递系数法等【5 9 】。这些方法适用于土坡及简单的具 有明显潜在滑动面的岩体边坡的分析。o t l n c a l l l l 将有限元方法引入到极限平衡 分析法中，对边坡稳定性进行分析 郁】。但极限分析法很难考虑复杂荷载及环境 条件的变化，在力学上作了一些简化假设，其适用范围受到一定的限制，尽管 如此，该方法抓住了问题的主要方面，且简易直观，并有多年的实用经验，若 使用得当，将得到比较满意的结果。 虽然目前对岩体边坡力学行为研究取得了一定的成果，但是专门针对高陡 桥基边坡岩体力学行为特征分析的研究较少，特别是对桥基荷载作用下边坡岩 体应力、变形规律的系统研究尚未涉及。高陡桥基边坡力学行为特征的研究， 往往针对某一实际工程，进行多方法的综合分析。蒋爵光、谢强等采用离散元 模拟、底摩擦试验、模型试验、有限元模拟、理论计算等方法对某些峡谷边坡 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【6 1 删。这些研究针对具体工程，未能对荷载作用下高陡边坡的力学行为特征作 深入系统的研究。 1 3 主要研究内容及方法 拟建中的朔( 州) 准( 格尔旗) 铁路将在内蒙古河曲县榆树湾镇黄河上 游7 5 k i n 附近跨越黄河。线路跨河地段选择黄河河谷较窄处，谷坡较陡，谷深 近1 7 0 m ，河面标高8 8 6 m ，线路走行在崖顶面，桥基也设于岸坡顶面。初测桥 渡方案拟采用连续梁方案，里程为c k l 2 6 + 5 8 0 c k l 2 7 + 2 5 2 ，桥全长6 7 2 m ， 路基面设计标高1 0 0 5 a 3 m ，桥面净高1 1 9 4 3 m 。 1 0 西华大学硕士学位论文 为确保在架桥后桥基岸坡依然保持稳定，有必要在现场观测和定性分析的 基础上，定量地对坡体的位移变化和应力分布进行稳定性的模拟计算。根据模 拟成果，能够更好地确定桥墩墩台的合理位置，并对岸坡稳定性做出评价。边 坡变形破坏的计算机模拟有很多方法，其中比较普遍的是有限元模拟和离散元 模拟。本文将根据改进的离散元模拟程序对岸坡的变形破坏进行模拟，并结合 有限元应力分析对模拟结果加以佐证。如果能够以它们为工程背景，通过多种 方法相结合对它们进行系统分析，总结出一套峡谷区桥基岸坡稳定性的系统研 究方法，将离散元模拟的成果同其他各种分析模拟手段进行比较，融合，找出 这种方法的优点和缺点，这无论是对于该理论自身的发展还是从实际应用的角 度考虑，都是一项非常富有理论和实际意义的工作。 1 3 1 基于基底应力特征确定桥基位置 考虑到铁路岩石高边坡具有数量多、勘测周期短、精度要求不同的特征， 可以将铁路岩石高边坡分为两类，一类是普通铁路岩石高边坡，其结构简单、 受力单一，岩体可以以均质连续介质对待或者以均质连续介质对待误差不大( 如 整体结构、块状结构) 。另一类是复杂的铁路岩石高边坡，其地质结构复杂，稳 定性受众多因素影响，靠常规的工程地质勘测难以保证其稳定性( 如受多组软 弱面组合影响) 。对于普通铁路岩石高边坡，建立一套简便易用的边坡设计方法 和参考数据，以满足大量普通岩石高边坡的快速设计的需要。具体技术方法是： 将桥基设在边坡不同位置，利用有限元法进行基底应力分析，确定最合理的桥 基位置。并充分考虑坡高、坡度、荷载条件以及其它影响因素的变化，提出桥 基位置与各影响因素( 坡高、坡度、荷载、地下水、弹性模量等) 的拟合关系 式。 对于复杂的岩石高边坡，由于地质条件复杂，如岩体结构、地下水等情况 复杂，分析影响桥基位置的主控因素，分析边坡的破坏模式，根据具体的地质 条件，同样提出一系列相应的基于数值分析和理论分析的桥基位置确定方法及 边坡稳定性分析的工作程序和计算机软件。复杂高陡岸坡因其条件的复杂性， 且各自特点不同，不可能用统一的模式进行分析，对其研究理应独自进行，但 方法是类似的。技术方法同样是将桥基置于不同位置，利用数值分析方法分析 西华大学硕士学位论文 岸坡岩体应力位移状态，确定桥基合理位置。 需要说明的是，对于复杂的铁路岩石高边坡，不应该也不可能靠简单方法 作用比较精确而有说服力的结论，因此在分析过程中，仔细而复杂的分析计算 是不可避免的。 1 3 2 岸坡稳定性分析 对边坡岩体结构稳定性分析是建立在考虑各种因素下，边坡破坏形式的演 示、边坡岩体强度的变化并由此进行的稳定性计算之上。其中，边坡的破坏形 式不仅是稳定性计算的基础，也是工程处理的依据，因此边坡破坏形式的分析， 是边坡稳定性评价的第步。大多数的岩石高边坡都出现在块状硬岩一类岩体 结构中，边坡的总体变形主要是节理和各种裂缝切割出的块体的移动而引起的 岩体结构的破坏。对这种破坏形式，采用离散元法进行数值模拟是合适的。 边坡岩体在其岩体结构和荷载作用下的变形形式确定之后，岩体是否会破 坏则应由岩体内部的应力特征和强度参数来确定。在复杂边界条件下，边坡岩 体内的应力特征可采用有限元法计算分析而得。 1 4 主要工作及时间安排 ( 1 ) 2 0 0 6 1 月2 0 0 6 2 月，现场调查及资料收集 ( 2 ) 2 0 0 6 - 3 月2 0 0 6 5 月，基于基底应力特征确定桥基位置的有限元计算 分析； ( 3 ) 2 0 0 6 6 月2 0 0 6 1 0 月，进行资料整理及初步分析，包括岩体参数概 率模型分析、边坡极限状态方程分析、边坡破坏模式分析、可靠性分析方法研 究等等； ( 4 ) 2 0 0 6 1 1 月2 0 0 7 1 月，撰写论文。 西华大学硕士学位论文 2 黄河大桥桥址地质概况及野外初步分析 2 1 黄河大桥设计方案 根据铁道部第三勘测设计院的初测方案，拟建中的朔( 州) 准( 格尔旗) 铁路将在内蒙古河曲县榆树湾镇黄河上游7 5 k i n 附近跨越黄河( 图2 1 ) 。线路 跨河地段选择黄河河谷较窄处，谷坡较陡，谷深近1 7 0 m ，河面标高8 8 6 m ，线 路走行在崖顶面，桥基也设于岸坡项面。初测桥渡方案拟采用连续梁方案，里 程为c k l 2 6 + 5 8 0 c k l 2 7 + 2 5 2 ，桥全长6 7 2 m ，路基面设计标高1 0 0 5 4 3 m ，桥 面净高1 1 9 a 3 m 。黄河大桥工程地质平面图及线路纵断面图如图2 2 和图2 3 所 示。 f i g 2 1g e o g r a p h i c a ls i t e o f t h e y e l l o w r i v e r b r i d g e 图2 1 黄河大桥地理位置图 1 3 西华大学硕士学位论文 1 4 一聋裕磊器避右魁孱螽撩磐卷鞲一 匝宣峰舞裂上蜷k庭粒nn匝 口薯矗盈辜0imo暑j0莹。基雪oi ib3侵oio眦lli18ii!髓矗oin一卫。胃i 西华大学硕士学位论文 一菇斌嚣霜避去魁嚣萄摄舅卷鬻一 匝宣豁蚕肇k霹槭cn匝 口譬喜盈