（地质工程专业论文）马水河大桥桥基岸坡岩体稳定性的模型试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 。 第1 页 摘要 作者利用三维地质力学模型试验方法研究了马水河大桥岸坡岩体的应 力状态及位移特征，并研究了岸坡在破坏荷载作用下的破坏形式。通过研究 表明，在设计荷载下，马水河大桥岸坡是稳定的，桥基位移很微小，对桥基 的稳定性影响不大。破坏试验表明，万州岸先于宜昌岸破坏，破坏形式是桥 基下方岩体拉张剪切破坏，说明万州岸外倾层理是岸坡稳定的不利因素，为 了大桥的绝对安全，建议加固桥基下方岩体。 作者还利用离散元分析软件对岸坡的位移特征和破坏模式进行数值模 拟。虽然本论文是基于三维地质力学模型试验基础之上，但三维离散元法由 于问题的复杂性，目前还处于初步研究阶段，而二维离散元法则相对较成熟， 故将三维数据集映射n - 维图像平面上，采用二维离散元软件u d e c 对岸 坡岩体位移进行计算，为观察三维数据内部结构及物理现象提供方便。研究 表明，马水河大桥岸坡桥基处有约1 3 r a m 的附加竖向位移和1 9 m m 左右的 水平向位移，另外，万州岸最终将从桥基底后缘下方沿节理裂隙剪切破坏， 宜昌岸最终将从桥基底前缘下方沿节理裂隙剪切破坏。 关键词：岩石边坡模型试验离散元法岸坡稳定性破坏模式 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ea u t h o rr e s e a r c h e st h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ts t a t eo ft h eb a n ko f m a s h u i h er i v e rb yt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lt e s t ，a n da l s or e s e a r c h e st h ef a i l u r e m o d eo ft h eb a n ko fm a s h u i h ef i v e ru n d e rf a i l u r el o a d t h er e s u l t ss h o w t h a t ，u n d e rd e s i g nb r i d g el o a d ，t h eb a n ks l o p ei ss t e a d ya n dt h ed i s p l a c e m e n to f t h eb r i d g ef o u n d a t i o ni sv e r ys m a l l t h ed i s p l a c e m e n th a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h e s t a b i l i t yo ft h eb a n ks l o p e 。t h eb r e a k d o w nt e s ts h o w st h a tt h e 腑n z h o ub a n k s l o p ew i l lf a i lb e f o r et h ey i c h a n gb a n ks l o p e ，a n dt h ef a i l u r em o d ei ss h e a r f a i l u r ea n dt e n s i l ef a i h r eo ft h er o c km a s su n d e rb r i d g ef o u n d a t i o n lt h e s e s h o wt h a tt h ee x t r o v e r s i o nl a m i n a t i o ni sad i s a d r a n t a g e o u sf a c t o rf o rw a n z h o u b a n ks l o p es t a b i l i t y f o ra b s o l u t es e c u r i t yo ft h eb r i d g e ，r e i n f o r c i n gt h er o c k m a s su n d e rb r i d g ef o u n d a t i o ni ss u g g e s t e d t h ea u t h o ra l s os i m u l a t e st h ed i s p l a c e m e n ts t a t ea n df a i l u r em o d eo ft h e b a n ks l o p eb yt h ed i s t i n c te l e m e n tm e t h o d a l t h o u g ht h ep a p e ri sb a s e do n t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lt e s t t h et h r e e d i m e n s i o n a ld i s t i n c te l e m e n tm e t h o di s c o m p l e xa n da tt h ep r e l i m i n a r ys t u d ys t a g e t w o - d i m e n s i o n a ld i s t i n c te l e m e n t m e t h o di sr e l a t i v e l yp e r f e c t ，t h e r e f o r et h et h r e e - d i m e n s i o n a ld a t a s f i em a p p e d i nt h et w o d i m e n s i o n a lp l a n e u d e cb a s e do nt h ed i s t i n c te l e m e n tm e t h o di s u s e dt os i m u l a t et h ed i s p l a c e m e n ts t a t e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r ea r e1 3 r a m a d d i t i o n a lv e r t i c a ld i s p l a c e m e n ta n d1 9 r a ma d d i t i o n a lh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t n e a rb r i d g ef o u n d a t i o n 。t h er o c km a s so f 腑n z h o ub a n ki sf a i l u r eu n d e rb r i d g e f o u n d a t i o n sr e a ra n dt h er o c km a s so fy i c h a n gb a n ki sj u s to p p o s i t e k e y w o r d s r o c kb a n ks l o p e ，m o d e lt e s t ，d e m ，s l o p es t a b i l i t y , f a i l u r em o d e 西南交通大学曲南父遗大罕 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 不保密酬使用本授权书。 学位论文作者签名：毒建专 日期：h 口g 年月日 指导老师签名：饷才强 日期：珊年月f 日 西南交通大学曲南父迥大罕 学位论文创新性声明 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 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 对马水河大桥岸坡岩体稳定性进行三维模型试验研究，获得马水河大桥 岸坡岩体的应力影响范围、基底应力、桥基位移、破坏模式等随影响因素( 坡 高、荷载强度等) 的变化规律。详细内容可参见论文第4 章和第5 章。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题意义 第1 章绪论 随着国家经济建设重点向西南部转移战略的实施，国家铁路建设的重点 也转向了西南地区，而西南地区多属山区，正在修建的宜( 昌) ? 万( 州) 铁路， 穿群山、越万壑，宜万铁路正在鄂西武陵大山中延伸。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l o o m 以上，岸坡高度达1 0 0 , - - 一3 0 0 m ，自然坡度5 0 0 - 9 0 0 。跨越高 深峡谷的大桥通常是一条线路的重点工程，有的还是决定线路方案的关键工 程，而马水河大桥正是这样跨越高陡峡谷的大桥之一，也是宜万铁路的关键 性工程。宜万铁路是我国铁路路网”八纵八横”主骨架之一，是沪、汉、蓉快 速通道重要组成部分，是连接我国东中部地区的重要交通纽带。建成宜万铁 路对长江流域的国土资源开发和经济发展，实施西部大开发战略，实现铁路 跨越式发展以及完善和优化铁路路网结构等都具有十分重要的意义。作为宜 ( 昌) 万( 州) 铁路控制工程的马水河大桥，其桥梁结构是其技术难点，但桥 梁建设的基础在于岸坡的稳定，因此，马水河大桥岸坡的稳定意义十分重大。 岩体是赋存于一定地质环境中，经受过不同时期、不同规模和不同性质 构造运动改造的地质体的一部分。它是由岩石材料和各种宏观地质结构面( 节 理、层理、片理、断层、破碎带) 组成的复合结构体。由于岩体结构在其整 个地质历史的形成过程中遭受过各种复杂地质构造作用，其内部存在构造运 动产生的形迹尺度不同的结构面，从而使岩体力学性质呈现出非常复杂 的不连续、非均质性和强烈各项异性【1 】【2 1 ，因此，工程岩体也称为节理岩体。 岩体中的结构面在相当大的程度上影响和控制着岩体的力学变形特性和岩体 工程的失稳破坏，国内外许多工程失事，如法国马尔帕赛大坝的溃坝破坏， 意大利瓦依昂边坡的滑移破坏以及我国长江三峡奉节段某处山体整体滑坡等 工程事故都是由于岩体内部结构面的直接影响造成的。如何有效的模拟和分 析节理岩体的力学特性，对于岩体工程的设计和施工具有十分重要的理论和 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 工程意义。 2 0 0 4 年，文献【3 】的作者采用二维离散元程序对马水河大桥岸坡的变形 破坏进行了模拟，并给出了桥基的合理埋深【3 】；2 0 0 6 年，文献4 1 的作者采 用三维有限元对马水河大桥岸坡的稳定性进行了分析，研究了坡度和岸坡形 状的变化对岸坡岩体力学行为的影响，揭示了不同坡度和岸坡形状下边坡岩 体应力影响范围、坡面的位移特征等的变化规律【4 1 。二者均取得了重要的成 果和新颖的分析思路。众所周知，无论是高陡边坡还是桥台基础都是三维实 体，其坡面、层理、节理、倾角、倾向和桥台基础等都属于空间三维问题， 若分析边坡的模型是二维平面问题，就忽视了其空间效应，如果再将二维的 结果推广到实际边坡应用中，那必定会存在较大的误差；另外，有限元法【5 】_ 【9 】 通常假设岩体是连续体，并且只发生微少量的变形，而马水河大桥岩体已经 被节理和各种裂隙切割成了块体，并且它在破坏时也可能会发生较大的位 移，因此，用有限元对其进行分析可能会有不妥之处。故对明显具有三维几 何特征的边坡进行研究更应考虑到这一事实，为了能够得到更为可靠的分析 结果进行三维模型试验研究是非常必要的。而本文正是对马水河大桥岸坡岩 体稳定性进行的三维模型试验研究，希望能够在高陡岸坡稳定性分析与评价 方面得出一些新的结论和方法，为马水河大桥工程的建设提供一些理论支 持，也为类似工程提供一些参考。 1 2 国内外研究现状 目前，边坡岩体稳定性的模型试验研究主要采用数值分析( 即计算机数 值仿真) 与物理模型试验( 即相似材料地质力学模型试验) 两种手段和方法 来研究其力学变形特性。数值分析主要借助高速发展的计算机技术去解决繁 琐的数值运算问题，它能够较好地模拟诸如介质的各项异性、非均质性、不 连续性、复杂边界条件及其随时间变化等复杂工程条件；而物理模型试验主 要借助相似材料地质力学模型试验去再现真实的物理实体，在基本满足相似 原理的条件下，真实的反映地质构造和工程结构的空间关系，并准确模拟施 工过程和把握岩体工程力学特性。数值分析和地质力学模型试验两种方法各 具特点、相辅相成，两者可以相互补充和验证。将数值分析与地质力学模型 试验相结合能够比较真实、全面地反映岩体工程问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 1 数值分析方法 岩体介质数值分析方法主要分为两类。第一类是连续介质力学的数值分 析方法，如有限差分法、有限单元法和边界单元法。这类方法通常假设岩体 是连续体，并且只发生微少量的变形，整个岩体介质包括边界限定条件均用 一个矩阵方程描述，求解该方程即可得到位移、应力等未知量。刚体运动， 通常并不包括在方程中。1 9 6 8 年g o o d m a n 使用节理单元法、1 9 9 6 年李术才 等使用损伤断裂有限元发对节理裂隙根据其发育程度及规模模拟了其力学 特征。第二类是非连续介质力学的数值分析方法，如离散单元法、块体理论 法( s h ig h ，1 9 8 5 ) 、不连续变形分析法( s h ig h ，1 9 8 8 ) 、数值流形元法( 石 根华，1 9 9 7 ) 等【1 0 】。 为了解决复杂的岩体工程问题，近年来数值方法的耦合分析有了长足的 发展，如有限元与边界元耦合，有限元与离散元耦合以及边界元与离散元耦 合等都有了不少应用，解决了不少复杂地质条件的工程问题。 1 2 1 1 离散单元法 离散单元法【1 1 h 2 1 】是c u n d a l l ( 1 9 7 1 ) 提出的用以模拟节理岩体非连续 变形行为的数值方法。这种方法假定岩体完全被节理切割成离散块体，对块 体逐个进行受力分析，建立n e w t o n 运动方程式，并采用差分格式显式地求 解块体的位移，因此c u n d a l i 的方法通常也被称为动态松弛的离散单元法。 离散单元法最初假定单元为刚性，成功地模拟了岩石边坡的渐进性破坏。之 后，随着算法的不断发展，出现了变形单元的离散元法。为了减少计算的收 敛时间和避开阻尼、时差等参数的确定，s t e w a r t 于1 9 8 1 年提出了静态松弛 的离散单元法，用以模拟地下开挖围岩的不连续性【2 2 1 。与动态松弛法的时 步积分过程不同，静态松弛法根据有不平衡力作用的块体达到再平衡时的力 与位移关系逐个建立块体的平衡方程组，求解块体形心的位移，从而求得整 个岩体工程的变形情况。由于离散单元法抓住了岩体变形的非连续性和非线 性等物理本质，近3 0 年来得到了飞速发展。到2 0 世纪7 0 年代中期，2 二维 离散元法已趋于成熟，并有了成功的应用例子。8 0 年代初期：i t a s c a 咨询 集团开发出了功能强大的二维商品化程序u d e c ( u n i v e r s a ld i s t i n c te l e m e n t c o d e ) 。u d e c 一开始就被广泛地应用于采矿、水利、隧道、地震等工程领 域，成为公认的用于岩体非连续性变形分析计算的有效软件，极大地推动了 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 离散元法的发展。 1 9 8 8 年，刘建武、葛修润根据s t e w a r t 的静态离散元法开发了我国第一 个静力松弛离散元程序，并对二滩电站地下主厂房进行了计算；为了消除块 体求解顺序对计算结果的的影响，1 9 9 3 年，陈文胜、葛修润提出了静态同 步松弛的离散元法，并首次用c 语言开发了相应的计算程序，该程序除计 算效率较高外，还可实现动态与静态松弛法的耦合；w a n g ( 1 9 9 3 ) 在静态 松弛的离散元法基础上提出了刚块一弹簧法模型，该方法实质上是静态同步 松弛的离散元法。1 9 9 4 年，蒋爵光、谢强、吴光利用离散元模拟程序对北 盘江大桥岸坡进行了稳定性模拟，并将该模拟结果与底摩擦试验模拟进行了 对比，模拟结果令人满意；程谦恭对剧冲式高速岩质滑坡运动全过程动力学 机制进行了研究，利用离散元模拟形象地揭示和仿真再现了斜坡岩体破坏失 稳后大变形阶段的运动过程及滑坡冲击成坝的机制及过程：1 9 9 7 年，伍四 明、李日国通过离散元数值模拟，再现了滑坡体的变形破坏过程，从而揭示 了万县滑坡群的形成机制；1 9 9 8 年，孔德坊、蒋鹏、李荣强针对深厚松散 块石土中强夯加固机理问题，引入离散元法，采用一定级配条件下的平面圆 盘模型，模拟了夯击作用下松散块石层的变形过程，反映出夯击能量在地基 土中的传播特征，数值分析成果与实测资料比较结果令人满意；1 9 9 9 年， 金仁祥等对麻柳嘴滑坡成因机制进行了离散元模拟较好的反映了滑坡的实 际成因：2 0 0 0 年，毛彦龙、胡广韬等采用离散元对斜坡在地震作用下的变 形破坏过程进行数值模拟分析，得出了一些既有理论研究意义，又有实际应 用价值的论断；2 0 0 1 年，谢强、詹志峰、赵文对内昆线龙塘山2 号大桥岸 坡破坏模式进行了离散元模拟，确定出既有公路上方岸坡坡项及坡面可能崩 塌的岩块，并根据岸坡破坏趋势得出其稳定坡角。 总的来说，边坡的总体变形主要是节理和各种裂隙切割出的块体的移动 而引起的岩体结构破坏，对于这种破坏形势，采用离散元法进行数值模拟是 合适的。实践也证明，利用离散元方法对边坡进行分析是可行的。 1 2 2 地质力学模型试验 地质力学模型试验【2 3 1 。【2 8 l 出现在2 0 世纪6 0 年代，7 0 年代以后地质力学 模型试验在我国得到了广泛的应用和发展，这种方法能模拟不连续岩体的自 然条件、岩体结构及其物理方程。典型边坡地质力学模型的建立对于边坡稳 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 定性评价及其失稳形式的分类是非常有意义的，因为边坡的地质力学模型是 反映影响边坡稳定性态的各种地质因素的综合体现，因而可以在工程实践中 根据边坡地质模型把握边坡破坏形式，预报边坡变形趋势和可能破坏方式， 以便选择可靠的加固处理措施等。目前，国内开展地质力学模型试验研究比 较有影响力的单位有：清华大学、长江科学院、中国水利水电科学研究院、 中国人民解放军总参三所、武汉大学、同济大学等。 地质力学模型试验属于结构模型试验的范围，它是真实的物理实体的再 现，主要研究模拟岩体的断层，破碎带、软弱夹层等不连续构造对结构的应 力分布和变形状态的影响及岩体稳定性和工程安全问题。地质力学模型试验 着重研究结构超出弹性范围以外的性能，故仅考虑一次加荷效应；它不只限 于已知荷载条件下的某一状态，更重要的是研究在渐增荷载作用下直至破坏 的整个变化过程，这就是地质力学模型与其他模型的区别所在。地质力学模 型试验在模拟研究岩体破坏机制方面具有独到的长处，随着试验测量技术的 发展，地质力学模型试验已由定性阶段进入定量阶段。 近些年来，地质力学模型试验在模型材料、测试技术、试验方法等方面 得到广泛的发展，在工程实践中正显示出越来越大的作用，并与数值分析相 结合，互补长短地进行工程结构和岩体稳定性分析研究，成为在复杂地质条 件下研究岩体工程稳定与应力应变机制的重要手段，与数值计算相辅相成： 共同发展。 1 3 论文主要研究内容 本文以马水河大桥岸坡为研究对象，通过模型试验来研究其在桥基荷载 作用下岸坡的稳定性，并根据研究结果提出相应的工程措施【2 9 1 ，研究思路 如下： 1 3 1 物理模型试验 采用三维块体模型试验对马水河大桥两岸边坡进行稳定性分析。通过模 型试验，得到模型岩体及原型岩体在各级荷载和设计荷载作用下的应力与位 移变化及破坏情况【3 0 】，然后对应力与位移变化及破坏情况进行分析【3 1 】得出 结果 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 1 1 试验理论依据 其依据是相似原理，即要求模型与原体相似，根据模型的情况反映出原 型的情况。 1 3 1 2 实验方法 相似材料的选取 根据相似理论及模型材料选取原则，本模型试验选取低弹模、低强度、 高容重材料，石膏与砂的混合材料。在模型试验前，用六种不同水、膏、砂 配合比进行了材料试验，得出最合理的配合比。 模型的建立 参考铁四院提供的马水河大桥总体布置图、地质平面图及现场调查地质 资料，根据相似比建立模型。受试验条件限制，岸坡模型整体大小控制在长 1 5 m ，高0 8 m ，厚0 8 m 左右范围内，则取尺寸相似比l p l m = 2 5 0 。 制作模型：包括模具的设计、模型浇注及拼装和测点布置 值得注意的是模型的拼装。两岸模型在拼装前，必须分阶段进行逐层逐 块的试拼装，待尺寸完全合乎要求后，还须作定位控制措施和顺序编号，即 在模型箱上或底层已经拼装好部分模型上划出定位的记号样线和编号，同时 也要把模型试块上编上对应的号码。 测量系统应变花的埋设百分表的安装加载系统数据记录准备 进行试验确定参数 1 3 2 数值计算 通过数值计算对两岸岩体进行稳定性研究，分析荷载作用下马水河大桥 岸坡岩体的位移特征及破坏模式。本论文是基于三维模型试验基础之上的， 但三维离散元法由于问题的复杂性，目前还处于初步研究阶段，而二维离散 元法则相对较成熟，故将三维数据集映射n - 维图像平面上f 3 2 】，采用二维离 散元软件u d e c 对岸坡岩体位移进行计算，为观察三维数据内部结构及物理 现象提供方便。数值计算的结果与前面地质力学模型试验的结果相互验证， 进而得出正确的结论来对马水河大桥岸坡岩体稳定性进行综合评价。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 综上，本论文所采取的研究方法可概括为下图： 马水河大桥工程地质背景条件 岸坡岩体的 力学数学模型 !一 工程地质力学模型试验 鼻苎孝竺变形行尊一i n 可聂面毫碉厂岸坡聂。琢覆式 的离散元t i i d e c ：, 计矧i 。一i 数值计算与物理模型试验的 相互验证 岸坡岩体稳定性综合评价 1 4 主要工作及时间安排 2 0 0 7 年1 月一2 0 0 7 年3 月：文献的收集、阅读和整理； 2 0 0 7 年4 月：仔细阅读并研究铁四院提供的马水河大桥总体布置图、 地质平面图及现场调查地质资料： 2 0 0 7 年5 月一2 0 0 7 年1 0 月：提交试验方案并完成相应试验： 2 0 0 7 年1 1 月一2 0 0 8 年2 月：用离散元计算程序( u d e c ) 完成对实例 的计算；- 2 0 0 8 年3 月一2 0 0 8 年4 月：分析汇总及撰写论文，形成初稿； 2 0 0 8 年5 月：修改、完善论文并提交答辩。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章马水河大桥岸坡的区域地质情况及初步分析 2 1 马水河大桥设计方案 根据铁道部第四勘测设计院的初测方案，宜昌一万州铁路在湖北恩施北 面建始县东南侧跨越马水河，建马水河大桥，桥址位于湖北恩施北面建始县 东南7 公里处( 图2 1 ) 。线路跨江地段选择在一水坝下游约1 公里深切峡谷 处，谷坡较陡，谷深近1 2 0 m ，河面标高4 8 0 m ，线路走行在岸坡顶面，桥基 设于岸坡上部( 图2 2 ) 。宜力铁路马水河大桥设计桥式为连续t 构方案， 桥全长2 4 6 6 0 m ，路基面设计标高5 9 4 m ，桥面净高1 1 4 m ，桥梁布置如图2 3 所示。 薏1 虿三 图2 3 马水河人桥殴计方案图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 马水河大桥桥址区区域地质构造特征 2 2 1 概述 宜昌一万州铁路马水河大桥( c 勉1 0 + 1 8 7 7 2 c k 2 1 0 + 4 3 4 7 2 ) 位于思 施幅，该段处于我国东部新华夏系第三隆起带的中南段和长江中下游东西向 构造西段延伸部分，二者彼此干扰，故构造格局较为复杂。自中三叠世晚期 印支运动开始，该区构造变动趋于频繁而强烈，形成了东西向、北东向、北 北东向及北北西向等一系列不同性质、不同特点的构造形迹。北东向构造， 主要分布于西部和中南部；北北东向构造，纵贯该区中部：东部以东西向构 造为主体，而北北西向构造仅局限于东部边缘。北东向和东西向构造以褶皱 为主，其它则以断裂构造为特征。根据各构造形迹的空间分布、力学性质及 相互之间的成因联系，将它们分别划分为：( 1 ) 东西向构造带( 2 ) 新华夏 系：新华夏系联合弧形构造新华夏系复合式构造( 3 ) 旋卷构造( 4 ) 体 系归属不明的构造。各构造体系主要定型于印支运动以来的各时期的构造变 动，它们出现的先后顺序为：东西向构造带一新华夏系( 新华夏系联合弧形 构造一新华夏系复合式构造) 一北北西向构造。 2 2 2 构造应力活动方式分析 区内各构造体系或构造型式，在其空间分布上都具一定的方向性。因此 一定类型的构造体系，反映了一定方向的构造应力场的分布特点。 该区南北向挤压应力是区内主要的区域构造应力场，东西向构造带，就 是在这种方向的压力的驱动下形成的。同时，由于南北向压应力的持续作用， 逐步出现了压应力不均匀的现象，从而导致了该区的地壳发生了南北向的差 异扭动( 反时针扭动) ，于是派生出了北西一南东方向的挤压应力。由于此 种应力同继续存在着的南北向压应力的联合作用，产生了新华夏系联合弧形 构造，该构造带是东西向差异性挤压和南北向挤压的联合作用下而形成的。 ： 体系归属不明的北北西向构造，应为东西向挤压应力作用的产物，因此 其力学性质反映为挤压构造带。但是，它或许为新华夏系复合式构造的共轭 体系，即南北向压应力不均匀作用的结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 3 马水河大桥桥址区区域地质概况 马水河大桥位于宣万线恩施段，其桥墩设置在谷深近1 2 0 m 的深切峡谷 的灰岩岸坡上( 图2 4 、2 5 ) ，桥址处地质概况如下。 图2 4 宜昌端岸坡图2 5 万州端岸坡 图2 6 马水河大桥桥址全景 2 3 1 地形地貌 马水河大桥桥址位于湖北恩施北面建始县东南7 公里处，为中山区峡谷 地形。马水河河面宽约4 0 m ，水深约2 5 米，流量为2 8 6 4 m 3 s ，桥址处河 流走向自北向南，约1 6 0 。，线路走向约2 5 5 。，即线路与马水河近正交。 在桥址上游一公里处建有一水坝，故马水河正常流量不大；下游约二百米处， 长约l o o m 的公路桥横跨该河。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 马水河宜昌台岸坡极为陡峭，高度为1 2 0 米，其中下部边坡为陡崖，高 度为9 9 米，自然岸坡坡角为7 2 度；上部边坡较缓，自然坡度约为3 7 度， 植被发育；万州台岸坡坡度相对较缓，岸坡中部辟为红岩寺建始县公路， 公路以下岸坡坡角为4 0 5 0 度，坡面堆积有公路开挖形成的弃渣；公路边 坡高度为2 0 3 0 米，边坡坡度较陡，坡角为7 0 9 0 度。两岸岩溶强烈发育， 形成典型的峰丛洼地地貌。 2 3 2 地层岩性及地质构造 马水河大桥桥址处出露基岩为三叠系下统( t 1 ) 灰岩，呈青灰灰白色， 微晶结构，致密结构，层状构造，岩层表面风化颇重。宜昌岸上部为嘉陵江 组( t 1 ) 中厚层灰岩，袁层溶蚀现象严重；下部为大冶组( t l d ) 薄层夹中 厚层灰岩，岩层多呈弱风化至微风化，岸坡壁可见溶洞发育。如图2 7 。两 套地层呈整合接触，产状较稳定，为1 3 5 。z 3 0 。；万州岸出露地层均为大冶 组薄层夹中厚层灰岩，产状为1 2 5 。z 2 4 。两岸岩体节理发育。 图2 7 宜昌台岸坡岩溶发育图2 8 构造纲要图 从图2 8 构造纲要国分析，马水河大桥位于客坊背斜东翼，属于新华夏 系宣恩一白杨( 红岩寺) 一茶店子弧形复向斜带。客坊背斜为一紧密的线形 褶皱，轴面倾向东。枢纽走向微北东，起伏强烈，在背斜高点出露二叠系地 层。弧形复向斜带内压性和压扭性纵断裂发育，桥址西侧f 2 7 为大青山一十 里牌断裂，该断裂为北东走向，倾向南西，走向与客坊背斜走向近于平行， 并将客坊背斜核部纵切，致使其西翼地层缺失。1 7 2 7 断裂具二次活动，早期 为张性，晚期为压扭性，挤压破碎带宽几米至数十米。桥址东侧为红岩寺向 斜，靠近核部发育有河水坪逆断层，属压扭性断层，走向北东，倾向北西。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 马水河大桥位于客坊背斜东翼，距上述构造断裂带较远，桥址附近未见 发育较大的断层。从图2 2 马水河大桥工程地质图可以看出，桥址附近属单 斜地层，地质构造相对较为简单，岩层产状为1 3 5 。3 0 0 。宜昌台岸坡壁可 见溶洞发育，但坡面较为干燥，少见地下水渗出。 桥址附近未发现较大的断裂构造，但受构造变动及岩层沉积环境影响， 岩体中节理较为发育。其中宜昌台岸坡岩体中主要发育三组节理，其节理特 征如表2 1 所示。 表2 - 1 马水河大桥宜昌台岸坡岩体节理特征 节理平均间距延长 渗 产状类型粗糙度充填 编号( m )( m ) 流 j 1 1 3 5 。么3 0 。0 6 层面节理粗糙贯通无无 2 1 0 2 3 5 。么 j 21 5 1 构造节理粗糙1 6无无 7 8 8 3 。 2 7 8 3 2 0 。么 j 31 7 3构造节理 粗糙3 5无无 7 0 7 8 。 2 3 3 水文地质条件 桥址附近岩溶十分发育，在马水河东岸发育大涡坑等巨型岩溶漏斗。从 图2 9 可知，宜昌台岸坡水平向溶 洞十分发育。其中马水河上游宜昌 台岸坡坡脚_ 溶洞内发育地下暗 河，其余溶洞为干洞。根据野外调 查分析，大涡坑岩溶漏斗与地下暗 河系统存在十分紧密的水力联系。 此外，表层岩溶现象亦十分发育， 裸露岩层溶沟、溶槽、溶窝等分布 广泛。本区地表水主要为马水河， 常年不干涸，水量丰富。地下水较 发育，存在的形式为岩溶裂隙水及 暗河，与地表水水力联系密切。 图2 9 宜昌台岸坡地下暗河 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 4 岸坡稳定性的初步分析 2 4 1 宜昌端岸坡稳定性的初步分析 从现场测量宜昌台岸坡的岩层产状来看，表明岩层层理反倾，对于岸坡的 稳定十分有利。本岸坡两组构造节理均产状较陡，倾角大于7 0 度，其中一组节 理走向近似平行于岸坡，一组近似垂直与岸坡，与层理结合易于将岩体切割成 块体。由于岩体结构面的产状均对岸坡无不利影响，因此，从野外初步分析， 宜昌台岸坡不存在较大规模的顺层滑动问题，岩体破坏的形式只能是少量的、 小规模的崩塌落石现象。从图2 6 中可以看出，宜昌台岸坡陡峭，坡脚为马水河， 未见崩塌落实体，表明在以前相当长的时期内，宜昌台岸坡未产生较大规模的 崩塌现象。桥梁加载后，基础以下岸坡岩体受垂向荷载作用，岩体产生侧向变 形，平行于岸坡的节理侧向位移将会加大。 岸坡岩体上部桥基础设计位置未三叠系嘉陵组( t 1 ；) 中厚层灰岩，岩体厚 度大、强度高。岸坡下部地层未三叠系大冶组( t 1 d ) 薄层状灰岩，但岩体中夹 有泥灰岩夹层；从野外回弹仪测度情况来看，其岩体强度较高，不存在软弱层 问题，可以将岸壁岩体作为均一介质体考虑。此外，桥址属于客坊背斜东翼， 附近均为单斜地层，且未发现较大的断裂构造，岩体完整性较好，有利于岸坡 的稳定。 岸坡壁发育有两层溶洞，其中下层溶洞有暗河发育，距桥址较远，对桥基 影响不大，如图2 7 所示。但上层溶洞位置较高，距桥基础设计位置较近，有可 能延伸至桥基以下，影响基础稳定。因此，准确测定上层溶洞的位置、标高、 延伸长度对以后基础的稳定性有着至关重要的影响。 2 4 2 万州端岸坡稳定性的初步分析 - 万州岸岸坡的岩层层理是顺层的，倾角2 4 。，该岸坡中部距河面约5 0 m 处 因修公路而开挖出坡度为7 0 0 的陡坡，现场考察时此段岸坡无顺层滑移的迹象。 主节理( 倾向与岸坡倾向最相近的节理) 是反倾的，这使得岸坡顶岩体有崩塌 的趋势，而经实地考证发现崩塌落石少有发生，但加载后，由于垂直荷载引起 的侧向膨胀力是否会导致壁顶岩体的崩塌而对即有公路产生影响也需进一步分 析。以上观测可作为室内分析的基础和模型。 通过以上分析并结合野外实地考察认为，从工程地质角度看，现设桥位地 质条件一般，天然状态下，岸坡基本稳定。由于岸坡岩层厚度不大，建议对基 础处岩体进行灌浆或锚固以加强岩体整体性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章马水河大桥桥基岸坡稳定性的离散元法分析 本章将借助于离散单元法对马水河大桥桥基岸坡岩体的稳定性进行理论计 算，分析马水河大桥岸坡岩体在自然状态及设计荷载下的位移特征、破坏模式 以及岸坡的最终破坏方式和位置。 本论文是基于三维模型试验基础之上的，但三维离散元法由于问题的复杂 性，目前还处于初步研究阶段，而二维离散元法则相对较成熟，故将三维数据 集映射n - 维图像平面上，采用二维离散元软件u d e c 对岸坡岩体进行计算， 为观察三维数据内部结构及物理现象提供方便。桥基开挖位置如图3 1 所示： 图3 1 桥基开挖位置示意图 3 1 万州端岸坡岩体的稳定性分析 3 1 1 参数的选取 根据岸坡工程地质条件调查资料，马水河大桥桥址附近属单斜地层，地质 构造相对较为简单，岩层产状为1 3 5 q 么2 4 0 。其中岸坡岩体中主要发育三组节理， 对岸坡稳定性有利的节理，可以不考虑。总的来说万州岸需要考虑层理、一组 节理( 2 1 0 2 3 5 q 么7 5 8 5 9 ) 。其边坡坡度a , = 7 3 0 ，层理平均间距1 8 m ，节理平 均间距2 4 m ，岩体密度为2 6 0 0n m 3 ，泊松比为0 2 4 ，弹性模量为4 5 x 1 0 1 0p a ， 内摩擦角为4 5 0 ，粘聚力为8 0 x 1 0 5p a ，法向刚度系数为l x l 0 8 ，切向刚度系数 为l x l 0 8 ，体积模量为2 5 x 1 0 1 0p a ，剪切模量为1 6 x 1 0 1 0p a ，单轴抗压强度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 r = 5 6 4 8m p a ，抗拉强度为0 0 5 9 r t 3 3 】= l x l 0 7 岩层产状1 3 5 t 么2 舻，节理产状2 1 0 2 3 5 。z 7 5 8 5 。均为三维状态下的值， 将其映射到二维平面上可通过表3 1 p 4 1 ，查表3 - 1 可得：岩层产状对应的二维倾 角为1 8 。，节理产状对应的二维倾角为7 6 。( 三维状态下的值取为2 2 5 。z 8 俨) 。 表3 - 1 倾角换算表 真倾岩层走向与剖面间夹角 角7 5 0 6 5 0 5 5 。4 5 。 4 0 0 2 0 。1 。 1 0 9 。4 0 9 。5 8 。1 3 7 。6 6 。2 8 。3 。2 70 。1 0 。 2 0 。1 9 。2 3 1 8 4 1 5 1 6 。3 疗1 4 。2 ， 1 3 6 1 0 - 7 。6 0 0 2 2 。 2 5 。 2 4 。1 5 2 r 5 5 2 0 。5 掣1 8 。1 5 1 6 。4 1 19 。3 0 气8 3 5 。3 4 。4 3 2 。2 4 2 9 。5 0 2 6 。2 0 。2 4 。1 4 。1 3 。2 8 0 q 2 5 0 。 4 9 。1 。4 7 。1 2 。4 4 。1 7 4 0a 7 l 3 7 。2 7 2 2 0 l l 1 。l r 6 0 。 5 9 。8 。5 7 0 5 4 。4 9 。5 0 。4 6 。4 8 。4 3 0 。2 9 。 1 。4 4 6 5 。6 4 。1 4 6 2 。4 6 。6 0 。2 1 15 6 。3 6 。5 4 。z3 6 。1 5 2 。9 。 7 0 。 6 9 。2 1 6 8 。76 6 0 8 6 2 0 4 6 6 0 口2 9 14 3 。1 3 2 。4 ， 7 5 。7 4 。3 0 。7 3 。3 2 。7 i 。5 引6 9 0 1 4 6 7 。2 2 5 1 。5 5 3 * 4 4 。 8 0 。 7 9 。3 矿 7 8 。5 掣7 7 。5 1 。7 6 。口 7 3 。4 0 6 2 。4 3 5 0 3 l l 8 5 8 4 9 5 0 。8 4 。2 9 。8 3 。5 4 +8 2 。5 78 2 。1 5 7 5 。3 9 1 1 9 3 12 岸坡变形模拟分析 3 1 2 1 天然状态下 根据已有参数，建立离散元计算模型如图3 2 所示，共划分3 3 4 0 个网格单 元。为消除边界影响，边破后缘向后延伸5 0 m t 坡脚向外延伸6 0 m ，底边向下延 伸3 0 m 。左右两侧水平位移约束底边界竖直位移约束。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 幽3 2 万州岸天然状态f 阿格划分图 在计算过程在坡面上选择了5 个关键点，记录这些关键点位移变化，分析 边坡位移变化规律，关键点在坡面上的分布如图3 3 所示，均为变域点。 幽3 3 大然状志f 万州岸坡面位移记录点 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 岸坡岩体位移趋势特征如图3 4 所示，图中箭头长度表示该点位移的相对大 小。从图中可以看出，岸坡坡面上岩体位移最大，向岸坡内部岩体位移越来越 小。坡面岩体可能移动块体主要分布在变坡点附近，最大变形位于e 点处，其 位移达到了2 7 6 3 c m 。 3 4 天然状态f 万州岸岩体位移趋势幽 万州岸岸坡关键点位移特征如图3 5 ，3 6 所示，图中横坐标指相对时问 即岸坡自然发展历史阶段。 | 璺| 35 岸坡关键点岩体水平佛移趋势幽 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 图3 6 岸城关键点岩体竖直位移趋势幽 从图3 5 中可以看出，坡面岩体水平位移随着自然历史的演化逐渐增大，最 终趋于稳定。坡面岩体在边坡自然历史发展演化过程中，将产生较大的水平位 移，岩体水平位移往往体现在外倾节理的张开、蠕动直至破坏。五个关键点中 处于最低点的坡脚a 点附近岩体水平位移相对最大，随着高度的增加岩体水平 位移逐渐减小，这说明天然状态下万州岸岩体的水平位移主要是受重力影响的。 从图3 6 中可以看出，坡面岩体竖直位移同样随着自然历史的演化逐渐增 大，最终趋于稳定。五个关键点中处于最底处的a 点岩体竖向位移最小，为正 值，这说明a 点附近的岩体处于变形过程中的微裂隙闭台阶段。岸坡后缘变坡 点e 点附近岩体竖向位移最大。同样，天然状态下万州岸岩体的竖向位移也是 主要受重力影响的。竖向位移大小与岩体结构、岸坡自然坡度等有关。 根据边坡岩体变形发展历史可知，边坡在形成初期，变形发展迅速，而在 边坡形成后期，岩体变形趋于平缓。从图3 5 ，3 6 中也可以看出，在水平位移 和竖向位移随时间的变化曲线中，曲线有变形加速阶段和变形平缓阶段。可以 认为，天然状态下岸坡岩体仍处于变形阶段，目前状态下边坡是处于变形发展 平缓期，但坡面大部分岩体不会产生较大的变形，因此，天然状态下万州岸岸 坡岩体是稳定的。 下图是u d e c 软件计算过程中控制各节点位移是否趋于平衡的最大不平横 力图3 7 ，从图中可以看出最大不平横力的曲线最后与x 轴交汇成了一条直线， 说明此时最大不平横力的值为零，这完全符合该软件的计算精度要求，也说明 此时岸坡岩体是稳定的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 图3 7 最大不平横力图 综上，天然状态下万州岸岸坡岩体是稳定的。 3 1 2 2 设计荷载下 由于本论文的地质力学模型试验部分着手做的较早，所以它为数值计算中 荷载的选取提供了很好的依据。利用u d e c 软件分别对在设计荷载和破坏荷载 ( 从地质力学模型试验反算回来的破坏荷载1 6 7 1 m p a ) 作用下的岸坡岩体进行 数值模拟。万州端桥基的埋设位置为桥基至坡边缘的水平距离为1 2 5m ，埋深 9 m ，桥基长度9 7 m ，宽度6 4 m ，设计荷载0 8 m p a 。由于架设了桥基，此时建 立的离散元计算模型如图3 8 ，模型网格单元数变为了3 2 8 7 。同样，左右两侧水 平位移约柬，底边界竖直位移约束。另外，在计算过程关键点的选择情况也有 了变化，由原来的5 个关键点变为现在的7 个，如图3 9 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 e c m 4 m a 竹由 口- t l n e + c 一 t ；i hc h 雠0 _ m - 岫 k h r r _ h - l h | 星| 3 8 万州岸j j u 载状态f 阿格划分幽 f 目 ，涉陟7 k j 蚓3 9 犬然状态f 万州岸坡面住移记录点 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 图3 1 0 设计荷载下万州岸岩体位移趋势幽 设计荷载作用下岸坡岩体位移趋势特征如图31 0 所示，图中位移向量表示 仅由荷载产生的岩体位移，而未包括天然状态下岩体仍将产生的变形。从图中 可以看出，荷载作用不仅影响到桥基前后附近岩体的运动，同时对桥基下侧附 近岩体变形产生影响，而且是有一定影响范围的。晟大变形位于f 点处，其位 移达到了2 7 7 5 c m ，比天然状态下的位移量增大了0 1 2 r a m 。在桥基以左这一区 域，各处的位移迹线发生了明显的向左偏转表明在发生了向下的竖直位移的 同时还发生了向河床方向的水平位移。而在桥基以右这一区域，各处的位移迹 线