（地质工程专业论文）宜万线马水河大桥岸坡稳定性的三维有限元分析.pdfVIP

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 马水河大桥是宜( 昌) 一万( 州) 线铁路的重点工程，研究马水河大桥岸 坡的稳定性，是工程建设实践的迫切要求。 本文建立三维的桥基岸坡模型，对可视为均质材料的岩体岸坡，荷载作用 下岩体的应力特征和位移特征进行分析，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。 通过分析知荷载对桥基岸坡有一定的影响范围，对于坡面为平面的岸坡， 此范围随坡度的增大而增大：坡面为凸面的岸坡，此范围还与两坡面的平面夹 角有关，坡度相同，随两坡面的平面夹角增大而增大。 荷载作用下岸坡坡面岩体的水平位移和竖直位移均与坡度有关，随着坡度 的增大，水平和竖直位移随之增大；并且水平位移的最大值出现位置变浅；坡面 为凸面的岸坡坡面岩体位移特征还与两坡面的平面夹角有关。 以以上研究为基础，本文得出了三维状态下桥基位置的确定方法，确定出 马水河大桥的桥基位置：宜昌岸为2 0 9 m ，万州岸为1 2 m ；对所得桥基位置下 岸坡的稳定性进行了分析。通过研究表明，在设计荷载下，岸坡坡面岩体位移 量微小，对桥基的稳定性影响不大，并且岸坡岩体强度满足要求。马水河大桥 在设计桥位下岸坡是稳定的。 关键词：高陡岸坡三维模型有限元法桥基位置边坡稳定性 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 m a s h u i h er i v e rb r i d g ei st h ek e ye n g i n e e r i n go fy i c h a n g - w a n z h o ur a i l w a y s t u d yo nt h eb a n ks l o p es t a b i l i t yo fm a s h u i h er i v e rb r i d g ei sr e q u i r e du r g e n t l yi n e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n i nt h et e x t , b yc o n s t i t u t et h r e e - d i m e n s i o n a lb r i d g eb a n ks l o p em o d e l ，t or o c k m a s ss l o p et r e a t e dw i t hh o m o g e n e o u sm a t e r i a l , t h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n t c h a r a c t e r i s t i c so fr o c km a s su n d e r1 0 a da r ea n a l y z e di nd e t a i l s t u d i e dt h ec h a n g eo f g r a d ea n ds h a p eo fb a n ks l o p ew h i c hi n f l u e n c e dt h em e c h a n i c sb e h a v i o ro fr o c k m a s s ，o p e no u tt h ec h a n g er u l eo ft h es l o p er o c k n l a s ss t r e s si n c i d e n c ea n d d i s p l a c e m e n tc h a r a c t e ru n d e rd i f f e rg r a d ea n ds h a p e b yt h ea n a l y s e ，t h el o a dh a sd e f i n i t ei n c i d e n c et os l o p eb a n k , t h ei n c i d e n c e a c c r e t i o na l o n gw i t ht h eg r a d ef o rt h ep l a ns u r f a c eb a n k ；t h ei n c i d e n c ea l s or e l a t et o t h ep l a n en i pa n g l e ，i nt h eh o m o l o g yg r a d e ，t h ei n c i d e n c ea c c r e t i o nf o l l o wt h ep l a n e n i pa n g e l 1 1 圮l e v e ld i s p l a c e m e n ta n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n to ft h eb a n ks l o p es u r f a c e r o c k n l a s sw i t c he f f e c t e du n d e rt h el o a dr e l a t et ot h es l o p eg r a d e ，l e v e ld i s p l a c e m e n t a n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n ta c c r e t i o na l o n gw i t ht h es l o p eg r a d e ；a n dt h ea p p e a r a n c e p o s i t i o no ft h ei e v e ld i s p l a c e m e n tm a xs h o a l ；t h ed i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r i s t i co ft h e c o n v e xb a n ks l o p es u r f a c er o c k m a s sr e l a t et ot h en i pa n g l eo f t w os l o p es u r f a c e b a s eo nt h er e s e a r c hu p w a r d s t h et e x te d u c e dt h ec o n f i r mm e a n so f t h r e e d i m e n s i o n a lb r i d g el o c a t i o n u s e dt h em e a n st oc o n f i r ml o c a t i o no fm a s h u i h e b r i d g e ：t h eb a n ko fy ic h a n gi s2 0 9 ma n dt h eb a n ko fw a nz h o ui s 1 2 m t h e r e s e a r c hi n d i c a t e du n d e rt h ed e s i g nl o a d ，d i s p l a c e m e n to ft h es l o p eb a n ks u r f a c ei s m i n u t e n e s sa n dh a ss m a l li n f e c t i o nt ot h es t a b i l i t yo f b r i d g eb a s e ，t h ei n t e n s i o no f t h e s l o p er o c k m a s sc o n t e n tr e q u i r e t h em a s h u i h eb r i d g ei s s t a b i l i z a t i o nu n d e rt h e d e s i g n1 0 a d k e yw o r d s ：h i g h s t e e pb a n ks l o p e ，t h r e e - d i m e n s i o n a l ，m e c h a n i c sb e h a v i o r , b r i d g e l o c a t i o n ，s l o p es t a b i l i t y 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 我国中部、西南大部分地区属于多山丘陵地带。随着国民经济的发展以及 西部大开发战略的实施，大量的交通线路需要跨越河流、峡谷，因此需要许多 大跨度的桥梁。在这些地段地势陡峭，地质结构复杂，各种地质灾害频繁，再 加上桥梁墩台传下的荷载，桥岸边坡的稳定性受到很大的威胁，而边坡的稳定 性又影响着桥梁结构的安全性。因此，对桥梁两岸边坡的稳定性研究具有十分 重要的现实意义。 正在修建的宣( 昌卜万( 州) 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 余米，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 。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，马水 河大桥位于建始县东南7 公里处，桥址区为中山峡谷地形，河谷宽约4 0 m ，常 年有水流，河道顺直；公路宽约6 m ，沥青路面。峡谷深约1 0 0 米，峡谷内马水 河水面宽约4 0 米，水深约2 5 米，河流走向自北向南，为常年性河流，线路 与马水河近似正交。马水河宜昌台岸坡呈陡崖地貌，高度大于1 0 0 米；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 0 ，坡面堆积有公路开挖形成的弃碴；公路边坡高度为2 0 - 3 0 米，边坡坡 度较陡，坡角为7 0 - - , 9 & 。两岸岩溶强烈发育，形成典型的峰丛洼地地貌。 根据工程岩体分级标准进行分类，宜昌台岸坡岩体属i i i 级岩体，万县 台岸坡岩体属级岩体。宜昌台岸坡岩层反倾，对于岸坡的稳定十分有利的。 两组构造节理均产状倾角大于7 0 0 ，其中一组节理走向近似平行于岸坡，一组近 似垂直于岸坡，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，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。由现场调查可知，宜昌台岸坡陡峭，坡脚为 马水河，未见崩塌落石体，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。万州台岸坡系新建公路人工开挖形成，坡高3 5 米，自然坡 度在7 5 0 以上，近于直立。边坡主要为薄层灰岩夹泥灰岩，岩体质量较差，边 坡存在零星的崩落掉块现象。此外，万州台岸坡产状不利，存在顺层问题。 从马水河大桥修建而言，桥梁结构设计是其技术难点之一，又因其主墩台 设置在峡谷区高陡岸坡上，也就决定了另一重要的技术难点一墩台的设置位置 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的确定。主跨墩台位置确定不仅关系到建桥适宜性一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，带来的问接经济价值是难以估计的。另一方面， 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。 在峡谷岸坡上修建桥梁，对桥基岸坡稳定性进行检算是至关重要的。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。 由于桥梁建在斜坡上，不仅斜坡要满足承载力的要求，而且要考虑整个山体的 稳定与埋深不够时基础从斜坡上剪出破坏的可能性，这也就是说，必须有桥址 处山体与坡体稳定才有基础的稳定，这是桥梁设计施工时必须认真对待的问题。 对于宜万线马水河大桥，西南交通大学硕士研究生詹志峰在其论文宜昌 一万州铁路典型峡谷区大桥岸坡稳定性研究中，在将岩体视为均质的前提下 运用有限元软件对桥基岸坡稳定性进行了分析【l 】；西南交通大学赵文博士在其 博士论文荷载作用下高陡边坡岩体力学行为及桥基位置确定方法研究中对 岩体中场大贯通结构面的力学行为特征进行了研究，得出了场大贯通结构面上 由荷载产生的接触应力分布与桥基位置、结构面位置、倾角等有关的结论【2 j 。 真实的桥基岸坡是三维几何体，先前为数不多的研究只限于在二维状态下研究 岩体力学特征，不能真实反映出岩体的变形及破坏特征。因此，在三维状态下 运用数值分析软件对桥基岸坡的力学特征和稳定性进行分析将会对工程实践产 生很大的指导和促进作用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 高陡边坡桥基位置确定方法 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，并考虑到桥梁基础的荷载较 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 挡土墙大且受力复杂，故宜将安全距离适当增大1 3 。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 持力层十类 埋置深度m 安全距离i n 软完整的坚硬岩石 o 2 5o 2 5 - o 5 0 一般岩石( 如砂页岩互层等) o 6 00 6 0 - 1 5 0 松软岩石( 如千枚岩等) 1 o o1 0 0 2 o o 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【4 】。 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【5 】。 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，谢强等根据通过对 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度经验 公式为胪- 8 j ： 0 = 2 h 1 4 7 l n ( y w r l o g 功+ 1 3 】 式中参数及其意义见文献i 】。通过上 式可以确定出岸坡的稳定坡角，桥基设 置在稳定坡角线以内即可，如图1 1 所 示。 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 稳定坡角线 j ，j 么 图1 1 稳定坡度法确定桥基位置 角法应用于高陡岸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，坡高折减系数取值咖= o 8 。对于高陡边坡来说，坡角变化 1 0 ，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 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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 詹志锋从成昆铁路上调查的2 l 座峡谷型铁路桥选取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岸坡稳定坡角的经验 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i l 】。 目= 2 7 4 7 3 1 5 4 4 6 1 h + 0 9 1 7 3 7 口+ 0 0 4 4 3 s 施 式中：o 一边坡稳定坡角；h 一边坡高度；o 【一自然坡角；s m r 二边坡岩体 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。 赵文通过有限元建立模型，深入研究了在竖直荷载作用下影响高陡边坡稳 定性的各种因素，通过大量的数值分析和模型试验，得到了确定桥基距离的公 式如下【2 】。 量= o 0 3 0 9 5 9 1 ” ( 1 - o 8 6 5 5 。) g 】蜥5 妒椰 式中：a 一自然坡度；b 桥基宽度；q 一桥基荷载；k s r 表示桥基位置岩体 质量折减系数。 由于此公式是在建立二维数值计算模型的情况下得到的，二维数值计算模 型由于没有考虑第二主应力，因此在此公式下确定的桥基距离是偏保守的。 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( 江卜一昆( 明) 线龙塘山2 群大桥、( 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t 9 叫6 】。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。而对桥基位置进行了研究都是在二维条件下进行的，忽略了 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第二主应力，往往偏于保守。而天然状态下的高陡边坡是三维空间体，在三维 条件下研究得到的桥基位置的确定方法，在工程实践中更具有应用价值，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 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【l ”。理论法适用于简单的边坡，并且分析中作很多的假设， 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。 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 k a r y , 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 8 】。 j a s h b y 把倾斜台面模型技术用于边坡倾倒破坏机理及过程【1 9 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【2 0 】。 边坡应力数值分析主要采用有限单元法( f e m ) 。边坡应力分布特征及变化规 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 r 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【2 lj 。b h o y a u x & b l a n d a n y i 研究了垂直边坡的应力分布特征1 2 2 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 2 3 】。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 4 。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【2 5 】。 g r i f f i t h sd v 利用有限元方法进行边坡稳定性分析【2 6 】。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【2 ”。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【2 m 。张飞等应用各向异性弹塑件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【2 9 】。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 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 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 米范围内0 0 。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【”j 。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 【3 2 1 。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田j 。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【3 4 】。张雄等利用参变量变分原理，建立 了块体一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 5 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【3 6 】。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 7 1 。 肖洪天、周维垣等也作过类似工作p 8 1 。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田】。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。 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【4 l 】。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、稳定生薄弱部位的确定等难题 4 2 】。 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 复杂区域材料的弹粘塑性力学参数【4 卦。 1 2 3 三维条件下高边坡研究现状 严格的说，几乎所有边坡破坏，缘于破坏面狭窄，几何形状不规则，以及 力学性质和水压力条件的横向变化性，而都具有三维空间特征。然而，实际目 前对边坡分析中往往采用二维方法进行模拟和近似，这样得出的结果或错误往 往偏于保守，很难应用于工程实际应用中。随着我国经济快速发展及计算机性 能日新月异，越来越多的三维要求摆在工程实际面前。根据前面几章节的概述， 本节主要探讨目前几总常用于边坡分析的三维研究方法概况。 ( 一) 三维极限平衡法 几十年来，边坡稳定分析都是将边坡简化为二维平面应变问题，再采用 b i s h o p 、j a n b u 、s p e n c e r 、s a r m a 和m o r g e n s t e i n 等法进行分析。而实际上土坡 的失稳破坏是一个三维空间问题，特别是在可能的滑动面周围存在三维滑动这 一物理边界的情况下，具有明显的三维效应。 三维极限平衡法将滑动土体分为土柱，使用类似二维领域的处理方法进行 土坡稳定分析。采用三维稳定分析和二维稳定分析得出的稳定安全系数一般情 况下三维稳定安全系数大于二维，但有时也出现二维大于三维的情况。为了研 究其本质c h e n g 等l 4 4 1 ( 香港1 9 8 2 ) 采用与b i s h o p 法相类似的方法，建立了三 维土坡稳定安全系数计算公式，分析其与二维方法在确定破坏区域位置、稳定 安全系数大小方面的区别，计算结果表明，采用同样的条分法计算三维稳定安 全系数的最小值大于二维稳定安全系数的最小值。在其它条件不变的情况下， 无粘性均质土坡的三维稳定安全系数的最小值与二维稳定安全系数的最小值的 比值相同。随着抗剪强度指标c 的增大，其比值增大，即粘性土土坡的三维效 应十分明显。另外，三维滑动面不一定包含二维滑动线，如忽略这一点，就可 能出现三维小于二维的情况。1 9 8 7 年o h u n g r 4 5 】把b i s h o p 简化法推广到三维 情况，并将它应用于实际工程，得到比较理想的结果。1 9 8 8 年张欣【4 6 】等将 p r i c e 方法推广到三维情况，其计算结果与三维弹塑性有限元计算结果比较接 近，但它只适合于规则的滑面。1 9 9 9 年冯树仁【4 7 】等提出了一种边坡稳定性的三 维极限平衡分析方法，该方法忽略了条块间垂直向的剪力能够进行最小稳定安 全系数的搜索，冯等将它应用于实际工程，得到了比较满意的结果，但该方法 计算滑动推力较复杂。 ( - - ) 三维数值软件应用及分析 徐卫亚【4 8 】等人应用f i n a l 及r o c k y 程序对水布垭马崖高陡边坡岩体地 下开挖进行三维数值模拟，研究了边坡岩体内进行地下洞室开挖后边坡力学状 态的改变及洞室岩体( 含岩柱) 的稳定性研究中进行了各种分步开挖工况下的削 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 坡有效性定量研究，重要工况还同时进行了vi 度地震作用下的动力作用分析。 董志明、刘洪兴1 4 9 j 结合北盘江大桥工程实例，利用大型通用a n s y s 软件的强大 图形与网格划分功能建立了前处理模型，并应用a n s y s 中参数化设计语言 a p d l 将模型导入三维快速拉格朗日差分法软件f l a c 3 d 中进行计算模拟，再 应用f l a c 3 d 内嵌的f i s h 语言将计算数据转化到科技绘图软件t e c p l o t 中进行 后处理分析，最后将数值模拟结果与模型试验结果进行对比，取得了令人满意的 结果。范景伟、何江达等 5 0 l 对老鸦岩隧道进口段边坡在天然状态下，原预应力 群锚、补充预应力群锚条件下的稳定性进行了三维弹塑性有限元分析，得出该 边坡在补充预应力群锚支护下能达到稳定要求。徐平等【5 1 1 1 9 9 9 年进行了溢洪道 冲刷对未整治和削坡整治后的马崖高边坡稳定性影响，包括变形形态、应力状 态和塑性区分布等的三维弹塑性有限元分析，由计算结果认识到，泄洪冲刷将 引起马崖的上部边坡朝坡外且向下变形，削坡整治后的边坡变形和塑性屈服区 均较未整治时小，削坡整治有利于马崖高边坡的整体稳定。 总体来说，随着三维有限元理论和各种三维数值分析软件发展，目前对边 坡的三维研究已有许多新的进展，但对高陡边坡尤其是荷载作用下岩体力学行 为特征的研究较少，没有系统的分析其规律性。 1 3 论文主要研究内容 本论文为了达到确定三维状态下马水河大桥桥基位置以及对其在此桥位下 稳定性的判断的目的，首先研究了高陡岸坡岩体在桥基荷载作用下的应力和位 移特征，揭示桥基荷载作用下岩体应力和位移的变化规律，对三维状态桥基荷 载作用下高陡岩体边坡的应力分布特征进行初步探讨，从而大致确定出边坡的 应力影响范围范围，进而对三维状态下桥基位置的确定方法进行初步探讨。将 此方法用于确定马水河大桥的桥基位置，并进行稳定性评价。具体研究内容如 下： ( 1 ) 针对马水河大桥万州岸的实际情况，研究了坡面为平面的岸坡桥基位置 的确定方法。建立模型，研究了荷载作用下坡面为平面的岸坡的应力影响范围 ( 纵向和横向) 和影响深度与坡度的关系，对荷载作用下不同坡度岸坡的位移 特征进行分析，并由此得出此类岸坡三维状态下的桥基位置确定方法，确定除 万州岸的合理桥基位置。 ( 2 ) 针对马水河大桥宜昌岸的实际情况，研究了坡面为凸面的岸坡桥基位置 的确定方法。建立模型，研究了荷载作用下坡面为平面的岸坡的应力影响范围 ( 纵向和横向) 和影响深度与坡度以及两坡面的平面夹角的关系，对荷载作用 下不同坡度和两坡面的平面夹角岸坡的位移特征进行分析，并由此得出此类岸 坡三维状态下的桥基位置确定方法，确定出宜昌岸的合理桥基位置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 3 ) 以以上确定的桥基位置和现场参数建立两岸的实际计算模型，对此桥基 位置下的岸坡稳定性从应力影响范围、岸坡坡面位移特征和岸坡岩体强度分析 等方面进行评价，得到实际桥基位置下马水河大桥岸坡稳定的结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章马水河大桥桥址区地质条件 2 1 马水河大桥设计方案及其区域地质构造 2 1 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，拟建中的宜昌一万州铁路将在湖 北恩施北面建始县东南侧跨越马水河。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。桥梁设计为连续t 构方案，里程为c k 2 1 0 + 1 9 6 9 7 c k 2 1 0 + 4 4 3 5 7 ，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 。 图2 1 马水河大桥布置图 2 1 2 马水河大桥桥址区区域地质构造特征 马水河大桥桥址区地质构造主要属新华夏系联合弧形构造，是在东西向差 异性挤压和南北向挤压的联合作用下而形成的，其合应力主方向为北西南东 向。在此应力的作用下，形成一系列北北东走向的褶曲带。而桥址区正位于白 杨向斜北西翼，沿此向斜无明显的断裂带。 2 2 马水河大桥桥址地质概况及野外初步分析 2 2 1 宜万线马水河大桥桥址地质概况 马水河大桥位于宜万线恩施段，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 - 2 、2 - 3 ) ，桥址处地质概况如下。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第”页 图2 2 万州端岸坡 图2 3 宜昌端岸坡 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 1 2 1 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侧，马水河河面宽约1 0 0 m ， 流量为2 8 6 4 m 3 s ，桥址处河流走向约1 6 0 0 ，线路走向约2 5 5 0 ，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，一长约1 0 0 m 的公路桥横跨该河。 桥址位于低山区，植被较发育，以灌木为主，河岸附近地形较陡峭，其自 然坡度4 0 0 7 0 0 ，山坡多基岩裸露，岸坡高达1 1 0 1 5 0 m 。宜昌岸岸坡坡度约 7 0 0 ，万州岸岸坡中下部修有一公路，路面标高距河面近5 0 m ，公路路面以下岸 坡坡度约4 5 0 ，以上岸坡因开挖坡度约7 0 0 ，在岸坡下部局部因修筑公路堆积有 人工弃碴( 灰岩块石) 。两岸岸坡坡顶地表溶蚀现象严重，溶沟、溶槽较发育。 2 2 1 2 地层岩性及岩体结构特征 马水河大桥桥址处出露基岩为三叠系下统( t i ) 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。宜昌岸上部为嘉陵组( t l j ) 中厚层灰岩，下部为大冶组( t l d ) 薄层夹中厚层灰岩，两套地层呈整合接触， 产状较稳定，为1 1 5 0 l 3 0 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 0 l 2 4 0 。两岸岩体节理发育，其特征如表2 1 、2 - 2 所示。 表2 - 1 万州岸岸坡岩体节理特征 2 2 1 3 地质构造 马水河大桥桥址区地质构造较简单，为单斜构造，局部发育小型褶曲。 2 2 1 4 水文地质条件 马水河大桥宜昌岸岸坡中溶洞较发育，尤其受垂直节理影响，岸坡中部发 育有呈垂直状的较大溶洞，底部有一与河水相通的溶洞为季节性暗河出口。 2 2 1 5 不良地质 桥址处岩溶较发育，施工时注意观察基底岩溶发育对基础稳定性的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 测区地震烈度为度，其工程影响较小、。 2 2 2 稳定性的野外初步分析 马水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，按野外所 测回弹值计算得新鲜岩石单轴抗压强度为5 6 4 8 m p a 。该桥基础的稳定性由两岸 岸坡的稳定性和墩基下岩体强度共同决定。野外调查表明，桥基岸坡岩体结构 较完整，岩体强度较高，岸壁稳定，未见岩体有明显变形和破坏现象，也未见 有可能导致岸坡失稳的大型滑移或崩塌破坏的边界条件。根据野外调查，对岸 坡稳定性初步分析如下。 2 2 2 1 万州端岸坡稳定性的野外初步分析 万州岸岸坡的岩层层理是顺层的，倾角2 4 0 ，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， 但加载后是否会沿顺层层理发生滑移则需进一步分析；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。 桥址处地质构造简单，对岸坡稳定基本无影响 2 2 2 2 宜昌端岸坡稳定性的野外初步分析 宜昌岸岸坡的岩层层理是反倾的，这有利于岸坡稳定。主节理( 倾向与层 理或岸坡倾向最相近的节理) 却是顺倾的，倾角较陡，且大于岸坡倾角，故天 然状态下是偏于稳定的。故天然状态下，顺倾主节理和反倾层理是有利于岸坡 稳定的，但加载后产生的水平力与垂向力使岸坡坡面岩体沿主节理有翻转与溃 屈的可能，因此有待进一步分析。以上观测可作为室内分析的基础和模型。 桥址处地质构造简单，对岸坡稳定基本无影响。 岸坡中发育的溶洞，因其受走向与坡向近平行的节理控制，且较大溶洞距 桥基有一定距离，初步分析其工程影响不大，但建议施工时注意观察基底岩溶 发育对基础稳定性的影响。 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。 ”上述表明，马水河大桥桥址处不存在大规模的岸坡失稳，可作为定测桥位。 设桥后岸坡的稳定性，主要决定于加载后岩体的变形和强度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章万州岸桥基位置的确定 由第2 章马水河大桥地质概况可知，万州岸可视为坡面为平面的岸坡，为 了研究三维状态下其桥基位置的确定方法，首先建立坡面为平面的岸坡的基本 模型，得到荷载作用下此类岸坡的应力影响范围和位移特征，进而分析得到万 州岸合理的桥基位置。 岩体具有不连续的特征，但它不是无条件具备连续介质特征的，在某些情 况下，岩体可具备连续介质特征，可以用连续介质理论对其进行分析。如：结 构面不连续延展，切割不成分离的结构体，而具有完整结构岩体的特征；碎裂 结构岩体在较高的围压力下结构面闭合，在摩擦作用下，使之在传递应力或变 形、破坏过程中结构面不起主导作用；在人工改造作用下使其结构面人工愈合， 碎裂结构岩体变成完整结构岩体。对于高陡岸坡，宏观尺寸上百米甚至数百米， 即使岩体结构面发育，将岩石切割成细小的块体，但其尺寸相对于边坡来说是 很小的，因此从统计平均的意义上讲，可以认为它是均匀的、各向同性的，但 其材料力学属性如弹性模量、泊松比等应以等效弹性模量及等效泊松比等代替。 也有很多具有不连续面的岩体边坡，可以通过人工处理手段，如锚固、灌浆等 加固措施，使不连续面的影响减小，以至岩体可视为均匀各向同性连续介质。 高边坡岩体力学行为特征受多种因素的影响，对可视为均匀各向同性连续 介质的岩体边坡，即均质边坡。利用有限元程序，对荷载作用下均质高陡边坡 岩体力学行为特征分析，获得高陡边坡岩体力学行为特征及其变化规律，为高 陡桥基边坡桥基位置确定提供理论基础。 3 1 基本模型 均质高边坡分析模型中均包括以下边坡几何参数，边坡几何参数包括坡高、 坡度，分别用h 和磙示。桥基长度用l 表示，宽度用b 表示桥基埋深用d 表 示，桥基水平距离用s 表示。 数值分析采用的荷载强度参考值g = 1 0 m p a ，一般桥梁工程实际中较少大于 该值。 分析模型示意图如图3 i 所示。为消除边界影响，模拟范围向坡脚和坡后适 当延伸，坡脚向外延伸l 倍坡高，坡后延伸1 5 倍坡高。模型左右两端面水平约 束，底面竖直约束。边坡岩体采用三维八节点实体单元，基础附近和坡脚区域 网格加密，网格单元长边一般控制在2 m 以内，远离桥基位置网格单元长边控 制在8 m 以内，整体模型一约9 0 0 0 0 - 1 2 0 0 0 0 个单元。 桥基采用线弹性材料：弹性模量e = 2 5 g p a ，泊松比为0 2 5 ，密度产2 7 k n 缅3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 岩体采用线弹性材料：弹性模量e = 2 9 g p a ，泊松比为0 2 ，a 皴? ：2 6 k n m 3 。 图3 1 模型网格划分示意图 3 2 竖直荷载作用下高边坡岩体基本力学行为特征 假定基本模型参数h = 2 0 0 m ，a = 8 0 0 ，l = 1 5 m ，b = 1 0 m ，s = 1 5 m ，d = - 2 m ，分 析该模型下高边坡的基本应力特征。由于荷载改变的是岩体的初始应力状态， 是对岩体初始应力的扰动，采用与岩体初始应力对比的方式较合理，即采用应 力影响系数。应力影响系数用( r ) 表示，其定义如下： 叩：旦 其中：q 表示由桥基荷载产生的附加最大主应力；o o 表示由岩体自重产生 的最大主应力，即岩体的初始应力。 3 2 1 边坡岩体应力特征 3 2 1 1x y 剖面应力分布 自然边坡应力的分布特征已有较多的研究成果，最大主应力总体上随深度 的增加而增加，一般在坡脚处产生应力高度集中区。竖向荷载作用下高边坡岩 体三维应力分布规律如图3 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图3 2 竖向荷载作用下高边坡岩体三维应力分布d 荷载作用主要改变了基础附近岩体应力分布状态，因此要从基础中心作剖 面更好的分析荷载的应力。从图3 3 3 5 可以看出，基底下方产生高度应力集 中现象，特别是最大主应力，在基底及坡脚处高度集中。剪应力在基底两侧呈 近似对称分布，形成基底两侧剪应力集中区。 图3 3 高边坡应力分布彩云图0 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 图3 4 高边坡应力分布彩云图瓯 图3 5 高边坡应力分布彩云图瓴y 3 2 1 2 y - z 剖面应力分布 三维状态下荷载作用下桥基岸坡应力分布特征的分析还要从y - z 剖面沿基 础中心剖面应力分布进行分析。 如图3 6 所示，荷载作用下桥基岸坡最大主应力在基础两侧出现应力集中， 并且基础底部最大主应力等值线在达到一定深度时较为平直，说明基础产生的 附加应力对岸坡的影响深度接近极限，即超过一定深度基础对岸坡岩体的影响 可以忽略。还可以看出，最大主应力沿基础中心对称分布，并且在基础两缘应 力高度集中，岩体易于破坏。剪应力在基底两侧呈近似对称分布，形成基底两 侧剪应力集中区。 西南交通大学硕士研究生学位论文第侣页 图3 6 沿基础中心y - z 剖面最大主应力云图 图3 7 沿基础中心y - z 剖面最小主应力云图 图3 8 沿基础中心y - z 剖面剪应力云图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 3 2 2 边坡岩体应力影响范围 图3 9 表示荷载对边坡岩体应力的影响，以应力影响系数表示。从图中可以 看出，荷载对基底岩