高陡边坡桥基位置的确定

高陡边坡桥基位置的确定

0桥基位置计算目前，该桥的基本端部分设计基于半弹性空间的“负载”，即基地只需满足承受索赔要求。这种算法在平缓的地表上是合理的,而在高陡岸坡上就存在重大缺陷。建在高陡岸坡上的桥基,不仅考虑承载力,且要考虑在桥梁荷载作用下桥基处岸坡岩体的稳定性。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,并提供了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表,但该法适合于较矮的边坡,对高陡边坡桥基位置的确定并不完全适用。《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,但对桥基水平距离的确定并未给出明确的方法。目前实际工程中主要采用经验法、稳定坡角法和应力分析法来确定高陡边坡桥基的水平距离。经验法需调查大量本地区或类似高边坡的相关数据,操作性较差;有学者在调查和统计的基础上,提出了边坡自然稳定坡角的概念,认为将桥基置于稳定坡角线以内即可;而应力分析法认为外荷载作用下边坡岩体力学行为是决定桥基安全位置最主要的因素,该法一般借助数值分析法进行计算。稳定坡角法则需对边坡自然稳定坡角进行综合分析判断,受主观因素影响较大,同时边坡高度越大,稳定坡角对桥基位置的影响越大,每变化1度可影响十多米,从而使得结果偏于保守。应力分析法是近年来提出的高陡边坡桥基位置确定的新方法,该法认为:若岩体应力影响范围未到达边坡坡面,则边坡坡面岩体应力不受荷载影响,坡面岩体保持原始稳定状态,边坡不会产生整体破坏,桥基位置是可行的;反之,坡面岩体可能不稳定,桥基位置不合理。应力影响范围是否达到坡面,主要看坡面岩体最大应力影响系数ηmax,若ηmax小于确定应力影响范围的影响系数限值,则应力影响范围未到达坡面,反之亦然。因此只要求出坡面岩体应力影响系数最大值ηmax,再根据岩体质量确定应力影响系数限值,即可判定桥基位置的合理性。在确定应力影响范围时,首先应选择一个应力影响系数值η作为标准,确定应力影响范围的应力影响系数限值应根据岩体质量而定,然而该值目前尚无确定方法。边坡工程的设计原则是尽量减小对地质体的扰动,具体即指对边坡应力水平的扰动,故可以此作为确定桥基位置S的基准,即随着桥基位置距临空面顶部水平距离越远,桥梁荷载对坡面的影响越小。当桥基位置超过某值(设为Smin)后,桥梁荷载对地质体应力的影响趋于稳定,且最大压应力和最大拉应力分别低于岩石的抗压强度和抗拉强度时,则Smin即为合理的桥基位置。这里可以最大应力影响系数ηmax进行判断。桥梁荷载对边坡岩体应力的影响以应力影响系数η表示式中σq为由桥基荷载产生的附加应力;σ0为由岩体自重产生的应力,即岩体的初始应力。对于三维问题,应分别计算桥梁荷载对σ1,σ2,σ3的影响,通常只考虑桥梁荷载q对最大主应力σ1和最小主应力σ3的影响,即有式中η1,η3分别是桥梁荷载对最大主应力、最小主应力的应力影响系数;σ1001,σ3003分别是自重荷载时的最大主应力和最小主应力;σ1,σ3分别是桥梁和自重荷载同时作用时的最大主应力、最小主应力;σ1qq1,σ3qq3分别为最大附加主应力、最小附加主应力。根据数值计算方法,可得到考虑桥梁荷载前后地质体的应力分布,从而可求出应力影响系数的空间分布情况,重点分析临空面节点的应力影响系数,继而可拟合出ηmax与S的关系式,基于此可根据应力分析法原理确定桥基位置Smin,具体判别方法为式中σs,σt分别为基岩的抗压强度、抗拉强度。当上述条件同时满足时,对应的Smin即为所求。1高高高跨板桥基结构及数值模型FLG特大桥桥址区属峡谷地貌区,桥轴线经过的最高高程为1138m,位于BG岸桥台处;最低高程为834m,位于峡谷沟底,切割深度约304m。峡谷两岸为悬崖绝壁,地势险峻。BG岸中部坡度略缓,坡度约60°,上下均为直立悬崖,上部悬崖高约20m,下部悬崖高约190m植被发育,为灌木和乔木,地表基本无第四系堆积;SJ岸中部为一坡度约20°～40°的平台,宽约230m,地表被第四系崩坡积块石土覆盖,植被不发育;上下为直立悬崖,上部悬崖高约80m,下部悬崖高约85m。峡谷两岸坡顶为单面山斜坡,坡度20°。根据地质勘查资料,该区基岩以中厚层灰岩为主。仅在SJ一侧剖面表层有1～5m厚第四系块石土覆盖,其对桥基位置的影响很小,可忽略不计,故三维数值模型中岩体均为中厚层灰岩,灰岩容重为2750kN/m3,弹性模量为4.0×1010Pa,泊松比为0.22,抗压强度为7.0×107Pa,抗拉强度为1.0×107Pa。根据桥梁结构设计资料,BG和SJ侧承台截面尺寸均为22.2m×25.4m。BG侧承台承担上部荷载为47200t,可计算得到受荷强度q=837.06kPa;SJ侧承台承担上部荷载为59800t,可计算得到受荷强度q=1060.51kPa。根据FLG特大桥拟布置位置,以桥梁中心断面为中心,顺沟谷方向两侧各延伸200m,建立三维数值模型,见图1。模型底部和四个侧面的法向方向位移均约束。按8种工况进行分析:①工况1:自重;②工况2:自重+桥梁荷载q,BG桥基距坡顶距离HB=20m,SJ桥基距坡顶距离HS=10m;③工况3:自重+桥梁荷载q,HB=24m,HS=14m;④工况4:自重+桥梁荷载q,HB=28m,HS=18m;⑤工况5:自重+桥梁荷载q,HB=32m,HS=22m;⑥工况6:自重+桥梁荷载q,HB=36m,HS=26m;⑦工况7:自重+桥梁荷载q,HB=40m,HS=30m;⑧工况8:自重+桥梁荷载q,HB=44m,HS=34m。2桥基合理位置及与桥梁荷载影响系数根据有限元分析结果,统计了各种工况时最大主应力和最小主应力的最大值和最小值,所有工况中最大压应力为19.5MPa,最大拉应力为0.40MPa,均远低于灰岩的强度。根据有限元应力分析结果,按照上述原理计算了主剖面的应力影响系数,见图2～图4(因篇幅仅列工况2、工况5、工况8)。由图2～图4可知:桥梁荷载对最大主应力的影响系数较大值位于桥梁内侧,而对最小主应力的影响系数较大值分布于桥基两侧,其中外侧最远可达到边坡坡面,可见桥梁荷载对最小主应力的影响程度大于对最大主应力的影响程度,且对最小主应力的影响更不利于桥基岩体间的稳定。判断桥基合理位置应以对临空面的应力影响程度作为标准,图5给出了沟谷两侧临空面坡面上的ηmax-S曲线关系。由图5看出:临空面上的应力影响系数与主断面坡面线上的应力影响系数分布规律类似,均服从幂函数分布规律,且当BG桥基距坡顶水平距离超过40m后,桥基位置对应力影响系数的影响也趋于稳定,当SJ桥基距坡顶水平距离超过30m后,桥基位置对应力影响系数的影响趋于稳定。3桥基合理位置计算基