渝黔鐵路烏江大橋左岸邊坡穩(wěn)定性評價

李曉凡，徐正宣，王佳亮

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

渝黔鐵路工程是我國正在規(guī)劃建設(shè)中的大型重點工程之一，線路全長345 km，設(shè)計速度250 km/h，建成后，列車運(yùn)行時間將從現(xiàn)在的11 h縮短至1 h36 min。整條線路橫跨我國西南一系列深山峽谷，鐵路工程建設(shè)在很大程度上受到新構(gòu)造運(yùn)動、活動斷裂及內(nèi)外動力聯(lián)合作用所產(chǎn)生的各類地質(zhì)災(zāi)害的制約。受地形條件限制，線路主要采用橋梁、隧道工程方式穿越高山巨川。其中烏江大橋全長為430.68 m，橋址區(qū)為黔北中低山溶蝕地貌，地面高程605～826 m，相對高差221 m。邊坡上基巖大量出露，由于邊坡高陡，節(jié)理發(fā)育且跨度較大，該橋是整個線路的制約性工程之一?？茖W(xué)預(yù)測邊坡潛在變形破壞模式，合理評價其穩(wěn)定性是該橋梁安全施工和正常運(yùn)營的重要保障。

1 工程地質(zhì)條件

烏江為深切河谷，擬建橋橫跨烏江。該段河流流向為正東向，河床呈“V”字型，岸坡陡峭，局部達(dá)70°。兩側(cè)坡體基巖大量出露。

左岸橋址處巖層主要為灰?guī)r、白云巖。自斜坡頂部至下部可分為4層。

頂層為巨厚層狀～厚層狀灰?guī)r，層理面明顯，局部裂隙發(fā)育，主要為卸荷裂隙，頂部植被茂密。

中上部為中厚層泥巖，淺黃色，表層基本被植被及黏土覆蓋，基巖出露不明顯。

中下部為中厚層狀白云巖，灰白色，弱風(fēng)化，局部裂隙發(fā)育，與層面交錯，有落石現(xiàn)象發(fā)生。

底部巖體為薄～中厚層白云巖，灰白色，刀砍狀構(gòu)造(圖1)，層理明顯，裂隙發(fā)育，靠近烏江水邊溶蝕現(xiàn)象明顯。

圖1 刀砍狀構(gòu)造

烏江左岸巖層產(chǎn)狀N5°E/NW∠15°，巖層走向與線路呈小角度相交。區(qū)內(nèi)巖體受構(gòu)造影響較嚴(yán)重，發(fā)育3 組構(gòu)造節(jié)理:J1，N80°E/NW∠88°;J2，N30°E/SE∠75°～85°;J3，N30°W/NE∠75°～ 86°。3 組節(jié)理均與線路呈小角度相交。均為陡傾角狀，節(jié)理面多呈閉合狀，間距0.3～1.0 m，延伸長度一般0.5～3.0 m，部分＞10 m。

2 荷載作用下岸坡變形破壞模式

基于赤平投影分析，烏江左岸對穩(wěn)定性影響最大的為兩組結(jié)構(gòu)面，即J1和J2，為分析在橋梁荷載作用下岸坡變形破壞模式，采用二維離散元軟件進(jìn)行模擬。

計算時在坡面上選擇6個關(guān)鍵點，記錄這些關(guān)鍵點的位移變化，分析在橋梁荷載作用下岸坡的變形規(guī)律，位移記錄關(guān)鍵點在坡面上的分布如圖2所示，其中A點位于坡頂，B，C，D，F(xiàn)均位于變坡點處，E點位于主墩基底處。

圖2 左岸邊坡位移記錄點

橋梁荷載作用下岸坡巖體位移趨勢如圖3所示。從圖中可以看出，橋梁荷載作用僅影響到基座附近巖體的運(yùn)動，基座附近巖體受荷載影響，位移有所增加。越往岸坡內(nèi)部則巖體位移越來越小，坡面巖體受荷載影響較大的塊體主要分布在基座附近。橋梁荷載增加了邊坡巖體運(yùn)動的趨勢，故認(rèn)為橋梁荷載一定程度上導(dǎo)致了巖體的位移和破壞，但主要集中在坡面上。

圖3 橋梁荷載作用下岸坡巖體位移趨勢

圖4 橋梁荷載作用下邊坡巖體位移變化曲線

橋梁荷載作用下岸坡關(guān)鍵點巖體位移變化曲線如圖4所示。由圖4(a)可以看出，水平位移最大點位于C點，其次為變坡點B點，基座下方巖體水平位移先指向坡內(nèi)，然后隨著巖體的運(yùn)動，水平位移逐漸指向坡外，這與節(jié)理傾角較陡有關(guān)，總的來說水平位移量不大。由圖4(b)可以看出，橋梁荷載作用下豎向位移最大出現(xiàn)在變坡點處。岸坡底部及頂部巖體豎向位移受荷載影響較小，說明橋梁荷載的影響范圍是有限的。

根據(jù)邊坡巖體位移量及運(yùn)動趨勢可知，荷載產(chǎn)生的巖體位移對坡面巖體的運(yùn)動和破壞有一定的影響，特別是橋墩基座附近的巖體，估計荷載作用后邊坡可能產(chǎn)生崩塌落石的范圍參見圖3，相對于天然狀態(tài)下的可能崩塌落石范圍，橋墩基座附近巖體受影響范圍增大，但可能崩塌區(qū)域仍在穩(wěn)定坡角線以外，不影響邊坡和橋基的整體穩(wěn)定。

3 岸坡穩(wěn)定性評價

野外調(diào)查表明，烏江大橋左岸邊坡高陡，邊坡局部應(yīng)力集中，但層間結(jié)合較好，邊坡穩(wěn)定性主要受控于貫通裂隙，坡面局部崩塌落石是兩岸邊坡破壞的主要形式，橋位附近存在楔形危巖體破壞的可能。通過赤平投影法進(jìn)行穩(wěn)定性初步分析表明，被不同數(shù)量的貫通裂隙切割的坡體穩(wěn)定性系數(shù)有顯著的不同。

在定性分析基礎(chǔ)上采用有限元對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計算，本構(gòu)模型采用D-P模型，巖體采用平面8節(jié)點Plane82單元，坡體附近網(wǎng)格加密。邊界條件為橫向左右邊界水平方向(X方向)約束，底邊界全約束。

3.1 天然狀態(tài)下岸坡穩(wěn)定性

圖5為天然狀態(tài)下邊坡巖體應(yīng)力分布云圖，從圖中能清楚地看到岸坡主應(yīng)力的分布規(guī)律?？梢?，最大主應(yīng)力與埋深呈線性關(guān)系，坡腳及變坡點附近形成應(yīng)力集中區(qū)，最大主應(yīng)力可達(dá)3 MPa以上，但仍遠(yuǎn)低于巖體的抗壓強(qiáng)度。剪應(yīng)力在坡腳和變坡點附近同樣形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是坡腳，剪應(yīng)力值較大，最大可達(dá)1 MPa左右，在陡坡與緩坡的變坡點處，剪應(yīng)力也較大。

圖5 天然狀態(tài)下邊坡巖體應(yīng)力分布云圖(單位:Pa)

通過有限元強(qiáng)度折減法得到，邊坡在自然狀態(tài)下的安全系數(shù)為1.70，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 橋梁荷載作用下岸坡穩(wěn)定性

圖6 橋梁荷載作用下橋基附近巖體應(yīng)力分布云圖(單位:Pa)

圖6為橋梁荷載作用下橋梁基礎(chǔ)附近巖體應(yīng)力分布云圖。由圖6(a)可見，與天然狀態(tài)相比基底附近巖體最大主應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了明顯的改變，特別是基礎(chǔ)底部，均產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值明顯增大，但應(yīng)力集中的范圍并不大，遠(yuǎn)離基礎(chǔ)的巖體應(yīng)力并未受到太大的影響?；A(chǔ)附近巖體最大主應(yīng)力全為壓應(yīng)力?；A(chǔ)附近巖體開挖后，最下部橋基處出現(xiàn)最大主應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力可達(dá)1.0 MPa以上。由圖6(b)可見，除邊坡變坡點附近存在剪應(yīng)力集中現(xiàn)象以外，受荷載影響，基底還存在局部剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中最下部主墩基礎(chǔ)底部剪應(yīng)力集中的范圍較大，其它基礎(chǔ)底部剪應(yīng)力集中程度及范圍均較小。剪應(yīng)力集中表明該區(qū)域巖體存在剪切破壞的可能性較大。

通過有限元強(qiáng)度折減法得到，邊坡在橋梁荷載作用下的安全系數(shù)為1.40，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

1)橋梁荷載作用主要影響橋墩基座附近巖體的位移，主要表現(xiàn)為在一定程度上增大了巖體的豎向位移，同時加速了橋墩基座上方巖體的運(yùn)動，對巖體穩(wěn)定不利。

2)天然狀態(tài)下，兩岸谷底及陡坡段坡腳存在最大主應(yīng)力集中現(xiàn)象，但最大主應(yīng)力遠(yuǎn)低于巖體抗壓強(qiáng)度，坡面和坡頂局部存在拉應(yīng)力，對邊坡巖體的穩(wěn)定不利。

3)橋梁荷載作用使原本遠(yuǎn)離橋基的塑性應(yīng)變區(qū)向橋基下方巖體中發(fā)展，使橋基下方巖體中出現(xiàn)局部塑性區(qū)。

4)強(qiáng)度折減法有限元計算結(jié)果表明，岸坡整體穩(wěn)定性較好，天然狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)為1.70，橋梁荷載作用下穩(wěn)定性系數(shù)為1.40。

5)邊坡整體穩(wěn)定，但坡面巖體局部會產(chǎn)生崩塌落石，建議清除墩臺基礎(chǔ)以上坡面危巖落石，必要時對坡面巖體進(jìn)行防護(hù)。橋基下方巖體在橋梁荷載作用下產(chǎn)生局部塑性區(qū)，建議采取加固措施。

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