卸荷裂隙巖體在橋基荷載作用下的力學(xué)行為研究

冷　濤，年夫喜

(1.湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖北 武漢 430070； 2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院， 湖北 武漢 430070)

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卸荷裂隙巖體在橋基荷載作用下的力學(xué)行為研究

冷濤1，年夫喜2

(1.湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖北 武漢 430070； 2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院， 湖北 武漢 430070)

為研究卸荷裂隙附近巖體在橋基荷載作用下的力學(xué)行為，在分析橋基和巖體相互作用以及裂隙模擬方法的基礎(chǔ)上，建立了二維有限元模型，分析卸荷裂隙不同的深度和傾角下，裂隙表面的位移和應(yīng)力影響系數(shù)變化情況。結(jié)果表明：橋基荷載下，裂隙表面的位移以豎向位移為主；應(yīng)力影響系數(shù)隨著裂隙深度先增加后減小，最后趨于固定值；卸荷裂隙傾角達(dá)到90°時(shí)，應(yīng)力影響系數(shù)急劇增大，這說明豎向裂隙對(duì)邊坡的應(yīng)力影響最大。

卸荷裂隙；傾角；深度；應(yīng)力影響系數(shù)

巖體是在漫長的地質(zhì)作用過程中形成的一種特殊介質(zhì)，是巖石單元體(巖塊)和結(jié)構(gòu)面(節(jié)理、裂隙、斷層等)網(wǎng)絡(luò)組成的集合體。卸荷裂隙主要是由于自然地質(zhì)作用和人工開挖使巖體應(yīng)力釋放和調(diào)整而形成的，而重力、風(fēng)化及岸坡的物理地質(zhì)作用將會(huì)使裂隙進(jìn)一步張開或位移[1]。開展卸荷裂隙巖體的研究，不僅可以加深對(duì)工程巖體力學(xué)行為及破壞機(jī)理的認(rèn)識(shí)，而且對(duì)巖體工程的設(shè)計(jì)及加固處理起到重要作用[2]。針對(duì)卸荷裂隙巖體的研究，目前主要集中在兩方面：(1) 巖體卸荷裂隙的性質(zhì)研究。王毅等[3]為了探尋高邊坡巖體裂隙發(fā)育規(guī)律，采用單位面積節(jié)理數(shù)和裂隙開度作為研究指標(biāo)。錢康等[4]著重探討了裂隙的形態(tài)特征、分布范圍以及與地形、斷裂、風(fēng)化水文地質(zhì)條件的關(guān)系。黃達(dá)等[5]以裂隙巖體物理模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究2種卸荷應(yīng)力路徑下裂隙巖體的強(qiáng)度、變形及破壞特征和裂隙的擴(kuò)展演化過程和力學(xué)機(jī)制。顏峰等[6]在線彈性斷裂力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，建立了裂隙巖體的概化模型，并分析了裂隙巖體在不同卸荷條件下(包括最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力)的應(yīng)力強(qiáng)度因子和變形特性。(2) 裂隙巖體的穩(wěn)定性研究。王亻弟剴等[7]利用邊坡監(jiān)測(cè)成果，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況以及可能的失穩(wěn)模式，分析了大崗山右岸邊坡卸荷裂隙密集帶變形的施工響應(yīng)關(guān)系，總結(jié)卸荷裂隙密集帶的變形特征，并分析其對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。戴妙林等[8]以白鶴灘拱壩勘Ⅰ線左岸天然巖質(zhì)邊坡為對(duì)象，對(duì)陡傾角卸荷裂隙的因素進(jìn)行了敏感性分析,并初步評(píng)價(jià)了天然狀態(tài)邊坡的穩(wěn)定性。王靖等[9]對(duì)安徽省績溪抽水蓄能電站左岸高邊坡的裂隙實(shí)際特征進(jìn)行概化并進(jìn)行數(shù)值分析。趙文[10]和王春雷[1]采用自己建立的基本模型，卸荷裂隙采用接觸單元來分析卸荷巖體力學(xué)特性，但是其模型是理想化的，不符合實(shí)際工程情況。除此之外，孫樹林等[11]、張曉欣等[12]、張正波等[13]和蔡德所等[14]也開展了卸荷裂隙方面的研究工作。

卸荷裂隙是一種較為特殊的節(jié)理，在橋基荷載產(chǎn)生的壓力和側(cè)向推力作用下，卸荷裂隙和橋基附近的巖體力學(xué)行為也將發(fā)生變化，勢(shì)必會(huì)影響橋基邊坡的穩(wěn)定性。本文以華坪—麗江高速公路金沙江大橋的華坪岸橋基邊坡為研究對(duì)象，在分析橋基和巖體相互作用以及裂隙模擬方法的基礎(chǔ)上，建立了二維有限元模型，分析卸荷裂隙不同的深度和傾角下，裂隙表面的位移和應(yīng)力影響系數(shù)，為橋基位置的確定和工程穩(wěn)定性提供參考數(shù)據(jù)。

1　工程簡介

國家高速公路網(wǎng)G4216成都—麗江高速公路華坪—麗江段(以下簡稱華麗高速)是云南省高速公路網(wǎng)“三縱三橫，九大通道”中的第一橫華坪—麗江—蘭坪—六庫中的一段。路線起點(diǎn)K0+000起于在建麗攀高速公路華坪至滇川界至攀枝花高速公路起點(diǎn)K180+000處，途經(jīng)華坪縣、永勝縣、古城區(qū)、玉龍縣，路線止點(diǎn)K169+926止于玉龍縣拉市海接在建的大理至麗江高速公路K187+700處。路線全線位于麗江市境內(nèi)，全長169.926 km[11]。

華麗高速公路的控制性工程——金安金沙江大橋處于玄武巖及多層凝灰?guī)r軟弱夾層地層區(qū)，跨徑逾千米。麗江岸為逆向坡，2 000 m高程以下較陡，陡崖發(fā)育，存在失穩(wěn)條件。華坪岸為順向坡，基巖裸露受多條小型沖溝切割，岸坡上陡崖多呈三面臨空姿態(tài)。橋址邊坡的穩(wěn)定性對(duì)大橋建設(shè)至關(guān)重要。其中華坪岸岸坡在平硐勘察中發(fā)現(xiàn)岸坡存在卸荷帶，根據(jù)已有硐探資料，一般正常卸荷水平發(fā)育深度約30 m～48 m，最深達(dá)90余米。目前橋基初步設(shè)定位置位于卸荷裂隙后部。

2　計(jì)算分析

2.1計(jì)算模型

建立橋基邊坡的幾何模型如圖1(a)所示。其中邊坡表面是以華坪岸橋基和卸荷帶附近岸坡表面原型為基礎(chǔ)建立的。圖1(a)中的H和φ分別表示卸荷裂隙深度和傾角。有限元?jiǎng)澐志W(wǎng)格劃分如圖1(b)所示，采用四節(jié)點(diǎn)線性單元?jiǎng)澐?。邊界條件采用底面固定約束，側(cè)面法向約束，橋基施加荷載大小為867 kN/m。

圖1卸荷裂隙邊坡圖(單位：m)

2.2計(jì)算方案

模型基本參數(shù)設(shè)為H=30 m，φ=60°，模型中考慮卸荷裂隙完全張開。為考慮不同的卸荷裂隙特性對(duì)橋基荷載作用的力學(xué)影響，本分析包括以下2種情況：(1) 裂隙深度H改變，H=10 m～70 m，φ=60°；(2) 裂隙傾角φ改變，φ=60°～90°，H=30 m。

2.3計(jì)算參數(shù)

巖體采用Mohr-Coulomb模型，基礎(chǔ)為線彈性，具體計(jì)算模型參數(shù)參考文獻(xiàn)[11]如表1所示。

表1　計(jì)算參數(shù)

2.4評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

外界荷載(如橋基荷載)的作用，必然引起巖體應(yīng)力和位移的改變。本節(jié)采用位移和應(yīng)力影響系數(shù)表示荷載對(duì)邊坡力學(xué)行為的影響。其中應(yīng)力影響系數(shù)η的定義[10]為：

(1)

其中：σq表示由橋基荷載產(chǎn)生的附加最大主應(yīng)力；σ0表示由巖體自重產(chǎn)生的最大主應(yīng)力，即巖體的初始應(yīng)力。

荷載作用在卸荷邊坡時(shí)，僅對(duì)卸荷帶和橋基附近的巖體力學(xué)行為產(chǎn)生明顯影響。因此，我們選取卸荷裂隙表面為分析重點(diǎn)。

3　結(jié)果分析

3.1卸荷裂隙深度的影響

不同卸荷裂隙深度H時(shí)巖體變形及應(yīng)力影響系數(shù)在卸荷裂隙面的變化如圖2～圖4所示。

圖2　水平位移隨卸荷裂隙深度的變化

圖3豎向位移隨卸荷裂隙深度的變化

從圖2、圖3可以看出：(1) 橋基荷載對(duì)卸荷裂隙表面的水平位移影響基本維持在1 mm以內(nèi)；(2) 豎向位移基本隨著裂隙深度線性變化，越靠近邊坡表面，位移越大；(3) 橋基荷載對(duì)卸荷裂隙表面的豎向位移影響比水平位移大，這主要是由于施加的荷載是豎向的。

由于卸荷裂隙尖端會(huì)產(chǎn)生高度應(yīng)力集中現(xiàn)象，在分析應(yīng)力影響系數(shù)隨深度的變化時(shí)，剔除裂隙尖端點(diǎn)的應(yīng)力影響系數(shù)，繪制成圖4。從圖4中可以看出：(1) 應(yīng)力影響隨著卸荷裂隙深度先增大后減小，最后基本趨于穩(wěn)定；(2) 橋基荷載產(chǎn)生的應(yīng)力影響系數(shù)最大值并不在巖體表面，而是距離巖體表面有一段距離，且最大值深度基本不變；(3) 當(dāng)裂隙深度H>30 m，應(yīng)力影響系數(shù)隨深度的變化曲線基本重合。

圖4應(yīng)力影響系數(shù)隨卸荷裂隙深度的變化

3.2卸荷裂隙傾角的影響

考慮卸荷裂隙角度φ變化時(shí)，巖體的變形及應(yīng)力影響系數(shù)在卸荷裂隙面的變化如圖5～圖7所示。

圖5　水平位移隨卸荷裂隙傾角的變化

圖6　豎向位移隨卸荷裂隙傾角的變化

圖7應(yīng)力影響系數(shù)隨卸荷裂隙傾角的變化

從圖5、圖6可以看出：(1) 隨著裂隙傾角的增加，橋基荷載在卸荷裂隙表面引起的水平和豎向位移均有大幅增加，但相比豎向位移，水平位移較??；(2) 橋基荷載在卸荷裂隙表面產(chǎn)生的豎向位移最大值在邊坡的表面。

和3.1節(jié)類似，剔除卸荷裂隙尖端的應(yīng)力集中點(diǎn)后，將應(yīng)力影響系數(shù)隨卸荷裂隙深度的變化情況繪制成圖7。從圖7中可以看出：(1) 應(yīng)力影響系數(shù)最大值隨著裂隙傾角的增加和邊坡表面的距離增大；(2) 應(yīng)力影響系數(shù)隨著卸荷裂隙傾角的增加而增大，在卸荷裂隙傾角達(dá)到90°時(shí)，應(yīng)力影響系數(shù)急劇增大，這說明豎向裂隙對(duì)邊坡的應(yīng)力影響最大。

4　結(jié)　論

卸荷裂隙對(duì)巖體的力學(xué)行為有重要的影響，本文以華坪高速公路華坪岸橋基邊坡為依托，開展了卸荷裂隙不同深度和傾角下巖體力學(xué)行為的研究，得出以下結(jié)論:

(1) 裂隙表面的位移以豎向位移為主，水平位移可忽略。

(2) 應(yīng)力影響系數(shù)隨著裂隙深度先增加后減小，最后趨于固定值。橋基荷載產(chǎn)生的應(yīng)力影響最大值距離邊坡表面有一定距離。

(3) 當(dāng)卸荷裂隙深度H>30 m，應(yīng)力影響系數(shù)隨深度的變化曲線基本重合。

(4) 隨著裂隙傾角的增加，應(yīng)力影響系數(shù)隨著卸荷裂隙傾角的增加而增大，在卸荷裂隙傾角達(dá)到90°時(shí)，應(yīng)力影響系數(shù)急劇增大，這說明豎向裂隙對(duì)邊坡的應(yīng)力影響最大。

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[6]顏峰,姜福興.卸荷條件下的裂隙巖體力學(xué)特性研究[J].金屬礦山,2008(6):36-40.

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[14]蔡德所，羅先啟，蔡元奇.開挖卸荷對(duì)三峽左岸壩段節(jié)理裂隙巖體的影響[J].武漢水利電力大學(xué)(宜昌)學(xué)報(bào),1998,20(3):6-10.

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Mechanical Behavior of Rock Mass near Unloading Crack Under Load

LENG Tao1, NIAN Fuxi2

(1.HubeiWaterResourcesTechnicalCollege,Wuhan,Hubei430070,China; 2.HubeiInvestigationandDesignInstituteofWaterConservancyandHydropower,Wuhan,Hubei430070,China)

To study the mechanical behavior of rock mass near the stress-release crack under bridge foundation load, a two-dimensional finite element model was developed based on fracture simulation method and the analysis of the interaction between rock mass and the bridge foundation. Then the model was used to calculate the displacement and stress influence coefficient changed with different depth and stress-release crack angle. The results show that the vertical displacement is the main displacement of the fracture surface and the stress influence coefficient increases initially and then decreases with the changing of depth, and finally reaches to a fixed value under the bridge foundation load. When the angle of the tress-release crack reaches 90°, the stress influence coefficient increase sharply which means the vertical crack has the major impact on slope stress.

unloading crack; dip angle; depth; stress effect coefficient

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.034

2016-03-07

2016-04-01

冷濤(1974—)，男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)及巖石邊坡研究工作。E-mail：406944957@qq.com

TD313

A

1672—1144(2016)04—0173—04