張吉懷鐵路酉水大橋岸坡巖體穩(wěn)定性數(shù)值分析

楊 松

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063）

1 引言

新建張家界至吉首至懷化鐵路（簡稱張吉懷鐵路）位于湖南省湘西地區(qū)。自張家界西站引出，經(jīng)湘西州吉首市，南連懷化南站，線路正線長約246 km。酉水特大橋位于湖南省湘西州古丈縣芙蓉鎮(zhèn)，跨越酉水河、X019縣道及229省道。橋垮布置形式為主跨348 m上承式拱橋。

橋位處酉水河峽谷呈“U”形陡立，兩岸山坡陡峻，岸坡上植被發(fā)育，有基巖出露。岸坡穩(wěn)定分析是橋梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，本文結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，采用數(shù)值分析的方法對(duì)酉水橋岸坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征概況

2.1 地形地貌

橋址區(qū)屬侵蝕剝蝕低山河谷地貌，地面高程221.00～465.00 m，最大高差約244 m，橋位跨越酉水河。酉水河河道順直，河水自西北向東南方向流動(dòng)，水流平緩，河面寬約180 m，河水深約30 m。橋址區(qū)整體地勢為西南、東北兩側(cè)山坡高，中部河谷低，酉水河兩岸地形陡峻，起伏較大。

2.2 地層巖性

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

酉水大橋岸坡巖體主要是灰?guī)r組成的層狀巖體。巖層面產(chǎn)狀327°～335°∠15°～19°，間距0.2～1.5 m，隙寬0.2～5 mm，潮濕，結(jié)構(gòu)面平直粗糙。張家界岸岸坡的巖層方向與岸坡方向近于垂直，對(duì)岸坡的整體穩(wěn)定性影響??；懷化岸正向坡坡度25°，與巖層方向近于垂直，巖層面對(duì)岸坡的整體穩(wěn)定性影響小。

在華夏構(gòu)造體系和新華夏構(gòu)造體系時(shí)期應(yīng)力的作用下，張吉懷鐵路酉水大橋岸坡形成兩組共軛剪節(jié)理。其中與龍溪車-集風(fēng)坪扭性斷裂近于平行的一組節(jié)理定為J1，是橋址區(qū)主要控制性節(jié)理；另一組節(jié)理與木魚坪-灣秋壓扭性斷裂近于平行，定為J2，是橋址區(qū)次要控制性節(jié)理［1-2］。

2.4 水文地質(zhì)條件

橋址區(qū)主要的地表水為酉水河。本段河道是鳳灘水庫主要庫區(qū)河道之一。鳳灘水庫位于沅陵縣境內(nèi)沅水支流酉水下游，下距沅陵縣城45 km。水庫以發(fā)電為主，兼有防洪、航運(yùn)等作用。水庫總庫容17.33億m3，正常水位205m，死水位170m，河水深度最大50 m，屬季調(diào)節(jié)水庫。本次野外調(diào)查時(shí)，橋址區(qū)酉水河水位185.6m。張家界岸橋墩附近沖溝處有溪水流出，水量較大，主要受大氣降雨和地下水補(bǔ)給。

3 數(shù)值模型的建立

本文采用三維有限差分方法［3-6］，建立酉水大橋岸坡三維仿真數(shù)值模型，分析建橋前后兩岸岸坡的力學(xué)行為。

本構(gòu)模型的選擇與岸坡巖體結(jié)構(gòu)相關(guān)。酉水河大橋兩岸岸坡巖體結(jié)構(gòu)具有較大的差別，張家界岸受貫通性節(jié)理J1切割，形成板裂結(jié)構(gòu)，是岸坡的主要工程地質(zhì)問題，建立的岸坡巖體數(shù)值模型應(yīng)考慮節(jié)理J1方向與其法向的力學(xué)性質(zhì)不同，故采用橫觀各向同性本構(gòu)模型。懷化岸右側(cè)50 m處大型沖溝的南東側(cè)為順層坡，建立的岸坡巖體數(shù)值模型應(yīng)考慮巖層面方向與其法向的力學(xué)性質(zhì)不同，故采用橫觀各向同性本構(gòu)模型［7-9］。橋梁基礎(chǔ)采用彈性本構(gòu)模型。結(jié)合該段工程地質(zhì)報(bào)告及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相關(guān)力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

建立張家界岸三維仿真有限差分模型。模型尺寸500 m×100 m×400 m，劃分網(wǎng)格共16萬個(gè)，節(jié)點(diǎn)17萬個(gè)；懷化岸三維仿真有限差分模型尺寸400 m×140 m×400 m，劃分網(wǎng)格共25萬個(gè)，節(jié)點(diǎn)26萬個(gè)。模型底部及四周采用固定邊界條件，其中底邊界約束z方向，左右邊界約束x方向，前后邊界約束y方向。重力加速度取10 m/s2，橋基荷載作用位置為現(xiàn)行設(shè)計(jì)的橋基位置［10-12］。

首先建立建橋前岸坡的有限差分?jǐn)?shù)值模型，分析岸坡的應(yīng)力特征，并確保模型的計(jì)算精度。然后再施加橋梁荷載，分析橋梁荷載作用下岸坡的力學(xué)行為特征，重點(diǎn)分析應(yīng)力狀態(tài)的變化特征，評(píng)價(jià)現(xiàn)有橋梁方案對(duì)岸坡巖體力學(xué)行為的影響。本文主要分析岸坡巖體的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力及位移。

4 建橋前岸坡巖體力學(xué)行為特征

（1）張家界側(cè)

計(jì)算得到建橋前張家界岸岸坡巖體在自重工況下的最小主應(yīng)力狀態(tài)見圖1，圖中負(fù)值表示受壓?？傮w而言，埋深增大，最小主應(yīng)力呈近似線性增大，模型底部的最小主應(yīng)力達(dá)到3.8 MPa。當(dāng)岸坡坡度發(fā)生變化時(shí)，地表應(yīng)力發(fā)生變化。張家界岸岸坡坡腳處及施工便道邊坡坡腳處均為岸坡內(nèi)凹點(diǎn)，為最小主應(yīng)力力集中區(qū)。岸坡為下陡上緩型，岸坡凸起點(diǎn)處最小主應(yīng)力小，局部出現(xiàn)拉應(yīng)力。由于巖體的抗壓強(qiáng)度小，拉應(yīng)力區(qū)往往具有卸荷性質(zhì)，使得節(jié)理張開，這與現(xiàn)場調(diào)查的情況一致。

圖1 張家界岸岸坡最大主應(yīng)力云圖（建橋前）

（2）懷化側(cè)

建橋前懷化岸岸坡巖體在自重工況下的主應(yīng)力狀態(tài)見圖2，圖中負(fù)值表示受壓。埋深增大，最大主應(yīng)力呈近似線性增大，模型底部的最大主應(yīng)力達(dá)到7.8 MPa。岸坡坡腳處應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力約為6.4 MPa，最小主應(yīng)力約為0.8 MPa。省道S229公路邊坡坡腳處應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力約為6.7 MPa，最小主應(yīng)力約為0.9 MPa。在S229公路以上10 m處也出現(xiàn)拉應(yīng)力。

圖2 懷化岸岸坡最大主應(yīng)力云圖（建橋前）

對(duì)比分析兩岸岸坡，張家界岸岸坡內(nèi)凹點(diǎn)處的最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力均較大，而凸點(diǎn)處的最小主應(yīng)力為拉應(yīng)力；懷化岸岸坡坡腳及S229公路邊坡坡腳處的應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力相對(duì)較小，產(chǎn)生的拉應(yīng)力大小及范圍也小于張家界岸岸坡，可以初步判斷張家界岸岸坡的穩(wěn)定性更差。

5 建橋后岸坡巖體力學(xué)行為特征

（1）張家界側(cè)

計(jì)算得到建橋后張家界岸岸坡巖體在橋梁荷載下的主應(yīng)力狀態(tài)見圖3，圖中負(fù)值表示受壓?？傮w而言，橋梁荷載對(duì)模型整體的應(yīng)力分布沒有產(chǎn)生特別大的影響，岸坡應(yīng)力仍然表現(xiàn)為隨著埋深增大，最大主應(yīng)力呈近似線性增大，模型底部的最大主應(yīng)力達(dá)到12 MPa。岸坡地面局部位置出現(xiàn)拉應(yīng)力。

圖3 張家界岸岸坡最大主應(yīng)力云圖（建橋后）

圖4為橋梁荷載作用下巖體最大主應(yīng)力影響系數(shù)等值線圖。從圖中可以看出，荷載對(duì)邊坡巖體應(yīng)力的影響主要集中在橋梁樁基附近，其中張家界岸主墩附近巖體的最大主應(yīng)力是建橋前的1.8倍以上；遠(yuǎn)離基礎(chǔ)時(shí)，最大主應(yīng)力的增量逐漸減小，與基礎(chǔ)底面同一高程的地表處最大主應(yīng)力影響系數(shù)為1.1，表面該處最大主應(yīng)力增大10%，荷載對(duì)坡面巖體應(yīng)力的影響不容忽視。荷載作用下岸坡巖體能否保持穩(wěn)定，仍需要通過強(qiáng)度分析才能確定。

圖4 張家界岸岸坡最大主應(yīng)力影響系數(shù)等值線

計(jì)算得出橋臺(tái)后方地表巖體的水平位移最大，達(dá)到1 mm。公路下方陡立岸坡的水平位移也較大，達(dá)到0.7 mm。這兩個(gè)位置的變形遠(yuǎn)大于其他位置，表明在橋梁荷載作用下，岸坡在這兩處發(fā)生變形的可能性最大，應(yīng)給予重視。豎直方向產(chǎn)生的變形在主墩處最大，為1.7 mm，橋臺(tái)處的豎向變形約為1.2 mm。

（2）懷化側(cè)

計(jì)算得到建橋后懷化岸岸坡巖體在橋梁荷載下的主應(yīng)力狀態(tài)見圖5，圖中負(fù)值表示受壓。總體而言，橋梁荷載對(duì)模型整體的應(yīng)力分布沒有產(chǎn)生特別大的影響。岸坡應(yīng)力仍然表現(xiàn)為隨著埋深增大，最大主應(yīng)力呈近似線性增大，模型底部的最大主應(yīng)力達(dá)到10 MPa。岸坡地面局部位置出現(xiàn)拉應(yīng)力。

圖5 懷化岸岸坡最大主應(yīng)力（建橋后）

圖6為橋梁荷載作用下巖體最大主應(yīng)力影響系數(shù)等值線圖。從圖中可以看出，荷載對(duì)岸坡巖體應(yīng)力的影響主要集中在橋梁樁基附近，其中懷化岸主墩附近巖體的最大主應(yīng)力是建橋前的1.5倍以上；遠(yuǎn)離基礎(chǔ)時(shí)，最大主應(yīng)力的增量逐漸減小，與基礎(chǔ)底面同一高程的地表處最大主應(yīng)力影響系數(shù)為1.2，表面該處最大主應(yīng)力增大20%，荷載對(duì)坡面巖體應(yīng)力的影響不容忽視。

圖6 懷化岸岸坡最大主應(yīng)力影響系數(shù)等值線

計(jì)算得出在荷載作用下，岸坡的地表仍能產(chǎn)生一定的橫向變形，最大水平變形量為1.5 m。基礎(chǔ)底部的最大水平變形為0.75 mm，最大沉降量為4 mm。

6 結(jié)論與建議

（1）建橋前，張家界岸岸坡邊坡凸出點(diǎn)附近出現(xiàn)拉應(yīng)力，岸坡穩(wěn)定性差，易形成陡壁河頂部卸荷型寬張節(jié)理，與現(xiàn)場相符。張家界岸岸坡腳處應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力達(dá)到10 MPa，但仍低于巖體的抗壓強(qiáng)度，巖體不會(huì)因不滿足抗壓強(qiáng)度而破壞。懷化岸省道S229公路上方也出現(xiàn)拉應(yīng)力，坡腳處最大主應(yīng)力較集中?？傮w而言，張家界岸岸坡下陡上緩，應(yīng)力集中現(xiàn)象及拉應(yīng)力發(fā)育程度均較大；懷化岸岸坡坡度相對(duì)較緩，應(yīng)力集中的最大應(yīng)力及拉應(yīng)力發(fā)育程度相對(duì)較弱。

（2）建橋后，橋梁荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力主要分布在橋梁基礎(chǔ)附近，基礎(chǔ)底部最大主應(yīng)力的最大增量為80%。遠(yuǎn)離橋基時(shí)，附加應(yīng)力逐漸減小，但到坡面時(shí)同一高程處仍有10%的應(yīng)力增量。附加應(yīng)力作用于公路下方的板裂巖體，在附加水平力和豎直方向力的共同作用下，促進(jìn)板裂巖體發(fā)生傾倒或潰屈，不利于岸坡的穩(wěn)定性。懷化岸岸坡基礎(chǔ)附近的應(yīng)力也相應(yīng)增大，基底的最大增量為50%。遠(yuǎn)離橋基時(shí)，應(yīng)力逐漸恢復(fù)到建橋前的狀態(tài)。

（3）在橋梁荷載作用下，兩岸主墩處產(chǎn)生2～4 mm的沉降變形。張家界岸岸坡公路下方水平位移約為0.6 mm，遠(yuǎn)大于其周圍巖體的變形，岸坡穩(wěn)定性差。懷化岸岸坡主墩基底的變形指向坡內(nèi)，對(duì)岸坡的穩(wěn)定性有利。但地面的變形指向坡外，最大水平變形達(dá)到1.4 mm。

（4）懷化岸主墩處橫斷面順層邊坡在荷載作用下出現(xiàn)拉應(yīng)力，水平變形為1.5 mm，穩(wěn)定性較差。