上坝大桥岩质岸坡稳定性数值分析

任 勇，冯 强，韩 蒙

(西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

西南地区铁路工程建设在很大程度上受到沿线各种地质灾害以及地形条件的制约，线路主要采用桥梁、隧道工程方式行进在高山巨川之间［1-2］。本文以纳界河大桥岩质岸坡为研究对象，采用 ANSYS有限元法［3-5］，对大桥岸坡在天然状态和荷载作用下稳定性进行模拟分析，从而得到该边坡的应力、变形和强度演化特征，确定强度破坏的区域和面积，为今后研究云南地区该类高陡岩质边坡提供参考。

1 工程概况

上坝大桥位于云南省施甸县，左岸有乡村公路相通，右岸则仅有山间小路，桥址区交通条件相对较好。桥址区为黔北中低山地貌，地面高程1 130～1 439 m，相对高差309 m。初步拟建桥位横跨滥枣河，为深切河谷地貌。上坝桥址选择地段的流向为北西向，河床整体呈“V”字形，左右两岸岸坡底部陡峭，高度达十几米，坡度达到60°;岸坡中部坡度相对较缓，坡度约为45°，顶部坡度近直立。左侧坡体基岩大量出露，坡体表面植被较发育;右侧坡体大部分被基岩风化物覆盖，局部有出露，坡体表面植被较发育，桥址区范围内无居民点分布。

左岸桥址处地层岩性主要为白云质灰岩，灰白色、肉红色。桥址处顶层为微风化到中风化灰岩，灰白色，层理面不明显，局部可见节理裂隙较为发育，顶部植被茂密。右岸处为黄色、灰色泥质灰岩，中厚层 ～厚层状。层面产状:47°∠42°，中等风化程度，岩体表面有溶蚀现象，岸坡顶部基岩可见，植被茂密，未发现地下水出露于地表。

2 数值模拟分析

采用有限单元法对边坡岩体力学行为进行分析，数值分析通过有限元软件ANSYS10.0实现，分析岸坡岩体在天然状态下、桥梁荷载作用下的力学响应。

2.1 参数选取

计算中岩体采用D-P本构模型。结合该段工程地质报告及经验数据，整个边坡分碎石土与白云岩2种地层，相关力学参数如表1所示，其中混凝土桥基的力学参数取无限大。桥梁荷载取3 364 058 kN。

表1 材料力学参数

2.2 网格划分及边界条件

混凝土桥基、岩体、碎石土层均采用平面8节点PLANE82号单元，坡体附近网格加密，天然状态与桥梁荷载作用计算模型如图1、图2所示。边界条件为横向左右边界水平方向(X方向)约束，底边界全约束，重力加速度取10 m/s2。

2.3 岸坡岩体稳定性有限元分析

在进行岸坡岩体应力特征的分析时，主要关注的是桥基附近岩体的应力状态，因此下面主要对线路纵剖面的岩体应力状态进行研究。

2.3.1 天然状态下

图1 天然状态下岸坡计算模型

图2 桥梁荷载作用下岸坡计算模型

由图3可看出，最大主应力与埋深呈线性关系，坡脚及变坡点附近形成应力集中区，两岸最大主应力可达3.0 MPa以上，但仍远低于岩体的抗压强度。

由图4可看出，最小主应力在坡面上局部形成拉应力，坡面附近最小主应力方向几乎与坡面平行，向坡内逐渐正常化，逐渐变化为与埋深呈线性关系。右岸坡顶上岩体最小主应力形成拉张区，总坡面和坡顶上形成的拉应力对岸坡岩体的稳定不利。

图5表示剪应力在坡脚和变坡点附近同样形成应力集中现象，特别是坡脚，剪应力值较大，最大可达1.0 MPa左右，在陡坡与缓坡的变坡点处，剪应力也较大，这对坡脚及变坡点附近岩体的稳定不利。

通过有限元强度折减法得到［6-7］，左岸、右岸岸坡在自然状态下的安全系数分别为2.00，2.20，处于稳定状态。

2.3.2 荷载作用下

图3 线路纵剖面岩体最大主应力分布特征

图6表示桥梁荷载作用下桥梁基础附近岩体最大主应力分布特征。与天然状态相比，基底附近岩体最大主应力状态发生了明显的改变，特别是基础底部，均产生了应力集中现象，应力值明显增大，但应力集中的范围并不大，远离基础的岩体应力并未受到太大的影响。从图6中可以更加清楚地看出，基础附近岩体最大主应力全为压应力。右岸基础附近岩体开挖后，最下部桥基处出现最大主应力集中现象，应力可达1.0 MPa以上。左岸与右岸类似，在桥基下部出现最大主应力集中现象，应力最大值可达3.0 MPa。

图5 线路纵剖面岩体剪应力分布特征

桥梁基础附近岩体最小主应力特征如图7所示。基底附近岩体最小主应力受到很大的影响，基底两侧岩体因桥梁荷载产生了较大的张应力，但范围仅限于基础附近很小区域。两岸坡面上岩体局部均存在拉应力现象，岸坡岩体有拉张破坏的条件。

图8表示桥梁荷载作用下基础附近岩体剪应力分布特征，除岸坡变坡点附近存在剪应力集中现象以外，受荷载影响，基底还存在局部剪应力集中现象，其中最下部主墩基础底部剪应力集中的范围较大，并且附近开挖后覆盖层岸坡中也同时由于应力集中产生了塑性变形区，其它基础底部剪应力集中程度及范围均较小。剪应力集中表明该区域岩体存在剪切破坏的可能性较大。

通过有限元强度折减法得到，左岸、右岸边坡在桥梁荷载作用下的安全系数分别为1.60，1.70，基本处于稳定状态。

图6 桥梁荷载作用下桥基附近岩体最大主应力

图7 桥梁荷载作用下桥基附近岩体最小主应力

图8 桥梁荷载作用下桥基附近岩体剪应力

3 结论及建议

1)总体上来看，岸坡应力场特征表现出明显受重力场控制的河谷应力场特征。同时受岸坡岩体结构特征及岩性组合的影响，岸坡应力场在软硬岩性变化带附近出现较大的变化，而岩性相对均匀的部位应力值变化较均匀。

2)天然状态下，两岸谷底及陡坡段坡脚存在最大主应力集中现象，但最大主应力远低于岩体抗压强度，岩体不会因不满足抗压强度而破坏，坡面和坡顶局部存在拉应力，对岸坡岩体的稳定不利。

3)桥梁荷载作用下，基底岩体应力存在局部应力集中现象，远离桥基时，岩体应力状态逐渐与天然岩体应力状态一致。桥梁荷载的作用，使原本远离桥基的塑性应变区呈现向桥基下方岩体中发展的趋势，使桥基下方岩体中出现局部塑性区。桥梁荷载对坡面岩体应力影响较大，岸坡岩体是否破坏，需要进行强度校核。另外，对于大桥的两个主墩放置于较厚的覆盖层中，从有限元分析结果看，主墩开挖后较厚的覆盖层中产生塑性变形区，因此主墩施工开挖过程中应注意覆盖层岸坡的稳定性，需采取一定的防护措施。

4)沿线路剖面方向有限元计算结果表明，左岸、右岸两岸坡基本稳定，自然状态下安全系数分别为2.00，2.20，桥梁荷载作用下安全系数分别为1.60，1.70。

［1］张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理［M］.北京:地质出版社，1981.

［2］黄润秋.中国西部岩石高边坡发育的动力过程及典型变形破坏机理研究［C］∥第八次全国岩石力学与工程学术大会，2004:78-87.

［3］李权.ANSYS在土木工程中的应用［M］.北京:人民邮电出版社，2005.

［4］刘阳，宋亚林.岩质边坡稳定性分析理论探讨［J］.中国西部科技，2008，7(21):19-20.

［5］贾东远，阴可，李艳华.岩石边坡稳定性分析方法［J］.地下空间，2004，24(2):250-255.

［6］陈华，房锐，赵有明，等.基于有限元强度折减法的岩石高边坡稳定性分析［J］.公路，2009(10):83-86.

［7］郑颖人，赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(19):3381-3383.

［8］朱赞成，徐化祥，宋卫东，等.大黑山钼矿非永久性边坡稳定性研究［J］.铁道建筑，2007(6):65-68.

［9］王春雷，王华，封辉.荷载作用下高陡边坡岩体力学行为三维数值分析［J］.铁道建筑，2007(6):52-54.