纳界河岩质边坡稳定性数值分析

叶慧君

(浙江省龙泉市村镇建设管理处，浙江 龙泉 323700)

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。

1 工程概况

纳界河特大桥位于清镇市与织金县交界处大寨村。该区属贵州高原的灰岩、白云岩地带，溶蚀、侵蚀现象比较严重，加之地形起伏大，河流冲刷强烈，故山间深切河谷地貌十分发育，河谷两侧常形成高陡的绝壁。纳界河流流向近似正北，河面宽约100m，两岸上部及下部陡峭，且岸坡呈三阶平台，坡度近直立，最下一阶即靠近河水的台阶有凌空面出露。大桥桥位位于纳界河谷的“V”型峡谷处，河道比较平直，河流强烈下切，岸坡近于直立，局部岸壁坡度50～60°。两边山体相对高差10～330m，桥高约320m。在桥址范围，坡面植被发育，多为灌木丛。基岩零星出露，覆盖层一般较薄，大部分出现溶沟、溶槽等现象，其内部土层稍厚。

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

计算中岩体为采用D－P本构模型。结合该段工程地质报告及经验数据，整个边坡均质灰岩地层，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732522.7 kN。

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2.2 网格划分及边界条件

混凝土桥基、岩体均采用平面8节点PLANE82号单元，坡体附近网格加密。边界条件为横向左边界水平方向(X方向)约束，底边界全约束，重力加速度取10m/s2。

2.3 岸坡岩体稳定性有限元分析

在进行边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，因此下面主要从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 纵剖面岩体最大主应力分布特征

由图1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4.0MPa以上，但仍远低于岩体的抗压强度。

图2 纵剖面岩体最小主应力分布特征

由图2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。左岸坡顶上岩体最小主应力形成拉张区，容易使得节理裂隙在拉张作用力下延伸发展，形成局部崩塌落石，故总坡面和坡顶上形成的拉应力对边坡岩体的稳定不利。

图3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，两岸最大可达2.0MPa左右。这些地方岩体易受到剪切破坏而发生错动滑移，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、右岸边坡在自然状态下的安全系数分别为1.60、1.90，处于稳定状态。

2.3.2 荷载作用下

图4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。左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1.0MPa以上。右岸与左岸类似，在桥基下部出现最大主应力集中现象，应力最大值可达3.0MPa。

图3 纵剖面岩体剪应力分布特征

图4 桥梁荷载作用下桥基附近岩体最大主应力

图5 桥梁荷载作用下桥基附近岩体最小主应力

图6 桥梁荷载作用下桥基附近岩体剪应力

桥梁基础附近岩体最小主应力特征如图5所示。从图中可以看出，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部分区域。总的看来，两岸坡面上岩体局部均存在拉应力现象，边坡岩体有拉张破坏的条件，可形成局部崩塌落石。

图6表示桥梁荷载作用下基础附近岩体剪应力分布特征，除边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，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1.30、1.40，基本处于稳定状态。

3 结论及建议

(1)利用二维有限元对岸坡岩体力学行为进行分析结果表明，天然状态下，两岸谷底及陡坡段坡脚存在主应力集中现象，坡面和坡顶局部存在拉应力，可能造成岩体拉张破坏，两岸桥基下方陡坡底及谷底存在局部塑性区，但从长期来看，两岸边坡桥基下方及上方楔形危岩体可能产生局部的岩体破坏，对边坡岩体的稳定不利。

(2)强度分析结果表明，桥梁荷载作用下，基底岩体应力在基础附近存在应力集中现象，荷载对坡面岩体应力的影响较大，远离桥基时，岩体应力状态逐渐与天然岩体应力状态一致。

(3)两岸边坡基本稳定，自然状态下左岸、右岸安全系数分别为1.60、1.90，桥梁荷载作用下左岸、右岸安全系数分别为 1.30、1.40。

建议:右岸整体上是稳定的，坡面岩体局部会产生崩塌落石，可采用适当加固措施;左岸整体稳定性稍逊于右岸，坡面岩体会产生崩塌落石，并且在桥梁荷载作用下桥基下方岩体产生局部塑性区，可能发生破坏，建议清除两岸墩台基础附近边坡坡面危岩落石，必要时对坡面岩体进行防护。

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