卸荷裂隙岩体在桥基荷载作用下的力学行为研究

冷　涛，年夫喜

(1.湖北水利水电职业技术学院， 湖北 武汉 430070； 2.湖北省水利水电规划勘测设计院， 湖北 武汉 430070)



卸荷裂隙岩体在桥基荷载作用下的力学行为研究

冷涛1，年夫喜2

(1.湖北水利水电职业技术学院， 湖北 武汉 430070； 2.湖北省水利水电规划勘测设计院， 湖北 武汉 430070)

为研究卸荷裂隙附近岩体在桥基荷载作用下的力学行为，在分析桥基和岩体相互作用以及裂隙模拟方法的基础上，建立了二维有限元模型，分析卸荷裂隙不同的深度和倾角下，裂隙表面的位移和应力影响系数变化情况。结果表明：桥基荷载下，裂隙表面的位移以竖向位移为主；应力影响系数随着裂隙深度先增加后减小，最后趋于固定值；卸荷裂隙倾角达到90°时，应力影响系数急剧增大，这说明竖向裂隙对边坡的应力影响最大。

卸荷裂隙；倾角；深度；应力影响系数

岩体是在漫长的地质作用过程中形成的一种特殊介质，是岩石单元体(岩块)和结构面(节理、裂隙、断层等)网络组成的集合体。卸荷裂隙主要是由于自然地质作用和人工开挖使岩体应力释放和调整而形成的，而重力、风化及岸坡的物理地质作用将会使裂隙进一步张开或位移[1]。开展卸荷裂隙岩体的研究，不仅可以加深对工程岩体力学行为及破坏机理的认识，而且对岩体工程的设计及加固处理起到重要作用[2]。针对卸荷裂隙岩体的研究，目前主要集中在两方面：(1) 岩体卸荷裂隙的性质研究。王毅等[3]为了探寻高边坡岩体裂隙发育规律，采用单位面积节理数和裂隙开度作为研究指标。钱康等[4]着重探讨了裂隙的形态特征、分布范围以及与地形、断裂、风化水文地质条件的关系。黄达等[5]以裂隙岩体物理模型试验为基础，研究2种卸荷应力路径下裂隙岩体的强度、变形及破坏特征和裂隙的扩展演化过程和力学机制。颜峰等[6]在线弹性断裂力学理论的基础上，建立了裂隙岩体的概化模型，并分析了裂隙岩体在不同卸荷条件下(包括最小主应力和最大主应力)的应力强度因子和变形特性。(2) 裂隙岩体的稳定性研究。王亻弟剀等[7]利用边坡监测成果，并根据现场的地质情况以及可能的失稳模式，分析了大岗山右岸边坡卸荷裂隙密集带变形的施工响应关系，总结卸荷裂隙密集带的变形特征，并分析其对边坡稳定的影响。戴妙林等[8]以白鹤滩拱坝勘Ⅰ线左岸天然岩质边坡为对象，对陡倾角卸荷裂隙的因素进行了敏感性分析,并初步评价了天然状态边坡的稳定性。王靖等[9]对安徽省绩溪抽水蓄能电站左岸高边坡的裂隙实际特征进行概化并进行数值分析。赵文[10]和王春雷[1]采用自己建立的基本模型，卸荷裂隙采用接触单元来分析卸荷岩体力学特性，但是其模型是理想化的，不符合实际工程情况。除此之外，孙树林等[11]、张晓欣等[12]、张正波等[13]和蔡德所等[14]也开展了卸荷裂隙方面的研究工作。

卸荷裂隙是一种较为特殊的节理，在桥基荷载产生的压力和侧向推力作用下，卸荷裂隙和桥基附近的岩体力学行为也将发生变化，势必会影响桥基边坡的稳定性。本文以华坪—丽江高速公路金沙江大桥的华坪岸桥基边坡为研究对象，在分析桥基和岩体相互作用以及裂隙模拟方法的基础上，建立了二维有限元模型，分析卸荷裂隙不同的深度和倾角下，裂隙表面的位移和应力影响系数，为桥基位置的确定和工程稳定性提供参考数据。

1　工程简介

国家高速公路网G4216成都—丽江高速公路华坪—丽江段(以下简称华丽高速)是云南省高速公路网“三纵三横，九大通道”中的第一横华坪—丽江—兰坪—六库中的一段。路线起点K0+000起于在建丽攀高速公路华坪至滇川界至攀枝花高速公路起点K180+000处，途经华坪县、永胜县、古城区、玉龙县，路线止点K169+926止于玉龙县拉市海接在建的大理至丽江高速公路K187+700处。路线全线位于丽江市境内，全长169.926 km[11]。

华丽高速公路的控制性工程——金安金沙江大桥处于玄武岩及多层凝灰岩软弱夹层地层区，跨径逾千米。丽江岸为逆向坡，2 000 m高程以下较陡，陡崖发育，存在失稳条件。华坪岸为顺向坡，基岩裸露受多条小型冲沟切割，岸坡上陡崖多呈三面临空姿态。桥址边坡的稳定性对大桥建设至关重要。其中华坪岸岸坡在平硐勘察中发现岸坡存在卸荷带，根据已有硐探资料，一般正常卸荷水平发育深度约30 m～48 m，最深达90余米。目前桥基初步设定位置位于卸荷裂隙后部。

2　计算分析

2.1计算模型

建立桥基边坡的几何模型如图1(a)所示。其中边坡表面是以华坪岸桥基和卸荷带附近岸坡表面原型为基础建立的。图1(a)中的H和φ分别表示卸荷裂隙深度和倾角。有限元划分网格划分如图1(b)所示，采用四节点线性单元划分。边界条件采用底面固定约束，侧面法向约束，桥基施加荷载大小为867 kN/m。

图1卸荷裂隙边坡图(单位：m)

2.2计算方案

模型基本参数设为H=30 m，φ=60°，模型中考虑卸荷裂隙完全张开。为考虑不同的卸荷裂隙特性对桥基荷载作用的力学影响，本分析包括以下2种情况：(1) 裂隙深度H改变，H=10 m～70 m，φ=60°；(2) 裂隙倾角φ改变，φ=60°～90°，H=30 m。

2.3计算参数

岩体采用Mohr-Coulomb模型，基础为线弹性，具体计算模型参数参考文献[11]如表1所示。

表1　计算参数

2.4评价指标的选取

外界荷载(如桥基荷载)的作用，必然引起岩体应力和位移的改变。本节采用位移和应力影响系数表示荷载对边坡力学行为的影响。其中应力影响系数η的定义[10]为：

(1)

其中：σq表示由桥基荷载产生的附加最大主应力；σ0表示由岩体自重产生的最大主应力，即岩体的初始应力。

荷载作用在卸荷边坡时，仅对卸荷带和桥基附近的岩体力学行为产生明显影响。因此，我们选取卸荷裂隙表面为分析重点。

3　结果分析

3.1卸荷裂隙深度的影响

不同卸荷裂隙深度H时岩体变形及应力影响系数在卸荷裂隙面的变化如图2～图4所示。

图2　水平位移随卸荷裂隙深度的变化

图3竖向位移随卸荷裂隙深度的变化

从图2、图3可以看出：(1) 桥基荷载对卸荷裂隙表面的水平位移影响基本维持在1 mm以内；(2) 竖向位移基本随着裂隙深度线性变化，越靠近边坡表面，位移越大；(3) 桥基荷载对卸荷裂隙表面的竖向位移影响比水平位移大，这主要是由于施加的荷载是竖向的。

由于卸荷裂隙尖端会产生高度应力集中现象，在分析应力影响系数随深度的变化时，剔除裂隙尖端点的应力影响系数，绘制成图4。从图4中可以看出：(1) 应力影响随着卸荷裂隙深度先增大后减小，最后基本趋于稳定；(2) 桥基荷载产生的应力影响系数最大值并不在岩体表面，而是距离岩体表面有一段距离，且最大值深度基本不变；(3) 当裂隙深度H>30 m，应力影响系数随深度的变化曲线基本重合。

图4应力影响系数随卸荷裂隙深度的变化

3.2卸荷裂隙倾角的影响

考虑卸荷裂隙角度φ变化时，岩体的变形及应力影响系数在卸荷裂隙面的变化如图5～图7所示。

图5　水平位移随卸荷裂隙倾角的变化

图6　竖向位移随卸荷裂隙倾角的变化

图7应力影响系数随卸荷裂隙倾角的变化

从图5、图6可以看出：(1) 随着裂隙倾角的增加，桥基荷载在卸荷裂隙表面引起的水平和竖向位移均有大幅增加，但相比竖向位移，水平位移较小；(2) 桥基荷载在卸荷裂隙表面产生的竖向位移最大值在边坡的表面。

和3.1节类似，剔除卸荷裂隙尖端的应力集中点后，将应力影响系数随卸荷裂隙深度的变化情况绘制成图7。从图7中可以看出：(1) 应力影响系数最大值随着裂隙倾角的增加和边坡表面的距离增大；(2) 应力影响系数随着卸荷裂隙倾角的增加而增大，在卸荷裂隙倾角达到90°时，应力影响系数急剧增大，这说明竖向裂隙对边坡的应力影响最大。

4　结　论

卸荷裂隙对岩体的力学行为有重要的影响，本文以华坪高速公路华坪岸桥基边坡为依托，开展了卸荷裂隙不同深度和倾角下岩体力学行为的研究，得出以下结论:

(1) 裂隙表面的位移以竖向位移为主，水平位移可忽略。

(2) 应力影响系数随着裂隙深度先增加后减小，最后趋于固定值。桥基荷载产生的应力影响最大值距离边坡表面有一定距离。

(3) 当卸荷裂隙深度H>30 m，应力影响系数随深度的变化曲线基本重合。

(4) 随着裂隙倾角的增加，应力影响系数随着卸荷裂隙倾角的增加而增大，在卸荷裂隙倾角达到90°时，应力影响系数急剧增大，这说明竖向裂隙对边坡的应力影响最大。

[1]王春雷.桥基荷载作用下三维高边坡岩体力学行为及桥基位置确定的研究[D].成都：西南交通大学，2005.

[2]吴刚.工程岩体卸荷破坏机制研究的现状及展望[J].工程地质学报,2001,9(2):174-181.

[3]王毅,聂德新,任光明.一种高边坡岩体卸荷分带方法的探讨[J].工程地质学报, 2004,12(1):83-86.

[4]钱康，罗征均.漫湾电站坝区卸荷裂隙发育特征及工程地质特性研究[J].水利水电技术,1994(7):27-32．

[5]黄达，黄润秋.卸荷条件下裂隙岩体变形破坏及裂纹扩展演化的物理模型试验[J].岩石力学与工程学报,2010,29(3):502-512．

[6]颜峰,姜福兴.卸荷条件下的裂隙岩体力学特性研究[J].金属矿山,2008(6):36-40.

[7]王亻弟剀，王界雄，董瑜斐.大岗山水电站卸荷裂隙密集带对高陡边坡稳定性的影响与分析[J].长江科学院院报，2014,31(11):87-91.

[8]戴妙林,朱大栋.陡倾角卸荷裂隙对岩质边坡应力场的敏感性分析[J].吉林水利，2005(5):14-17.

[9]王靖，江金亮，张京斌.绩溪抽水蓄能电站上库左岸卸荷裂隙对边坡岩体位移的影响分析[J].科技世界，2014(25):113-114．

[10]赵文.荷载作用下高陡边坡岩体力学行为及桥基位置确定方法研究[D].成都：西南交通大学，2005.

[11]孙树林，侯玉宾.边坡水平卸荷裂隙的突变理论模型[J].河海大学学报，1997，25(6)：4-7.

[12]张晓欣,田小甫.卸荷裂隙对岩体边坡地震动影响的数值模拟研究[J].科技资讯，2013(20)：6-970．

[13]张正波，王东坡，何思明.岩体裂隙开挖卸荷扩展机理研究[J].西藏科技,2012(4):59-63．

[14]蔡德所，罗先启，蔡元奇.开挖卸荷对三峡左岸坝段节理裂隙岩体的影响[J].武汉水利电力大学(宜昌)学报,1998,20(3):6-10.

[15]中科院武汉岩土力学研究所．华丽高速公路金安金沙江大桥桥址边坡稳定性评价报告[R].武汉:中科院武汉岩土力学研究所，2015.

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

冷涛(1974—)，男，湖北武汉人，高级工程师，主要从事水工结构及岩石边坡研究工作。E-mail：406944957@qq.com

TD313

A

1672—1144(2016)04—0173—04