宜萬鐵路上跨峽谷巖石岸坡設計

宜萬鐵路上跨峽谷巖石岸坡設計

宜萬鐵路穿越鄂西中山脈，地勢陡峭，河谷深度，通常為峽谷。峽谷高陡巖石岸坡受巖性、巖體結構、不連續(xù)面、地應力、水文條件、施工條件等諸多不確定因素的影響,變形破壞機制十分復雜。而跨越峽谷的大跨度橋梁結構荷載大、對變形極為敏感。因此,準確評價高陡巖石岸坡的穩(wěn)定性,合理地確定橋梁基礎的設置位置,對于橋梁墩臺基礎的設計極為重要。1利結構面破壞力學分析高陡巖石岸坡最主要的問題是穩(wěn)定問題。邊坡受層面、節(jié)理、斷層等不利結構面組合影響,易產生不穩(wěn)定巖體及不良地質體,可根據不利結構面的位置、產狀、類型、充填及膠結情況、含水情況、粗糙度、組合關系等,確定合理的物理力學參數,采用極限平衡分析理論以及平面破壞、楔體破壞、折線破壞等破壞模式進行巖體的穩(wěn)定性分析。此外,本文采用了有限元方法對高陡巖石岸坡進行無荷、有荷兩種情況下應力場模擬,并結合極限平衡分析法的推導關系式、巖體質量法的統(tǒng)計分析關系式等確定穩(wěn)定坡角,選擇合理的橋基位置。2自然因素穩(wěn)定邊坡本文所指高陡岸坡的穩(wěn)定坡角主要是針對節(jié)理巖體而言,是指岸坡在正常的自然條件下,如降雨符合地區(qū)多年降水規(guī)律,地震烈度在區(qū)域基本地震裂度以內等,由于崩塌、卸荷剝落、風化、凍脹等因素影響,經過漫長的地質歷史時期形成的穩(wěn)定邊坡的坡角。主要采用以下兩種方法綜合確定岸坡的穩(wěn)定坡角。2.1確定一般巖石邊坡穩(wěn)定坡度與巖石質量指標的關系西南交通大學謝強《道路巖石邊坡坡度確定方法的研究》(中國公路學報,2001.2)一文,將約200個公路、鐵路巖石邊坡作為樣本,結合設計及工程修建的實踐,確定了以下一般巖石邊坡的穩(wěn)定坡度與巖石質量指標的定量關系表達式:α=γh{14.7ln(γw×R×logD)+13}(1)式中:α——邊坡的穩(wěn)定坡角;R——HT75回彈儀回彈值;D——巖體塊度(cm);γw——地下水影響折減系數;γh——高度折減系數。部分參數取值見表1、表2。2.2臨界破壞面傾角極限平衡分析法是工程實踐中應用最早、最為普遍使用的定量分析方法。假設邊坡屬于平面破壞,建立邊坡的二維模型如圖1所示。根據極限平衡理論可推出該邊坡的穩(wěn)定安全系數為K={γH(ctgβ-ctgα)sinβcosβtgф+2C}/γH(ctgβ-ctgα)sin2β(2)假定其處于臨界平衡狀態(tài),令K=1,對β變量進行求導,并令C(β)′=0,則可證明當β=0.5(α+ф)時,C有極大值,邊坡巖體平面破壞最易于發(fā)生。因此,高陡巖石岸坡的臨界破壞面傾角可據此采用下式確定βpc=0.5(a+φ)(3)式中:βpc——臨界破壞面傾角;a——自然岸坡坡角;φ——巖體內磨擦角。3高陡巖岸邊坡的有限計算分析3.1最大主應力繪制某巖石岸坡σ1、σ3等值曲線圖,如圖2、圖3。坡腳σ1、σ3均出現應力集中現象;最大主應力σ1自坡面至坡內由0逐漸過渡到正常狀態(tài),并與埋藏深度存在明顯的線性關系;最小主應力σ3自坡腳至岸坡內約1倍坡高范圍內產生畸變。根據上述計算分析可以看出,高陡巖石岸坡邊坡效應影響范圍為邊坡高度的約1倍距離,而橋梁基礎的設置多處于邊坡效應影響區(qū)。3.2橋基距岸坡邊緣至最大主應力故本文主要以基底最大主應力來分析邊坡巖體的應力變化及破壞。當坡高一定時,受邊坡效應影響,橋基距岸坡邊緣越近,基礎下最大主應力值越大;當橋基距岸坡超過某一特定的距離時,基礎下最大主應力值漸趨于穩(wěn)定值。因此,可以得出以下結論:當橋梁基礎的標高不變時,基礎設置距岸坡邊緣超過某一特定影響距離時,基本可以消除邊坡效應對基底最大主應力的影響。3.3邊坡效應分析建立邊坡的有限元分析模型,邊坡坡角為70°;基礎埋深為10m,N=100000kN,E=30000Mpa,μ=0.25,ρ=2600kg/m3,令H等于20m、80m、160m,分析基礎處于不同位置時底部最大主應力受邊坡效應影響的情況(見圖4、5、6)。根據上述分析:對于不同高度的高陡巖石岸坡,當基礎距岸坡坡面的距離大于5m以上,基底最大主應力基本上處于正常狀態(tài)。3.4邊坡影響距離為準確研究邊坡坡度(θ)與基礎設置的邊坡影響距離(Lmax)的關系,邊坡模型坡高取80m,采用有限元方法分析坡角為50°、70°及90°三種情況下(見圖7、8、9)基礎設置的邊坡影響距離(Lmax)。根據上述分析:對于不同坡度的高陡巖石岸坡,當基礎距岸坡坡面的距離大于5m以上,基底應力基本上處于正常的應力狀態(tài),受邊坡坡度的影響較小。4邊坡巖體應力應變特性分析宜萬鐵路自然岸坡高度多小于200m,巖體內最大主應力值多小于10MPa,而邊坡巖體強度較高且風化程度較輕,其中極限抗壓強度多大于30MPa。因此,本文有限元分析將邊坡巖體視為線彈性體分析應力及應變特征是可行