宜萬(wàn)鐵路上跨峽谷巖石岸坡設(shè)計(jì)

宜萬(wàn)鐵路上跨峽谷巖石岸坡設(shè)計(jì)

宜萬(wàn)鐵路穿越鄂西中山脈，地勢(shì)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(jié)構(gòu)、不連續(xù)面、地應(yīng)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(jī)制十分復(fù)雜。而跨越峽谷的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)荷載大、對(duì)變形極為敏感。因此,準(zhǔn)確評(píng)價(jià)高陡巖石岸坡的穩(wěn)定性,合理地確定橋梁基礎(chǔ)的設(shè)置位置,對(duì)于橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)極為重要。1利結(jié)構(gòu)面破壞力學(xué)分析高陡巖石岸坡最主要的問(wèn)題是穩(wěn)定問(wèn)題。邊坡受層面、節(jié)理、斷層等不利結(jié)構(gòu)面組合影響,易產(chǎn)生不穩(wěn)定巖體及不良地質(zhì)體,可根據(jù)不利結(jié)構(gòu)面的位置、產(chǎn)狀、類(lèi)型、充填及膠結(jié)情況、含水情況、粗糙度、組合關(guān)系等,確定合理的物理力學(xué)參數(shù),采用極限平衡分析理論以及平面破壞、楔體破壞、折線(xiàn)破壞等破壞模式進(jìn)行巖體的穩(wěn)定性分析。此外,本文采用了有限元方法對(duì)高陡巖石岸坡進(jìn)行無(wú)荷、有荷兩種情況下應(yīng)力場(chǎng)模擬,并結(jié)合極限平衡分析法的推導(dǎo)關(guān)系式、巖體質(zhì)量法的統(tǒng)計(jì)分析關(guān)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(duì)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?xún)?nèi)等,由于崩塌、卸荷剝落、風(fēng)化、凍脹等因素影響,經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)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(zhì)量指標(biāo)的關(guān)系西南交通大學(xué)謝強(qiáng)《道路巖石邊坡坡度確定方法的研究》(中國(guó)公路學(xué)報(bào),2001.2)一文,將約200個(gè)公路、鐵路巖石邊坡作為樣本,結(jié)合設(shè)計(jì)及工程修建的實(shí)踐,確定了以下一般巖石邊坡的穩(wěn)定坡度與巖石質(zhì)量指標(biāo)的定量關(guān)系表達(dá)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(shù);γh——高度折減系數(shù)。部分參數(shù)取值見(jiàn)表1、表2。2.2臨界破壞面傾角極限平衡分析法是工程實(shí)踐中應(yīng)用最早、最為普遍使用的定量分析方法。假設(shè)邊坡屬于平面破壞,建立邊坡的二維模型如圖1所示。根據(jù)極限平衡理論可推出該邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)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(duì)β變量進(jìn)行求導(dǎo),并令C(β)′=0,則可證明當(dāng)β=0.5(α+ф)時(shí),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(jù)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(nèi)磨擦角。3高陡巖岸邊坡的有限計(jì)算分析3.1最大主應(yīng)力繪制某巖石岸坡σ1、σ3等值曲線(xiàn)圖,如圖2、圖3。坡腳σ1、σ3均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象;最大主應(yīng)力σ1自坡面至坡內(nèi)由0逐漸過(guò)渡到正常狀態(tài),并與埋藏深度存在明顯的線(xiàn)性關(guān)系;最小主應(yīng)力σ3自坡腳至岸坡內(nèi)約1倍坡高范圍內(nèi)產(chǎn)生畸變。根據(jù)上述計(jì)算分析可以看出,高陡巖石岸坡邊坡效應(yīng)影響范圍為邊坡高度的約1倍距離,而橋梁基礎(chǔ)的設(shè)置多處于邊坡效應(yīng)影響區(qū)。3.2橋基距岸坡邊緣至最大主應(yīng)力故本文主要以基底最大主應(yīng)力來(lái)分析邊坡巖體的應(yīng)力變化及破壞。當(dāng)坡高一定時(shí),受邊坡效應(yīng)影響,橋基距岸坡邊緣越近,基礎(chǔ)下最大主應(yīng)力值越大;當(dāng)橋基距岸坡超過(guò)某一特定的距離時(shí),基礎(chǔ)下最大主應(yīng)力值漸趨于穩(wěn)定值。因此,可以得出以下結(jié)論:當(dāng)橋梁基礎(chǔ)的標(biāo)高不變時(shí),基礎(chǔ)設(shè)置距岸坡邊緣超過(guò)某一特定影響距離時(shí),基本可以消除邊坡效應(yīng)對(duì)基底最大主應(yīng)力的影響。3.3邊坡效應(yīng)分析建立邊坡的有限元分析模型,邊坡坡角為70°;基礎(chǔ)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(chǔ)處于不同位置時(shí)底部最大主應(yīng)力受邊坡效應(yīng)影響的情況(見(jiàn)圖4、5、6)。根據(jù)上述分析:對(duì)于不同高度的高陡巖石岸坡,當(dāng)基礎(chǔ)距岸坡坡面的距離大于5m以上,基底最大主應(yīng)力基本上處于正常狀態(tài)。3.4邊坡影響距離為準(zhǔn)確研究邊坡坡度(θ)與基礎(chǔ)設(shè)置的邊坡影響距離(Lmax)的關(guān)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(jiàn)圖7、8、9)基礎(chǔ)設(shè)置的邊坡影響距離(Lmax)。根據(jù)上述分析:對(duì)于不同坡度的高陡巖石岸坡,當(dāng)基礎(chǔ)距岸坡坡面的距離大于5m以上,基底應(yīng)力基本上處于正常的應(yīng)力狀態(tài),受邊坡坡度的影響較小。4邊坡巖體應(yīng)力應(yīng)變特性分析宜萬(wàn)鐵路自然岸坡高度多小于200m,巖體內(nèi)最大主應(yīng)力值多小于10MPa,而邊坡巖體強(qiáng)度較高且風(fēng)化程度較輕,其中極限抗壓強(qiáng)度多大于30MPa。因此,本文有限元分析將邊坡巖體視為線(xiàn)彈性體分析應(yīng)力及應(yīng)變特征是可行