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花江北盤(pán)江大橋六枝岸高陡邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)①

2022-07-06 05:03李軍偉胡弘毅梅松華任虎程賀建清
礦冶工程 2022年3期
關(guān)鍵詞:安全系數(shù)軸線邊坡

李軍偉, 胡弘毅, 梅松華, 任虎程, 賀建清

(1.湖南省自然資源調(diào)查所,湖南 長(zhǎng)沙 410014;2.湖南科技大學(xué),湖南 湘潭 411201;3.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410014)

擬建的花江北盤(pán)江大橋是貴州省六枝至安龍高速公路跨越北盤(pán)江大峽谷的一座特大橋梁,系六枝至安龍高速公路的控制性工程。 橋址區(qū)位于貴州省關(guān)嶺縣花江鎮(zhèn)科力寨村至貞豐縣花江村,地形為深切河谷,受北盤(pán)江沖刷侵蝕,河谷呈“V”字型,兩岸呈陡坎地形;可見(jiàn)一級(jí)河流階地,屬于中切峰叢峽谷地貌。 由于擬建大橋地處高山峽谷,兩岸地形變化劇烈,起伏大,橋位岸坡的整體穩(wěn)定性對(duì)保證大橋順利建設(shè)和長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)有著決定性影響[1]。 根據(jù)大橋初步設(shè)計(jì),在橋位(K 線)選擇主跨1 366 m 鋼桁梁懸索橋方案為初步設(shè)計(jì)方案[2]。

如何在穩(wěn)定性分析中反映大橋岸坡的巖體結(jié)構(gòu)特征以及變形破壞模式,是準(zhǔn)確判斷岸坡穩(wěn)定與否的關(guān)鍵[3]。 本文根據(jù)地勘成果,利用工程類比和經(jīng)驗(yàn)方法初步確定邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù),針對(duì)推薦方案,建立北盤(pán)江大橋六枝岸(北岸)邊坡地質(zhì)概化模型,采用極限平衡分析法和基于強(qiáng)度折減原理的三維有限差分FLAC3D軟件,對(duì)花江北盤(pán)江大橋六枝岸(北岸)邊坡進(jìn)行整體穩(wěn)定性計(jì)算分析,綜合評(píng)價(jià)自然邊坡和工程邊坡的穩(wěn)定性,為大橋初步設(shè)計(jì)方案論證提供科學(xué)依據(jù)。

1 邊坡工程地質(zhì)分析

花江北盤(pán)江大橋六枝岸地層巖性為三疊系中統(tǒng)楊柳井組(T2y)厚層、中厚層狀白云巖[2]。 近北盤(pán)江巖層產(chǎn)狀為30°~36°∠30°~35°,巖層傾向與橋軸線呈79°相交且?guī)r層傾向與坡向相反(見(jiàn)圖1),為反傾向?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)邊坡,巖層產(chǎn)狀有利于邊坡的整體穩(wěn)定。 雖然局部受風(fēng)化裂隙、節(jié)理影響發(fā)生崩塌現(xiàn)象,但規(guī)模一般小于5 m3。 邊坡中上部巖層產(chǎn)狀為195°~220°∠45°~66°,巖層產(chǎn)狀呈上緩下陡的形態(tài)分布,巖層傾向與橋軸線呈63°~73°相交,為中傾-陡傾順層邊坡。 其中索塔位置巖層為210°∠66°。

圖1 六枝岸橋軸線邊坡工程地質(zhì)縱剖面

六枝岸邊坡中上部自然邊坡坡角小于巖層傾角,有利于邊坡穩(wěn)定;邊坡下部為一反傾層狀構(gòu)造的陡崖,相當(dāng)于給中上部中傾-陡傾順層邊坡壓腳,邊坡整體穩(wěn)定性好,不會(huì)發(fā)生整體順層滑動(dòng)破壞。 因下伏基巖為中厚層中風(fēng)化三疊系中統(tǒng)楊柳井組(T2y)白云巖、灰?guī)r,也不會(huì)發(fā)生滑移-彎曲破壞型(潰曲)破壞。

六枝岸垂直于橋軸線邊坡,巖層傾向與橋軸線垂直線呈79°夾角,巖層傾角11°,邊坡自然坡度9°~18°,為典型的層狀正交邊坡,整體穩(wěn)定性較好。邊坡表面覆蓋層厚度3~10 m,有可能因施工擾動(dòng)出現(xiàn)覆蓋層沿基巖面或沿弧形滑裂面的局部破壞。

六枝岸邊坡節(jié)理主要有J1(25°∠8°)和J2(110°∠78°)兩組。 J1 節(jié)理間距0.15 ~0.4 m,平直、微張、延伸大于1.5 m;J2 節(jié)理間距0.2 ~0.4 m,平直、微張、延伸大于2.0 m。

基巖未見(jiàn)有明顯切腳,其周圍亦無(wú)規(guī)模較大的邊坡變形破壞,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),但溶溝、溶槽、石牙等溶蝕現(xiàn)象發(fā)育。

六枝岸邊坡可能的變形破壞模式為:由于巖體節(jié)理、層面、各種裂隙切割形成的楔形體滑移和局部塊體掉塊、崩塌以及覆蓋層沿基巖面或沿弧形滑裂面的局部破壞。

2 邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)及巖土體力學(xué)參數(shù)選取

2.1 邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)

目前,我國(guó)與特大型橋梁建設(shè)有關(guān)的邊坡工程還沒(méi)有相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范,在橋梁邊坡設(shè)計(jì)與校核過(guò)程中,邊坡允許安全系數(shù)的取值問(wèn)題一直是設(shè)計(jì)人員十分關(guān)心而目前尚未徹底解決的問(wèn)題。 為此,專門(mén)收集、研究了國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)邊坡工程設(shè)計(jì)規(guī)范[3-7]中關(guān)于邊坡安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以及國(guó)內(nèi)有影響的重大水電工程、橋梁工程邊坡安全系數(shù)取值情況,來(lái)確定花江北盤(pán)江大橋邊坡的安全系數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)。 綜合考慮花江北盤(pán)江大橋橋位區(qū)的工程地質(zhì)條件、工程重要性等級(jí)等因素,將其邊坡安全系數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)初步擬定為:正常工況(自然狀態(tài)、巖體自重+橋梁荷載)條件下取1.35,地震工況條件下取1.10,暴雨工況條件下取1.20。

2.2 邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)選取

在北盤(pán)江大橋六枝岸(北岸)邊坡的穩(wěn)定性分析中,除了按傳統(tǒng)的工程地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法確定強(qiáng)度指標(biāo)外,還采用Hoek-Brown 建議的經(jīng)驗(yàn)公式[8-11],結(jié)合相關(guān)邊坡工程的經(jīng)驗(yàn),確定了節(jié)理巖體強(qiáng)度推薦范圍值,如表1 所示。

表1 花江北盤(pán)江大橋邊坡巖土體及橋墩材料物理力學(xué)參數(shù)推薦值

3 邊坡穩(wěn)定性分析

本次邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析采用Slide.v6007 以及FLAC3D6.0 對(duì)橋址區(qū)邊坡分別進(jìn)行二維極限平衡分析和三維有限差分分析。

3.1 計(jì)算工況

計(jì)算工況見(jiàn)表2。 暴雨工況主要通過(guò)對(duì)巖土體強(qiáng)度參數(shù)折減的方式進(jìn)行模擬,計(jì)算過(guò)程中強(qiáng)度參數(shù)折減系數(shù)取0.85。

表2 花江北盤(pán)江大橋六枝岸邊坡穩(wěn)定性計(jì)算工況表

二維極限平衡分析所取分析邊坡為單位寬度,對(duì)承臺(tái)底部荷載應(yīng)按承臺(tái)單位寬度所受荷載進(jìn)行施加。因此在二維計(jì)算過(guò)程中,在對(duì)單寬剪力和單寬軸向壓力合成后按照合力的方位施加于承臺(tái)底。 三維計(jì)算過(guò)程中荷載(壓力、剪力)以面力形式施加到橋梁索塔及錨碇基坑底面。 地震慣性力參照SL 386—2007《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]附錄D2 的有關(guān)規(guī)定計(jì)算。 巖體自重+橋梁荷載見(jiàn)表3。

表3 六枝岸邊坡穩(wěn)定計(jì)算巖體自重+橋梁荷載表

3.2 邊坡穩(wěn)定性二維分析

3.2.1 二維地質(zhì)概化模型

根據(jù)計(jì)算要求及工程地質(zhì)條件,不同邊坡潛在失穩(wěn)模式不同,需根據(jù)工程地質(zhì)條件進(jìn)行概化,建立工程地質(zhì)概化模型。 考慮到橋梁的主要水平荷載方向?yàn)轫槝蜉S向和垂直于橋軸線方向,在二維計(jì)算時(shí),一般選擇橋位橋軸線縱剖面邊坡和主塔位置垂直于橋軸線橫斷面邊坡來(lái)進(jìn)行分析。 因主塔位置垂直于橋軸線橫斷面邊坡整體穩(wěn)定性較好,本文不做分析。 圖2 為六枝岸橋軸線縱剖面邊坡計(jì)算概化模型。

圖2 六枝岸橋軸線縱剖面邊坡計(jì)算概化模型

3.2.2 邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析

對(duì)于沿圓弧滑動(dòng)面破壞的邊坡,極限平衡分析一般先采用滑裂面自動(dòng)搜索,然后采用M-P 法、Bishop法和Janbu 法計(jì)算安全系數(shù),取三者中的最低值為邊坡計(jì)算安全系數(shù)。 對(duì)于沿層面或接觸面破壞的邊坡,在巖層接觸面及巖層內(nèi)設(shè)置數(shù)條滑裂面(一般按照滑裂面所處位置的深度設(shè)置表層、淺層以及深層等假定滑裂面),對(duì)每個(gè)滑裂面采用3 種計(jì)算方法計(jì)算安全系數(shù),選擇其中安全系數(shù)最低的滑裂面作為潛在滑裂面,再計(jì)算邊坡安全系數(shù),取三者中的最低值為邊坡計(jì)算安全系數(shù)。 六枝岸橋軸線縱剖面邊坡二維極限平衡法分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 花江北盤(pán)江大橋六枝岸橋軸線縱剖面邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析結(jié)果

3.3 邊坡穩(wěn)定性三維分析

3.3.1 三維地質(zhì)概化模型

計(jì)算模型坐標(biāo)系:平行橋軸線方向?yàn)閅軸(方位角47°),以朝安龍側(cè)位Y軸為正向,垂直橋軸線為X軸,豎直方向?yàn)閆軸,向上為正。

六枝岸邊坡三維計(jì)算范圍(見(jiàn)圖3):X軸方向(垂直橋軸線方向),以橋軸線為基準(zhǔn),向上下游方向各延伸300 m;Y軸方向(平行橋軸線方向),以索塔中心為原點(diǎn),向北側(cè)延伸700 m,向南側(cè)延伸650 m;Z軸方向(豎直方向),從高程400 m 至地表。 計(jì)算模型采用四面體、五面體和六面體混合網(wǎng)格單元進(jìn)行離散,共劃分單元105 560 個(gè),節(jié)點(diǎn)21 248 個(gè),三維網(wǎng)格見(jiàn)圖4。

圖3 邊坡三維計(jì)算模型范圍示意圖

三維數(shù)值模型中,錨碇與索塔的位置如圖5 所示。

圖5 邊坡三維計(jì)算模型中錨碇與索塔的位置

在3 個(gè)相鄰的邊坡剖面布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖6),監(jiān)測(cè)各點(diǎn)在三維強(qiáng)度折減計(jì)算中的速度和位移,根據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度和位移的收斂情況,判斷坡體的臨界安全系數(shù),即邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。

圖6 三維計(jì)算模型中位移與速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)

3.3.2 邊坡穩(wěn)定性三維有限差分強(qiáng)度折減分析

工況3 條件下,邊坡表面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移及速度變化特征的計(jì)算結(jié)果如圖7 所示。 其縱坐標(biāo)為位移及速度大小,橫坐標(biāo)為強(qiáng)度折減系數(shù),不同曲線代表相應(yīng)坡表不同位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。 不同部位變形響應(yīng)的差異顯示了各部位穩(wěn)定性的不同。

圖7 邊橋梁荷載作用下邊坡數(shù)值監(jiān)測(cè)結(jié)果與折減系數(shù)關(guān)系曲線(X=0 剖面)

從圖7 可見(jiàn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度和位移分別在安全系數(shù)1.80 左右開(kāi)始出現(xiàn)不收斂特征,監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度和位移接近同時(shí)發(fā)散。 綜合判定邊坡在工況3 下安全系數(shù)為1.80。 其他工況條件下,安全系數(shù)的獲取以此類推。

圖8~10 以臨界狀態(tài)總位移和剪切應(yīng)變的形式給出了邊坡在失穩(wěn)狀態(tài)下的潛在滑面。 由圖可見(jiàn),邊坡各剖面的失穩(wěn)模式基本以近似圓弧型整體失穩(wěn),失穩(wěn)模式與二維計(jì)算獲取的結(jié)果一致。

圖8 橋梁荷載作用下邊坡潛在滑裂面示意圖(X=0 剖面)

圖9 橋梁荷載+地震作用下邊坡潛在滑裂面示意圖(X=0 剖面)

圖10 橋梁荷載+暴雨作用下邊坡潛在滑裂面示意圖(X=0 剖面)

3.4 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

各工況條件下二維、三維穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表5。 由表可以看出,二維、三維穩(wěn)定性分析結(jié)果規(guī)律一致,均滿足邊坡穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求,且有一定安全裕度。 相較于二維極限平衡法,三維有限差分強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的安全系數(shù)略大,這是三維條件下邊坡受三維方向的約束作用而導(dǎo)致其計(jì)算結(jié)果比極限平衡分析結(jié)果偏大,符合一般規(guī)律。

表5 花江北盤(pán)江大橋六枝岸邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 論

系統(tǒng)研究了花江北盤(pán)江大橋推薦橋位六枝岸邊坡工程地質(zhì)特征,分析了邊坡可能出現(xiàn)的變形破壞形式;根據(jù)地勘結(jié)果,利用工程類比和經(jīng)驗(yàn)方法初步確定邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù);基于大橋初步設(shè)計(jì)橋型方案,采用極限平衡分析和三維有限差分方法(FLAC3D),分別評(píng)價(jià)了花江北盤(pán)江大橋六枝岸邊坡的穩(wěn)定性,得到如下主要結(jié)論:

1) 各工況條件下,二維、三維穩(wěn)定性分析結(jié)果規(guī)律一致,均滿足邊坡穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求,且有一定安全裕度;邊坡各剖面的失穩(wěn)模式基本以近似圓弧型整體失穩(wěn)。

2) 相較于二維極限平衡法,三維有限差分強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的安全系數(shù)略大。

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