朱昌河特大桥4#主墩基础边坡岩体稳定性的数值模拟分析.pdf

文章编号 1 0 0 9 - 0 1 9 3 （2 0 0 6） 0 4 - 0 0 8 7 - 0 5 ✷ 朱昌河特大桥4 主墩基础边坡岩体稳定性的数值模拟分析 彭飞 （贵州高速公路开发总公司， 贵州 贵阳5 5 0 0 0 4） 摘要 利用岩土工程软件F L A C- 3 D对朱昌河特大桥4 主墩基础边坡岩体在自然条件下， 桩及承台施工过程、 锚杆 （索） 加固过程以及施加设计荷载状态下的变形及稳定性进行了三维 数值模拟分析。结果表明 在上述条件下， 4 主墩基础边坡岩体是稳定的， 水平位移量和垂直 位移量均在设计范围以内。从长远来看， 为确保大桥的安全运行， 对4 主墩基础边坡进行加 固是必要的。 关键词 特大桥； 主墩基础； 边坡岩体； 数值模拟 中图分类号 U 4 4 2 文献标识码 A 0 前言 朱昌河特大桥位于沪瑞国道主干线镇胜高速公路盘县英武镇软桥哨村和刘官镇梅子村两 村交界处。该桥里程桩号D K 1 3 2 1 1 6 -D K 1 3 2 7 9 6， 为7孔大跨度预应力混凝土T型梁桥， 主跨2 0 0m， 4 主墩高1 3 7m， 桥梁总长6 7 2m， 系跨朱昌河的特大型桥梁， 也是镇胜高速公路的控制性工程之一。 4 主墩位于朱昌河左岸的斜坡上， 地势险峻， 斜坡坡向2 6 3 ≠， 坡角4 5-5 0 ≠， 坡高约1 0 0m， 地面标高 1 3 8 5 - 1 3 9 5m. 该墩基础原设计为9根嵌岩桩， 每根桩直径2 . 5m， 桩长3 0m， 后桩长加深8 - 1 0m， 桩端标 高1 3 8 0 . 0 - 1 3 9 5 . 0m， 其中1 、 4 、 7 桩位于临空面的边缘， 是抗震的不利地段。 1 4 主墩工程地质背景及岩体力学参数 1 . 1 工程地质背景 主墩基础地层岩性主要为中厚层灰岩夹泥灰岩和钙质泥岩， 岩层产状1 6 5 - 2 0 0 ≠ 6 0 - 7 5 ≠， 走向与坡面 大角度相交， 有利于斜坡的稳定。边坡岩溶发育较为强烈， 以溶蚀裂隙、 溶缝和垂直溶洞形式出现， 上部充 填硬塑粘土， 下部为软塑粘土。墩址区附近发育三组节理裂隙， 产状6 3-9 0 ≠ 9 5-6 5 ≠， 3 0 3-3 1 0 ≠ 4 5- 6 5 ≠，2 6 5 - 2 8 5 ≠ 5 5 - 8 0 ≠， 其中2 6 5 - 2 8 5 ≠ 5 5 - 8 0 ≠组裂隙在高程1 3 8 5 . 0 - 1 3 9 5 . 0m段密度较大， 倾角渐缓 （6 - 2 5 ≠） ， 先期为构造剪切节理， 裂隙面平直光滑， 隙宽0 . 2 - 0 . 5c m， 有铁、 钙质充填， 后期在斜坡上部和浅 部出现重力拉张迹象， 裂隙面粗糙不平， 溶蚀现象严重， 隙宽1 - 6c m， 局部宽达3 0 - 4 0c m， 大部分半充填软 塑或硬塑粘土。由于这组节理裂隙倾向坡外且与坡向基本一致， 在外力作用下可能形成潜在不稳定块体， 对斜坡的稳定性不利。 1 . 2 岩体力学参数 对4 主墩边坡岩石取样试验， 有关岩体力学指标参数见表1 . 由表1 灰岩、 硅质灰岩的地基允许承载力能满足设计对地基岩体的强度要求， 是桩基理想的持力层。 ✷收稿日期2 0 0 6 - 0 5 - 3 0 作者简介 彭飞 （1 9 6 6 -） ， 男， 贵州兴义人， 工程师， 从事公路工程地质研究。 表1岩体力学指标参数 序号岩石名称 天然单轴抗 压强度 ／M P a 饱和单轴抗压 强度 ／M P a 地基允许承 载力 ／M P a 抗剪强度 C／M P a 内摩擦角 ／ ≠ 软化系数 1 灰岩 4 5 . 6 - 8 2 . 82 8 . 8 - 6 9 . 84 . 2 - 7 . 57 . 0 - 1 2 . 24 3 . 2 - 4 7 . 2 2 泥灰岩 2 4 . 0 - 3 9 . 61 5 . 5 - 2 7 . 41 . 1 - 1 . 63 . 7 - 6 . 74 0 . 8 - 4 5 . 60 . 6 - 0 . 6 8 3 泥质灰岩 3 2 . 1 - 3 7 . 01 8 . 3 - 2 5 . 51 . 2 - 1 . 84 . 9 - 8 . 24 3 . 7 - 4 5 . 5 0 . 7 0 - 0 . 8 6 4 硅质灰岩 4 9 . 1 - 6 5 . 82 6 . 7 - 4 8 . 04 . 3 - 7 . 27 . 9 - 9 . 24 2 . 6 - 4 6 . 2 5 盐溶角砾 2 8 . 0 - 3 8 . 81 5 . 6 - 2 6 . 81 . 2 - 1 . 74 . 2 - 8 . 94 1 . 2 - 4 4 . 4 2 4 主墩基础边坡岩体稳定性的三维数值模拟分析 2 . 1 地质概化模型处理 根据有关地质资料， 计算区内主要模拟强、 弱风化卸荷带与微风化岩体， 底滑面 （倾角1 8 ≠、 2 5 ≠） 、 后缘拉 裂面 （倾角6 8 ≠） ， 并考虑岩层 （岩层走向与桥轴线近于平行） 对桥墩局部岩体稳定性的影响。 在桥墩上、 下游各模拟一岩层层面， 层面在上游侧不切割桥桩桩底， 在下游侧不切割桥桩顶， 倾角为岩 层倾角的最大值7 5 ≠ .按4 墩基础桩基设计资料， 模拟9根桩以及上部承台。各结构物尺寸和位置按设计方 案进行。三维网格模型如图1所示。 （从下游往上游看）（从上游往下游看） 图1三维地质网格模型图 2 . 2 数值模拟程序及方法 计算程序采用国际上通用的岩土工程分析软件F L A C-3 D.模型水平范围取3 8 0m*2 0 0m， Z轴从高 程1 3 0 0m到地表， 共剖分9 4 4 8 3个单元， 1 2 7 8 2 2个节点。边界条件采用底面三向约束， 侧面法向约束， 地表 自由。 计算模型中， 岩体、 岩层层面以及节理裂隙均采用弹塑性M o h r - c o u l o m b实体单元模拟。层面及节理 裂隙厚度约0 . 5m； 桩与岩体胶结面采用薄层单元模拟， 厚度0 . 5m； 桩及承台采用弹性实体单元； 锚杆及锚 索按杆单元模拟。 2 . 3 计算参数取值及计算顺序 2 . 3 . 1 计算参数取值 强风化、 弱风化、 微风化带岩体与节理裂隙和岩层层面、 底滑面、 软岩层面、 后缘拉裂面计算参数根据 工程岩体分级标准（G B 5 0 2 1 8 - 9 4） 取值， 其他参数按工程地质类比法确定， 见表2 -表6 . 表2岩体力学参数取值 单元体 重度 ／k Nm- 3 变形模量 ／G P a 泊松比 粘聚力 ／M P a 摩擦系数摩擦角 ／ ≠ 抗拉强度 Rt／M P a 强风化 2 2 . 51 . 50 . 3 50 . 20 . 63 10 . 0 5 弱风化 2 3 . 53 . 00 . 3 20 . 40 . 73 50 . 1 微风化 2 4 . 56 . 00 . 3 00 . 60 . 83 8 . 70 . 2 88 贵州工业大学学报 （自然科学版） 2 0 0 6 年 表3底滑面参数取值 单元体 重度 ／k Nm- 3 变形模量 ／G P a 泊松比 粘聚力 ／M P a 摩擦系数摩擦角 ／ ≠ 抗拉强度 Rt／M P a 强风化 1 9 . 50 . 30 . 4 20 . 0 50 . 3 21 80 弱风化 2 0 . 50 . 50 . 4 10 . 0 70 . 4 22 30 微风化 2 1 . 00 . 80 . 4 00 . 0 90 . 5 12 70 表4桩周接触单元参数取值 单元体 重度 ／k Nm- 3 变形模量 ／G P a 泊松比 粘聚力 ／M P a 摩擦系数摩擦角 ／ ≠ 抗拉强度 Rt／M P a 强风化 2 21 . 00 . 3 80 . 10 . 52 6 . 60 . 0 3 弱风化 2 32 . 00 . 3 50 . 30 . 63 10 . 0 8 微风化 2 44 . 00 . 3 20 . 50 . 73 50 . 1 5 表5软岩层面参数取值 单元体 重度 ／k Nm- 3 变形模量 ／G P a 泊松比 粘聚力 ／M P a 摩擦系数摩擦角 ／ ≠ 抗拉强度 Rt／M P a 强风化 1 8 . 50 . 10 . 4 50 . 0 20 . 2 11 20 弱风化 1 9 . 00 . 20 . 4 30 . 0 40 . 2 71 50 微风化 1 9 . 50 . 30 . 4 20 . 0 50 . 3 21 80 表6后缘拉裂面参数取值 单元体 重度 ／k Nm- 3 变形模量 ／G P a 泊松比 粘聚力 ／M P a 摩擦系数摩擦角 ／ ≠ 抗拉强度 Rt／M P a 强风化 1 8 . 50 . 10 . 4 50 . 0 20 . 2 11 20 弱风化 1 9 . 50 . 30 . 4 20 . 0 50 . 3 21 80 微风化 2 0 . 50 . 50 . 4 10 . 0 70 . 4 22 30 混凝土与锚固参数的取值见表7 . 表7混凝土及锚固参数取值 材料 重度 ／k Nm 3 变形模量 E／G P a 泊松比 抗剪强度 C／M P a 抗拉强度 Rt／M P a 桩混凝土 2 4 . 53 00 . 1 6 72 . 6 系统锚杆 2 1 01 2 63 5 8 * 预应力锚索 2 1 01 8 6 0 * 注*表示屈服强度 2 . 3 . 2 计算顺序 在数值模拟分析中， 计算顺序如下 ①首先计算天然状态下自然边坡的稳定性；②其次模拟桩及承台的 施工开挖、 建造； ③模拟锚杆及锚索加固；④施加设计桥基荷载， 以计算分析设计条件下岩体变形及稳定性。 2 . 4 计算成果分析 2 . 4 . 1 变形规律分析 桥墩桩基附近后缘拉裂面和底滑面关键点应力值与位移见表8， 应力以拉为正， 压为负。 表8不同位置关键点应力值及位移值表 模拟面 点 号 有加固措施 S i g 1 ／M P a S i g 3 ／m m 无加固措施 S i g 1 ／M P a S i g 3 ／m m 有加固措施 s x x ／M P a s z z ／m m 无加固措施 s x x ／M P a s z z ／m m 有加固措施 u x ／M P a u z ／m m 无加固措施 u x ／M P a u z ／m m 1 8 ≠ 底滑面 1 - 1 . 9 6- 0 . 6 1 - 1 . 9 6- 0 . 6 1 - 0 . 8 8- 1 . 6 7 - 0 . 8 8- 1 . 6 7 - 1 . 1 1- 2 . 7 9 - 1 . 2 2- 2 . 8 1 2 - 1 . 9 8- 0 . 6 2 - 1 . 9 9- 0 . 6 2 - 0 . 8 2- 1 . 8 3 - 0 . 8 2- 1 . 8 3 - 0 . 1 7- 2 . 6 3 - 0 . 1 9- 2 . 6 2 3 - 1 . 9 4- 0 . 5 9 - 1 . 9 4- 0 . 5 9 - 0 . 8 0- 1 . 7 9 - 0 . 8 0- 1 . 7 9 - 0 . 4 9- 2 . 6 6 - 0 . 5 7- 2 . 6 7 98 第4期彭飞 朱昌河特大桥4 主墩基础边坡岩体稳定性的数值模拟分析 （续表） 模拟面 点 号 有加固措施 S i g 1 ／M P a S i g 3 ／m m 无加固措施 S i g 1 ／M P a S i g 3 ／m m 有加固措施 s x x ／M P a s z z ／m m 无加固措施 s x x ／M P a s z z ／m m 有加固措施 u x ／M P a u z ／m m 无加固措施 u x ／M P a u z ／m m 2 5 ≠ 底滑面 4 - 2 . 0 4- 0 . 6 4 - 2 . 0 4- 0 . 6 4 - 0 . 9 3- 1 . 7 3 - 0 . 9 3- 1 . 7 3 - 1 . 1 1- 2 . 7 9 - 1 . 2 2- 2 . 8 1 5 - 1 . 7 8 0 . 0 3- 1 . 8 1 0 . 2 0- 0 . 0 3- 1 . 7 4 - 0 . 0 4- 1 . 7 8 - 0 . 6 6- 2 . 9 3 - 0 . 7 4- 2 . 9 5 6 - 1 . 9 5- 0 . 6 1 - 1 . 9 6- 0 . 6 2 - 0 . 8 0- 1 . 7 9 - 0 . 8 0- 1 . 8 0 - 0 . 4 3- 2 . 7 2 - 0 . 5 1- 2 . 7 3 6 8 ≠ 拉裂面 7 - 0 . 4 8- 0 . 2 0 - 0 . 4 8- 0 . 1 9 - 0 . 2 1- 0 . 4 8 - 0 . 2 0- 0 . 4 7 - 0 . 2 4- 1 . 6 2 - 0 . 2 6- 1 . 6 1 8 - 0 . 4 6- 0 . 1 3 - 0 . 4 2- 0 . 1 2 - 0 . 1 8- 0 . 4 1 - 0 . 1 6- 0 . 3 8 - 0 . 0 3- 1 . 6 9 - 0 . 0 6- 1 . 6 6 9 - 1 . 2 2- 0 . 2 3 - 1 . 2 3- 0 . 2 3 - 0 . 3 2- 1 . 1 3 - 0 . 3 2- 1 . 1 3 - 0 . 5 0- 1 . 4 2 - 0 . 5 2- 1 . 4 3 6 8 ≠拉裂面高程 1 4 0 1平行河流面 1 0 - 0 . 3 7- 0 . 1 8 - 0 . 3 7- 0 . 1 8 - 0 . 2 2- 0 . 3 6 - 0 . 2 1- 0 . 3 6 - 0 . 3 7- 1 . 1 6 - 0 . 4 0- 1 . 1 6 1 1 - 0 . 6 7- 0 . 0 1 - 0 . 5 9- 0 . 0 6 - 0 . 2 4- 0 . 5 9 - 0 . 2 3- 0 . 5 7 - 0 . 2 5- 1 . 4 9 - 0 . 2 7- 1 . 4 8 1 2 - 0 . 4 0- 0 . 0 9 - 0 . 3 8- 0 . 0 8 - 0 . 1 3- 0 . 3 6 - 0 . 1 2- 0 . 3 4 - 0 . 2 7- 1 . 6 6 - 0 . 2 9- 1 . 6 5 （1） 施加锚杆及锚索加固后， 引起的岩体变形如图2所示。最大水平位移出现在坡表面锚索端头部位， 位移量值为0 . 3 4m m， 位移趋势向坡内递减， 方向指向坡内， 桩部位因施加锚索 （杆） 引起的水平位移值在 0 . 1m m之内。 图2施加锚杆索后桥轴线水平位移图3施加桥荷载后桥轴线水平位移 （2） 施加设计荷载后， 引起的岩体变形如图3、 图4所示。水平位移趋势为沿坡脚向上递减， 方向指向坡 外。坡体最大水平位移出现在坡脚部位， 位移量为2 . 0 4m m， 桩部位水平位移在1m m之内， 出现在外侧桩 底部。桩部位最大垂直位移约1 0m m， 出现在桩顶部。桥的荷载对桩竖直位移影响范围基本在距桩顶1 5 - 2 0m以内。 图4施加桥荷载后桥轴线垂直位移图5天然状况下塑性区图 （3） 对于无加固措施方案， 施加设计荷载后， 引起的岩体变形状况基本与加固方案相同， 只是位移值略 有增加。最大水平位移量值为2 . 1 6m m.桩部位最大垂直位移及桥荷载对桩竖直位移影响范围与加固方案 09 贵州工业大学学报 （自然科学版） 2 0 0 6 年 基本相同。 2 . 4 . 2 应力与塑性区分布 （1） 自然边坡 自然边坡应力分布符合一般规律， 基本没有出现拉应力。塑性区主要出现在桥墩以下的边坡坡面岩体 的风化荷裂隙带中。底滑面及后缘拉裂面以及岩体层面均出现塑性区， 如图5所示。 （2） 加固处理与施加工程荷载 施加桥墩荷载后， 引起桩部位垂直应力变化如图6所示， 塑性区见图7 .施加桥的荷载以后， 水平应力变 化不大， 最大垂直应力出现在桩顶部， 为1 5 . 7M P a， 桥墩荷载对桩竖直应力影响范围基本在距桩顶2 5m之 内。 图6施加桥荷载后桩部位垂直应力图图7施加桥荷载后塑性区图 3 结语 1 . 对4 主墩基础边坡岩体三维数值模拟分析得出自然边坡岩体是稳定的。目前该桥墩已施工完毕， 从 现场检测、 监测成果分析来看， 主墩边坡岩体未发生滑移， 与三维数值摸拟的结果基本吻合。 2 . 加固措施对限制水平位移效果较好， 且底滑面倾角越陡位移值越小。在后缘拉裂面上， 加固对高程 面上水平位移减小贡献率较为均匀， 约8 . 3 . 施加锚固措施后， 边坡岩体应力状态改变不明显， 桩底附近岩体应力小于2M P a .施加桥墩荷载后， 桩 上部岩体、 坡脚部位岩体和后缘拉裂面与底滑面塑性区有所增加， 但与自然边坡相比， 塑性区变化不大， 岩 体边坡是稳定的。从长远来看， 为确保大桥的安全运行， 对4 主墩基础、 边坡进行加固是必要的。 参考文献 ［1］李铁汉， 潘别桐.岩体力学 ［M］.北京 地质出版社， 1 9 8 0 . ［2］张倬元.工程地质分析原理 ［M］.北京 地质出版社， 1 9 9 3 . ［3］G B 5 0 2 1 8 - 9 4， 工程岩体分级标准 ［S］. ［4］G B 5 0 3 3 0 - 2 0 0 2， 建筑边坡工程技术规范 ［S］. （下转1 0 2页） 19 第4期彭飞 朱昌河特大桥4 主墩基础边坡岩体稳定性的数值模拟分析 第三产业不发达， 农村劳动力大量拥入城市， 为城市道路建设提供了价值低廉的劳动力资源。因此， 在贵阳 市城市道路建设工程中采用嵌锁式手摆块石垫层这一结构形式是完全符合贵阳市实情的， 对贵阳市地方经 济的发展起了积极的推动作用， 而在实际施工实践中总结出的施工技术关键可供道路施工技术人员参考借 鉴。 参考文献 ［1］邓学军.路基路面工程 ［M］.北京 人民交通出版社， 1 9 9 9 . ［2］C J J 3 7 - 9 0， 城市道路设计规范 ［S］. ［3］北京市市政设计院.城市道路设计手册 ［M］.北京 中国建筑工业出版社， 1 9 9 5 . ［4］ 贵阳市情 编委会.贵阳市情 ［M］.北京 新华出版社， 2 0 0 2 . ［5］方福森.路面工程 ［M］.北京 人民交通出版社， 1 9 9 0 . ［6］柴晓东.市政与桥梁工程质量监控与通病防治全书 ［M］.北京 中国环境科学出版社， 1 9 9 0 . A p p l i c a t i o no fE L b e d d e d - t y p e，H a n d - l a i dS t o n eL a y e r i nt h eR o a d C o n s t r u c t i o no fG u i y a n gC i t y X I EH a i -w e n （G u i z h o uC o m m u n i c a t i o n sP l a n n i n g， S u r v e yD e s i g nI n s t i t u t e，G u i y a n g5 5 0 0 0 1，C h i n a） A b s t r a c tA c c o r d i n g t o t h e f u n c t i o no f r o a d l a y e r i n r o a de n g i n e e r i n ga n dc o n s i d e r i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f r o a dc o n s t r u c t i o n i nG u i y a n g a r e a，t h e s t r u c t u r e f o r mo f e m b e d d e d - t y p e，h a n d - l a i d s t o n e l a y e rw a s p r o p o s e da n d t h e t e c h n i c a l a n dc o n s t r u c t i o nk e yo f t h i s t y p e o f r o a d l a y e rw a s s u m m a r i z e d . I t c a ns e r v e a s a r e f e r e n c e f o r r o a dc o n s t r u c t i o n t e c h n i c i a n s a n d r e l e v a n t s c h o l a r s . K e yw o r d sr o a d；l a y e r；s t r u c t u r e；t e c h n i c a l k e y （上接9 1页） N u L e r i c a l S i L u l a t i o nA n a l y s i s f o rZ h u c h a n gR i v e rS p e c i a lB r i d g e4 M a i nP i e rF o u n d a t i o nR o c kM a s sS t a b i l i t y P E N GF e i （G u i z h o uE x p r e s s w a yD e v e l o p m e n tC o r p o r a t i o n， G u i y a n g5 5 0 0 0 4，C h i n a） A b s t r a c tG e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n gs o f t w a r eF L A C-3 Dw a su s e dt oa n a l y z ea n ds i m u l a t eZ h u c h a n g r i v e r s p e c i a l b r i d g e 4 m a i np i e r f o u n d a t i o nd e f o r m a t i o n a n d s t a b i l i t y o f s l o p e r o c km a s s u n d e r t h e c o n - d i t i o no f n a t u r e，c o n s t r u c t i o no fp i l ea n dc a r r y，c o n s o l i d a t i o no f a n c h o rb a r （r o p e）a n de x i s t i n gd e s i g n l o a d . T h e r e s u l t s i n d i c t s t h a t a b o v e t h o s e c o n d i t i o n s，4 m a i np i e r f o u n d a t i o n s l o p e r o c km a s s i s s t a b l e， a n d i t s h o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t a n dv e r t i c a l d i s p l a c e m e n tm e e t sd e s i g nd e m a n d s . I nt h e l o n gr u n，i t i s e s s e n t i a l t o r e i n f o r c e 4 m a i np i e r f o u n d a t i o n s l o p e r o c km a s s . K e yw o r d ss p e c i a l b r i d g e；m a i np i e r f o u n d a t i o n；s l o p e r o c km a s s；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 201 贵州工业大学学报 （自然科学版） 2 0 0 6 年