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        庫水位變化對橋梁岸坡穩(wěn)定性的影響研究

        2022-10-27 06:58:04
        海河水利 2022年5期
        關(guān)鍵詞:岸坡橋墩巖土

        葉 子

        (江西科信水利工程勘測設(shè)計(jì)有限公司,江西 上饒 334000)

        我國沿江河湖布置的交通工程占比大,擁有大量的庫岸橋梁、公路及鐵路[1]。庫區(qū)水位變化對岸坡巖土體物理力學(xué)性能影響較大,水位變化將改變巖土體的飽和-非飽和狀態(tài),使巖土體基質(zhì)吸力與孔隙水壓力發(fā)生改變,從而影響岸坡巖土層的變形沉降,甚至能誘發(fā)岸坡滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害,進(jìn)而影響岸坡穩(wěn)定性以及庫岸橋梁等結(jié)構(gòu)的安全性[2-8]。因此,研究含橋梁結(jié)構(gòu)庫岸邊坡在不同水位變化下的穩(wěn)定性狀況,對保障岸坡的穩(wěn)定性及橋梁等結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營具有重要意義。目前,學(xué)者們主要研究了庫區(qū)水位變化對常規(guī)邊坡與橋梁等結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性影響,鮮有考慮橋梁的汽車荷載。本文依托某庫岸橋梁邊坡工程,采用GTS-NX 軟件建立含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的有限元模型,分析高低恒水位和驟降變水位工況下岸坡的應(yīng)力變形分布、橋墩變形特征與岸坡穩(wěn)定性狀況,對既有橋梁結(jié)構(gòu)岸坡進(jìn)行安全評估。

        1 工程概況

        為研究庫區(qū)水位變化對含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的穩(wěn)定性影響,選取四川盆地東南部某水庫的含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡為研究對象。橋梁為整體式,全長260 m,設(shè)計(jì)為2橋臺、5橋墩,上部結(jié)構(gòu)采用6×40 m簡支T梁,下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩,橋臺為“U”形重力式橋臺。含橋梁岸坡地區(qū)屬低中山地貌區(qū),場地地形處于沖溝兩側(cè),地勢總體南北高、中間低,左右兩岸斜坡坡度角為27°~35°和35°~42°。庫岸橋區(qū)地層為第四系崩坡堆積層和侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組,以泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖為主,巖石較致密,裂隙較發(fā)育。巖層呈單斜產(chǎn)出,產(chǎn)狀305°∠55°,區(qū)內(nèi)未見斷層結(jié)構(gòu),屬單一構(gòu)造區(qū)。

        2 數(shù)值模型的建立

        2.1 有限元數(shù)值模型

        為分析不同水位情況下含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的穩(wěn)定性,利用GTS-NX 軟件建立了含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的有限元計(jì)算模型。如圖1 所示,模型包括橋梁結(jié)構(gòu)和岸坡,其中橋梁樁基深度從左至右分別為19.7、23.0、18.0、19.0 和10.0 m。梁體、樁體采用1D 梁單元進(jìn)行模擬,單元網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m;岸坡實(shí)體采用混合網(wǎng)格進(jìn)行劃分,混合網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m。岸坡地層從上至下主要為碎塊石土、泥巖、砂巖,砂巖和泥巖物理力學(xué)參數(shù)為現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果,碎石土參照工程地質(zhì)手冊取的經(jīng)驗(yàn)值,具體參數(shù)詳見表1。巖土體采用M-C屈服準(zhǔn)則,結(jié)構(gòu)采用線彈性材料。

        圖1 數(shù)值計(jì)算模型及其網(wǎng)格劃分

        表1 地層及材料參數(shù)

        2.2 邊界條件及計(jì)算工況

        為獲得不同實(shí)際工況下含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的力學(xué)響應(yīng)特征,數(shù)值計(jì)算考慮了汽車荷載、重力恒載和水壓力荷載等作用。首先對整體邊坡網(wǎng)格組施加重力,然后施加水荷載及車輛荷載,水荷載體現(xiàn)于巖土體材料的飽和、天然狀態(tài)的變化,橋梁車輛荷載根據(jù)計(jì)算得到的質(zhì)點(diǎn)反力施加于各個(gè)橋墩的墩頂,橋墩從左至右施加反力分別為14 711、15 124、11 151、14 760和15 280 kN(橋墩編號依次為1#—5#)。邊界條件設(shè)置如下:底部約束水平和豎向位移,左右兩側(cè)約束水平位移。計(jì)算工況設(shè)置為:低水位(水位高程1 238 m)、高水位(水位高程1 273 m)和驟降水位(水位高程1 273 m 降至1 238 m)3 種水位工況。水位線以上巖土體取天然黏聚力、天然內(nèi)摩擦角、天然容重,而水位線以下巖土體則取飽和狀態(tài)參數(shù)。模型計(jì)算時(shí),通過設(shè)定不同水位線從而賦予巖土體材料不同狀態(tài)下的力學(xué)指標(biāo),即靜水位時(shí)水位線為水平線、水位驟降時(shí)水位線為浸潤線。

        3 結(jié)果及分析

        3.1 含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的應(yīng)力變形特征

        數(shù)值模擬獲得了3 種水位工況下含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的位移變化與應(yīng)力分布特征,如圖2 所示。對于低水位工況,由于岸坡水位較低,岸坡所受荷載主要為橋梁上的車輛荷載,最大水平位移出現(xiàn)于右岸5#橋墩附近的巖土體為0.87 mm,最大豎向位移出現(xiàn)于3#橋墩頂部為6.07 mm;對于高水位工況,水庫蓄水至高水位,使得水位線以下土體變?yōu)轱柡蜖顟B(tài),最大水平位移出現(xiàn)于左岸土體為2.62 mm,最大豎向位移出現(xiàn)于左岸坡體為15.9 mm;對于驟降水位工況,最大水平位移出現(xiàn)于左岸土體為2.58 mm,最大豎向位移出現(xiàn)于右岸坡體為13.62 mm。總體而言,水位的變化對岸坡變形影響較小。

        圖2 高水位工況下含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的位移云圖

        提取出各橋墩及橋臺底部岸坡位移值詳見表2,發(fā)現(xiàn)3 種工況下左右橋臺最大水平位移相差不大,在1 mm以內(nèi);最大豎向位移出現(xiàn)于高水位工況,達(dá)到15.44 mm,較低水位和驟降水位工況分別增加了15.97 mm和3.34 mm。對于1#—5#橋墩,最大水平位移和最大豎向位移均出現(xiàn)于高水位工況,分別為2.29 mm和11.24 mm,較低水位和驟降水位工況分別增加了2.18 mm和0.32 mm、13.52 mm和5.18 mm??偠灾?,高水位工況對含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的變形影響最大。此外,通過岸坡的應(yīng)力分布云圖發(fā)現(xiàn):岸坡最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在右岸橋墩位置,為0.42 MPa;最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)于庫區(qū)底部,最大值為2.61 MPa,小于基巖強(qiáng)度,表明水位的變化對橋墩的變形和內(nèi)力影響較小。

        表2 不同水位工況下各橋墩底部岸坡位移值 mm

        3.2 含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的穩(wěn)定性分析

        數(shù)值模擬得到了不同水位工況下含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的穩(wěn)定性系數(shù)。為更好研究橋梁結(jié)構(gòu)與上覆汽車載荷對岸坡穩(wěn)定性的影響,設(shè)計(jì)了無橋梁結(jié)構(gòu)的普通岸坡模擬對照組(包括左岸邊坡和右岸邊坡2組模型)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),對于含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡,由于橋梁的樁體結(jié)構(gòu)對岸坡穩(wěn)定性具有一定的加固作用,3種水位工況下最危險(xiǎn)滑弧均出現(xiàn)于左岸,如圖3所示,最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.40,出現(xiàn)于水位驟降工況。對于無橋梁結(jié)構(gòu)的普通岸坡,由于沒有橋梁結(jié)構(gòu)的加固作用,高水位和水位驟降條件下,岸坡穩(wěn)定性系數(shù)均減小;由于左岸坡度角更大影響,左岸邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均小于右岸,其中左岸邊坡在水位驟降工況時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)最小為1.05,而右岸邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.22。此外,還發(fā)現(xiàn)左岸最危險(xiǎn)滑弧剪出口在坡腳位置,在低水位和高水位時(shí)最危險(xiǎn)滑弧剪出口位置較水位驟降工況時(shí)更高,沿堆積層土巖分界線分布。根據(jù)水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范,左岸邊坡屬于欠穩(wěn)定狀態(tài),需要對其進(jìn)行加固處理。如對碎石土層較薄處可進(jìn)行清方處理,對于厚度較大的碎石土層可采用抗滑樁加固等措施。

        圖3 驟降水位工況下岸坡最大剪切應(yīng)變云圖

        4 結(jié)論

        基于GTS-NX 軟件建立了含橋梁結(jié)構(gòu)的岸坡穩(wěn)定性計(jì)算模型,分析了3 種水位工況下岸坡應(yīng)力變形分布、橋墩橋臺變形特征與岸坡穩(wěn)定性狀況,獲得以下結(jié)論。

        (1)3 種工況下岸坡最大水平位移和豎向位移分別為0.87~2.62 mm 和6.07~15.9 mm;高水位工況對橋梁岸坡變形影響最大,此時(shí)岸坡水平位移和豎向變形分別為2.62 mm和15.9 mm。

        (2)3 種工況下左右橋臺最大水平位移相差小,最大豎向位移出現(xiàn)于高水位工況,為15.44 mm;橋墩的最大水平位移和豎向位移出現(xiàn)于高水位工況,分別為2.29 mm和11.24 mm。

        (3)由于橋梁對岸坡的加固作用,橋梁岸坡最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.40,不同水位工況下最危險(xiǎn)滑弧均在左岸;無橋梁岸坡的左岸穩(wěn)定性系數(shù)小于右岸,在水位驟降工況下左、右岸坡穩(wěn)定性系數(shù)最小,分別為1.05 和1.22,左岸邊坡為欠穩(wěn)定狀態(tài),需對其進(jìn)行加固處理。

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