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岩质高边坡问题是我国20世纪80年代以来出现的最具特色的工程地质问题之一,随着我国经济的高速增长,大型工程活动数量之多、规模之大,举世瞩目。在水利水电、公路、铁路等工程建设过程中不可避免地要遇到众多岩质边坡;这些边坡的稳定性直接关系到建设工期、施工安全、环境保护及工程运行,并在一定程度上影响着投资和工程建设方案。由于岩质边坡是一个非线性的、不确定的动态系统,其稳定性分析与评价非常复杂,使得大量岩质边坡稳定性评价不合理,从而导致边坡设计的不合理,我国每年由此造成的经济损失近300亿。
本文以朱昌河特大桥4号桥墩所在边坡为研究背景,系统总结分析了国内外边坡稳定性研究的各种方法。在稳定性研究过程中,根据朱昌河特大桥4号桥墩所在边坡的地质条件,以大量现场调查研究和工程经验为基础,结合现有资料,分析并总结了边坡工程的研究历史、现状和前景,着重分析比较了各种稳定性分析方法,确立极限平衡分析法和有限元法为该边坡的稳定性研究方法。利用极限平衡分析法和有限元法计算、模拟了边坡的稳定性,然后将两种稳定性计算方法所得结果进行分析对比,判断计算方法的合理性,为以后同类边坡工程的稳定性计算提供理论研究和实际参考价值。
极限平衡法是目前工程上主要采用的方法。它是根据斜坡上的滑体分块的静力平衡原理分析斜坡各种破坏模式下的受力状态,以及斜坡体上的抗滑力和下滑力之间的关系来评价斜坡的稳定性。其基本原理是设边坡的稳定系数为k,则当边坡岩土体的抗剪强度降低k倍后,边坡体内某一最危险滑面上的滑体将濒于失稳的极限平衡状态。结合朱昌河特大桥桥墩所在区域的地形地貌、地层岩性、地质构造以及朱昌河特大桥4号主墩所在边坡具体特征,从边坡岩体性质、边坡岩体结构特征、影响岩体稳定性的主要因素、岩体稳定性评价四个方面进行研究,选取极限平衡法中的三维极限平衡方法和剩余推力法对边坡稳定性进行计算。
首先运用三维极限平衡方法,模型概化为后缘裂隙贯通,竖向载荷全部作用在底滑面上,取天然条件下边坡安全系数为1.05,进行等效地下水位反算,确定边坡体所受最大水压力,依据反算所得最大水压力和边坡岩土体工程力学参数,运用三维极限平衡法对边坡进行稳定性计算。经计算,边坡在天然状况下稳定性系数较高,安全性好;当边坡在施加桥荷载后,特别是在暴雨状况下,边坡稳定性差,处于极限平衡状态,随时都可能发生滑动,需要对边坡进行加固处理。然后运用剩余推力法进行边坡稳定性计算。结合本工程的实际情况,可将桥墩基础划分为2个条块进行计算,参数取值与三维极限平衡法计算时相同,计算后经分析可知,剩余推力法计算结果与三维极限平衡法计算结果基本一致,边坡在天然工况下处于稳定状态,在施加桥荷载后稳定性变差,稳定性系数比三维极限平衡法算得的稳定性系数偏小。
在边坡加固设计时,按各种工况下边坡稳定性最差时为设计依据,进行边坡设计。通过边坡稳定性计算成果比较分析,朱昌河特大桥4号桥墩所在边坡底滑面倾角为25°时稳定性最差,要保证此条件下的边坡稳定,需提供220000kN的抗滑力,才能达到安全要求。考虑到边坡的实际情况,采取由上部锚索、下部锚索和锚杆联合的方式进行加固治理,具体布置为坡脚采用14排共180根3*Φ32锚杆,承台下部3排1000 kN预应力锚索,设计后以边坡底滑面为18°和25°进行校核,经验证加固治理后边坡稳定性满足安全要求。
由于边坡所处的边界条件和地质环境一般比较复杂,加之岩体的不连续性、不均匀性、各向异性等特性,造成边坡工程问题十分复杂,而有限元分析方法可以方便地处理各种复杂的边界条件以及材料的非均匀性和各向异性,对边坡的应力分布、塑性区范围和位移等可进行有效的模拟。本文运用有限元分析法中的ANSYS软件在桥墩上下游层各模拟-岩层层面,层面在上游侧不切切割桥桩桩底,在下游侧不切割桥桩、桩顶,倾角为岩层倾角最大值75°建立模型。模型建立后根据边坡边界条件和力学参数,分别模拟了天然状况下、施加桥荷载状况下以及加固处理后的边坡稳定性状况;通过模拟,不仅了解朱昌河特大桥4号桥墩所在边坡在各种工况下的变形破坏机制,还得到了该边坡的应力场、应变场和位移场及塑性区分布状况,并详细了解了加固处理措施的局部应力状态和加固效果,对极限平衡法进行边坡稳定性计算起到了很好的补充作用。
将极限平衡分析法和有限元分析法计算结果对比可知,极限平衡分析法使用广泛,理论成熟,计算结果可靠,由于该法计算结果偏于保守,在治理设计中常造成不必要的浪费;而有限元法是一种相对较新的边坡稳定性评价方法,原理较为先进,更符合工程实际状况,能够较为直观的表示出边坡应力、应变及塑性区分布状态。在边坡稳定性评价时,如能将两种方法结合起来,不仅能保证计算结果的安全、可靠,又能使边坡治理设计更加经济、合理。