北盤江峽谷大橋高陡岸坡模型試驗(yàn)分析

北盤江峽谷大橋高陡岸坡模型試驗(yàn)分析

長期以來，模型試驗(yàn)一直是解決復(fù)雜工程問題的重要手段。模型試驗(yàn)主要應(yīng)用于壩工、水工水力學(xué)、河流泥沙、海工、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等問題研究中,并形成了比較成熟的理論。在邊坡應(yīng)力位移及破壞模式分析中,特別是在峽谷高陡巖石岸坡的分析中,利用模型試驗(yàn)進(jìn)行研究的工點(diǎn)實(shí)例很少。本文利用模型試驗(yàn)的原理,對北盤江大橋岸坡位移特征進(jìn)行模擬試驗(yàn),為橋基穩(wěn)定性評價提供依據(jù)。1北盤江大橋大橋晚工程,即期裂北盤江大橋位于貴州省發(fā)耳鄉(xiāng),橋位地帶為高山峽谷區(qū)。該地段河流強(qiáng)烈下切,兩岸懸崖壁立,峽谷寬度僅130m左右,壁高近200m。北盤江大橋是水(城)–柏(果)線關(guān)鍵工程,大橋采用單孔拱跨越北盤江峽谷,拱橋主跨236m,橋基距岸坡邊緣較近,線路走行在崖頂面上。北盤江大橋地區(qū)出露二疊下統(tǒng)棲霞、茅口組灰?guī)r。巖層產(chǎn)狀為3°∠10°,微向左岸傾斜。左岸(水城岸)巖體主要發(fā)育一組節(jié)理,產(chǎn)狀40°∠90°。右岸(柏果岸)發(fā)育有兩組節(jié)理,最主要一組的產(chǎn)狀與左岸相同,該組節(jié)理間距0.5~2m。右岸岸坡邊緣還發(fā)育一組平行岸坡的卸荷裂隙,產(chǎn)狀為20°∠90°,間距2~5m,右岸岸壁上還有一組長大貫通斜節(jié)理,間距15~30m。2模型試驗(yàn)過程2.1應(yīng)力相似比分析模型試驗(yàn)的理論根據(jù)是相似原理。模型與原型,除了幾何形狀相似以外,同類物理量,如應(yīng)力、應(yīng)變、位移、容重、彈性模量、摩擦系數(shù)、泊松比、各種強(qiáng)度等等,也必須滿足一定的比例關(guān)系。這些比例必須滿足各種力學(xué)條件,如彈性力學(xué)上的平衡微分方程、幾何方程、邊界條件等。要使模型與原型完全相似,模型的幾何特征、物理常數(shù)、初始條件和邊界條件都必須和原型相似。即滿足下列各條件:Cσ=ClCx,Cσ=CεCE,Cμ=1,Cδ=CεCl,Cf=Cσ。式中,Cσ為應(yīng)力相似比;Cx為體積力相似比;Cl為尺寸相似比;Cε為應(yīng)變相似比;Cμ為泊松比相似比;Cδ為位移相似比;Cf為邊界力相似比;CE為彈性模量相似比。2.2材料的選擇根據(jù)模型試驗(yàn)原理,模型材料應(yīng)選擇低彈性模量、低強(qiáng)度、高容重的材料。試驗(yàn)采用石膏與砂的混和材料,其抗壓強(qiáng)度為5.32MPa,彈性模量為5.518×103MPa,泊松比為0.182。2.3荷載作用下的位移北盤江大橋岸坡原型沿線路方向兩約束端面分別取為路基面標(biāo)高線上D2K71+066處及D2K71+534處。原型高300m,寬468m。取尺寸相似比Cl=250。考慮到模型制作的難度,此處僅模擬層理及一組垂直節(jié)理,而不考慮右岸的卸荷裂隙及長大貫通節(jié)理,對結(jié)果影響不大。試驗(yàn)中利用百分表直接測得岸坡在荷載作用下的位移。模型及百分表(q1~q8)分布見圖1。3各測點(diǎn)水平向、垂直向、基性變形隨基底應(yīng)力的變化將油壓轉(zhuǎn)化為橋基底部應(yīng)力,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后,繪制出各測點(diǎn)水平向及垂直向位移隨基底應(yīng)力的變化曲線,分析岸坡位移的變化規(guī)律。由于兩岸地質(zhì)情況不同,其位移特征也各不相同,因此分為左右兩岸進(jìn)行分析。3.1橋基荷載對岸坡位移的影響圖2、3分別表示q1、q3測點(diǎn)水平方向位移隨應(yīng)力的變化曲線,(q2測點(diǎn)試驗(yàn)過程中脫表,未能作出全過程曲線)。測點(diǎn)q1位于左岸橋基處,測點(diǎn)q3位于左岸陡壁上(相當(dāng)于原型中岸壁頂部以下50m處)。從這兩個圖中可以看出,左岸水平方向位移在應(yīng)力較小時增加非常緩慢,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度以后,水平位移迅速增加。水平位移以由緩及陡的趨勢變化。圖中還可以看出,應(yīng)力值達(dá)到3MPa后,水平位移開始急劇增加。q4測點(diǎn)的水平位移曲線與q3測點(diǎn)的水平位移曲線類似。圖4、5分別表示q1、q2測點(diǎn)的垂直位移隨應(yīng)力的變化曲線。q3和q4測點(diǎn)的垂直位移變化曲線與q2測點(diǎn)的垂直位移變化曲線類似。由此兩圖可以看出,橋基下方測點(diǎn)垂直位移基本呈現(xiàn)線性變化趨勢,遠(yuǎn)離橋基位置的測點(diǎn)的垂直位移表現(xiàn)出隨應(yīng)力由緩及陡變化的趨勢。同樣,使垂直位移出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折的應(yīng)力值約為3MPa。將左岸所有測點(diǎn)的位移曲線合成得到圖6,圖中下標(biāo)H表示水平方向位移,下標(biāo)V表示垂直方向位移。從圖6中明顯可以看出,橋基處垂直方向位移最大,要比其它各點(diǎn)的位移都大得多,其次是橋基處水平方向的位移。此外其它各點(diǎn)的位移變化都比較緩慢,位移量都小于1.0mm,在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)q2、q3、q4測點(diǎn)垂直位移分別在開始3、4、6級荷載下均未發(fā)生變化,q3、q4測點(diǎn)水平方向位移在開始3級荷載下也未發(fā)生變化。由此可知,岸坡位移主要發(fā)生在橋基處,即橋基荷載僅影響橋基附近區(qū)域。隨著荷載的增加,岸坡頂部、岸壁由上而下也開始產(chǎn)生位移,即橋基荷載對岸坡的影響范圍越來越大。當(dāng)荷載達(dá)到一定程度以后,位移量迅速增長。從圖2至圖6中可以得出如下規(guī)律:1)垂直位移在橋基位置與應(yīng)力約呈正比,在遠(yuǎn)離橋基的其它位置上,垂直位移與應(yīng)力呈指數(shù)關(guān)系。橋基處位移量最大,隨著測量位置與橋基間距離的增加,垂直位移量越來越小;2)水平位移與應(yīng)力大致呈指數(shù)關(guān)系,位移量在橋基位置最大,在岸壁上,岸壁頂部位移小于岸壁中部位移;3)同一點(diǎn)上水平方向位移小于垂直方向位移。3.2變形變形期及變形規(guī)律由于在試驗(yàn)進(jìn)行過程中,右岸橋基處及岸壁頂部位置測點(diǎn)水平方向位移的百分表脫離測點(diǎn),其測量數(shù)據(jù)不完全,因此未能得出這兩點(diǎn)的水平位移曲線。圖7表示q7測點(diǎn)的水平位移隨應(yīng)力的變化曲線,q8測點(diǎn)水平位移變化曲線與此類似。q7測點(diǎn)均位于右岸陡壁上(原型中相當(dāng)于壁頂向下65m處)。從圖7中可以看出,右岸陡壁上的水平位移變化趨勢呈現(xiàn)四個階段的變化。第一階段應(yīng)力范圍為0~0.7MPa,水平位移以巖塊的壓密為主,位移量很小,且增加緩慢;第二階段應(yīng)力范圍為0.7~2.5MPa,水平位移以巖塊的彈性變形為主,水平位移大致呈現(xiàn)一次線性變化,位移量增加較快;第三階段應(yīng)力范圍為2.5~4.0MPa,水平位移以巖塊的塑性變形為主,位移量增加緩慢;第四階段應(yīng)力大于4.0MPa后,水平位移以塑性變形及巖塊沿結(jié)構(gòu)面滑動為主,位移量表現(xiàn)出急劇上升的趨勢。以上變化趨勢與巖石單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線類似。圖8和圖9分別表示q5和q6測點(diǎn)的垂直位移變化曲線,q7和q8測點(diǎn)垂直位移變化曲線與q6測點(diǎn)類似。由此兩圖可以看出,除橋基下方測點(diǎn)垂直位移基本呈現(xiàn)線性變化趨勢處,其余測點(diǎn)的垂直位移與左岸相應(yīng)位置類似,均表現(xiàn)出由緩及陡的趨勢。同樣,使垂直位移出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折的應(yīng)力值約為3MPa。將右岸所有測點(diǎn)的位移曲線合成得到圖10。從圖10中可以看出,橋基處垂直方向位移要比其它各點(diǎn)的位移都大得多,其次是岸坡頂部以下兩測點(diǎn)水平方向的位移。此外其它各位移變化都比較緩慢,位移量都小于1.2mm。q7、q8測點(diǎn)垂直向位移開始幾級荷載下均未發(fā)生變化,而應(yīng)力達(dá)到一定程度后,位移才急劇增加。綜合右岸各位移曲線圖,可以得出如下規(guī)律:1)垂直位移在橋基位置位移量最大,且橋基處垂直位移與應(yīng)力大致呈正比,隨著測量位置與橋基處距離的增加,垂直位移表現(xiàn)出與應(yīng)力成指數(shù)關(guān)系,但位移增加緩慢;2)水平位移均表現(xiàn)出由緩-陡-緩-陡的發(fā)展規(guī)律。對比左右岸位移曲線,發(fā)現(xiàn)右岸水平方向位移比左岸對應(yīng)位置的水平方向位移大,表明右岸層理傾向坡外臨空面引起水平位移增加,而左岸層理傾向坡內(nèi),不利于巖體向外發(fā)展。4橋基荷載作用下的位移根據(jù)相似理論及材料參數(shù),確定出位移相似比Cδ=647.5,應(yīng)力相似比Cσ=28.19。由此反算出北盤江大橋岸坡實(shí)際橋基荷載下的位移如表1所示。從表1中可知,北盤江峽谷岸坡在實(shí)際橋基荷載作用下位移量均很小。按照模型試驗(yàn)結(jié)果,模型應(yīng)力達(dá)到2.5MPa以后位移才隨應(yīng)力急劇增加,而對應(yīng)于實(shí)際岸坡,達(dá)到此應(yīng)力的實(shí)際荷載將是設(shè)計荷載的106倍。設(shè)計荷載下岸坡的位移是微小的,最大垂直位移發(fā)生于右岸橋基處,其位移為64.30mm,根據(jù)橋梁墩臺基礎(chǔ)沉降規(guī)范要求,該位移不會對工程產(chǎn)生不良影響。5基巖單軸變形過程和變形隨應(yīng)力的變化關(guān)系兩岸橋基處垂直位移與應(yīng)力大致呈正比關(guān)系,遠(yuǎn)離橋基位置垂直位移與應(yīng)力大致呈指數(shù)關(guān)系。左岸水平位移與應(yīng)