桥梁两岸边坡稳定性的数值模拟分析_图文

1、铁道建筑Railway Engineering September,2005文章编号:100321995(20050920072203桥梁两岸边坡稳定性的数值模拟分析董志明1,刘洪兴2(11北京交通大学,北京100044;21重庆高等级公路建设投资有限公司,重庆401147摘要:在岸坡上修建桥梁时,桥梁荷载作用下岸坡的稳定性对桥梁结构的安全性有重大的影响。文章结合北盘江大桥工程实例,利用大型通用ANSY S软件的强大图形与网格划分功能建立了前处理模型,并应用ANSY S中参数化设计语言APD L将模型导入三维快速拉格朗日差分法软件F LAC3D中进行计算模拟,再应用F LAC3D内嵌的Fish

2、语言将计算数据转化到科技绘图软件T ecPlot中进行后处理分析,最后将数值模拟结果与模型试验结果进行对比,取得了令人满意的结果。关键词:桥梁岸坡稳定性数值模拟差分法F LAC3D中图分类号:U44215文献标识码:A0前言我国西南大部分地区属于多山丘陵地带。随着国民经济的发展以及西部大开发战略的实施,大量的交通线路需要跨越河流、峡谷,因此需要许多大跨度的桥梁。在这些地段地势陡峭,地质结构复杂,各种地质灾害频繁1,再加上桥梁墩台传下的荷载,桥岸边坡的稳定性受到很大的威胁,而边坡的稳定性又影响着桥梁结构的安全性。因此,对桥梁两岸边坡的稳定性研究具有十分重要的现实意义。目前国内外对边坡稳定性的研究

3、十分活跃,研究方法主要以强度折减法为主的理论计算法及以有限元为主的数值计算法为多24,也提出了很多有用的结论和有效的处理措施5,6。但是,由于目前理论分析的水平发展有限,很难达到令人满意的精确计算结果,而由于边坡土体的非线性与复杂性,利用有限元法数值计算也难以达到满意的结果。本文采用美国Itasca工程咨询公司开发的三维快速拉格朗日差分法软件F LAC3D(Fast Lagrangian Analysis of C ontinua进行模拟计算。F LAC3D对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是“混合离散法”,这种方法比有限元法中通常采用的“离散集成法”更为准确、合理。同时, F LAC3D采用了动

4、态运动方程,这使得F LAC3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。F LAC3D能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。F LAC3D还具有内嵌的Fish语言功能,可以方便地控制建模和计算过程以及后处理。本文将F LAC3D数值模拟分析结果与模型试验结果7进行比较,获得了令人满意的计算结果。1工程概况本文计算是以北盘江特大桥两岸的边坡为例,北盘江大桥位于贵州省发耳乡,桥位处于高山峡谷区。该地区河流强烈下切,河段顺直。两岸悬崖壁陡,峡谷宽度约130m,壁高近200m。工程地质状况可以参阅参考文献1,7。北盘江大桥主塔承台为边长1215m、高5m的正方体,桥基岸

5、坡的稳定性关系到桥梁的安全,也直接关系到桥梁的跨度与造价。本文通过F LAC3D 数值模拟软件研究在大桥荷载下边坡内部应力场、位移场的分布及变形状态,分析桥墩台对边坡稳定性的影响。2计算模型与参数211建模思想与过程北盘江大桥实际地形地貌复杂,采用F LAC3D中网格生成器难以满足快速准确建模的要求,因此本文研究了一种新的建模思想与过程。首先利用大型通用ANSY S软件的强大图形与网格划分功能建立了边坡实体与划分网格生成前处理模型,并应用ANSY S中参数化设计语言APD L读出模型的几何形状以及材料属性,再将模型导入F LAC3D中进行计算模拟。完成计算后,又应用F LAC3D内嵌的Fish

6、语言将计算数据转化到科技绘图软件T ecplot中进行后处理分析。计算模型共有2783差分网格和5830网格节点。计算模型如图1所示。212计算参数27 图1计算模型示意图模型材料采用莫尔库仑(M ohr 2C oulomb 材料破坏准则模拟。计算模型中岩层与桥基的物理力学参数如表1与表2所示。大桥设计承载能力与大桥自身重量作为荷载作用在边坡上,荷载由正应力与因弯矩产生的应力两部分组成,如图2及表3所示。表1混凝土桥基的物理力学参数名称重度(kN m 3内摩擦角(°粘聚力MPa变形模量G Pa泊松比抗拉强度MPa 混凝土271040230011672表2岩体物理力学参数名称风化程度重

7、度(kN m 3内摩擦角(°粘聚力MPa 变形模量G Pa泊松比抗拉强度MPa弱23183101961401 2901 8注:应力单位:MPa图2桥梁荷载作用示意图表3作用在边坡上的大桥荷载左岸(镇宁侧右岸(胜境关侧正应力MPa弯矩产生应力大小MPa 梯度(MPa m 正应力MPa弯矩产生应力大小MPa 梯度(MPa m 1192860156500109041175300151400108223数值模拟结果311初始地应力分析初始地应力的数值计算结果见图3、图4。图3初始水平方向应力等值线图图4初始竖直方向应力等值线图由以上初始地应力分析可见,在自然状态下,边坡处地应力梯度较大,岩体

8、自重产生的水平应力与竖直应力在坡脚形成应力集中区,表明坡脚是岩体易松动的区域,在桥墩选址时应减少桥梁荷载对边坡稳定性的影响范围,特别是对坡脚处应力状态的不利影响。312大桥荷载作用分析因为大桥荷载相对于岩土自重还是比较小的,因此在大桥荷载作用下,边坡应力状态的变化不是很明显,分析也不直观,所以下面对大桥荷载作用下边坡直观的水平位移与竖直位移进行分析,其等值图如图5与图6所示,从分析结果可得:1在大桥荷载作用下,边坡最大水平位移为114mm ,出现在左岸桥基处,产生原因是桥墩的挤入作用。左边破壁水平位移为012mm ,向左;右边坡壁水平位移为016mm ,向右。372005年第9期桥梁两岸边坡稳

9、定性的数值模拟分析 图5边坡水平位移等值线图 图6边坡竖直位移等值线图2在大桥荷载作用下,左岸桥基处竖直位移为915mm ,右岸桥基处竖直位移为615mm 。左边破壁竖直位移为115mm ,右边破壁竖直位移为015mm 。3从水平位移与竖直位移等值线图来看,大桥荷载作用下边坡处等值线变化平滑,位移值较小,说明边坡上桥墩的选址是合理的。4根据相似原理建立试验模型,施加桥梁荷载作用进行试验,得出模型的位移变形结果,再根据确定的相似参数反算出边坡位移。试验结果如下:左岸岸壁水平位移01325mm ,右岸岸壁水平位移01638mm 。本文的数值模拟结果与模型试验结果比较吻合。4结论以北盘江大桥两岸边坡

10、稳定性研究为实例,本文得出了一些结论:1数值模拟结果与模型试验结果比较吻合,按设计大桥荷载与桥墩选址,边坡所受影响范围不大,位移值较小,桥岸边坡是稳定的。2随着目前计算机科学与数值计算技术的发展,数值模拟能取代一些试验,作为工程研究的一种重要手段。实例也证实F LAC 3D在岩土工程中的数值模拟是有效的。3本文提出的多个计算分析软件与图形软件协同建模、计算模拟、作图分析的思路是可取的,这种方法能减少建模的时间和精力,直观分析计算结果,值得进一步研究和探讨。参考文献1王初生,晏鄂川,刘佑荣.北盘江大桥岩体工程地质评价J .地质科技情报,2002,21(3:972100.2Daws on E M

11、,R oth W H ,Drescher A.S lope stability analysis by strength reductionJ .G eotechnique ,1999,(6:8352840.3G riffiths D V ,Lane P A.S lope stability analysis by finite elementsJ .G eotechnique.1999,(3:3872403.4安然,杨丽.基于有限元计算的公路岩土边坡可靠性分析J .公路交通科技,2004,21(7:39241.5潘永坚.舟山大陆连岛工程西堠门大桥北塔位天然岩质边坡的稳定性J .山地学报,20

12、04,22(4:4672471.6桂树强,殷坤龙,等.九石阿二级公路南盘江特大桥边坡综合治理对策研究J .岩石力学与工程学报,2004,23(8:137521379.7赵文,谢强.北盘江大桥岸坡变形及破坏模式模型试验研究J .铁道建筑,2002,(6:426.收稿日期:2005-06-08(责任审编孟庆伶上海今年轨道交通在建150km根据交通专家对上海市目前交通拥堵现状做出的“诊断”,市建设部门日前决定:增加设施供给,将轨道交通基本网络的建设,作为今年上海城市建设的重中之重,确保在建轨道交通里程达150km 。针对上海市交通面临阶段性、区域性、结构性矛盾并存的特点,今年上海在确保4号线“C ”型段试