北盘江峡谷大桥高陡岸坡模型试验分析

北盘江峡谷大桥高陡岸坡模型试验分析

长期以来，模型试验一直是解决复杂工程问题的重要手段。模型试验主要应用于坝工、水工水力学、河流泥沙、海工、结构稳定性等问题研究中,并形成了比较成熟的理论。在边坡应力位移及破坏模式分析中,特别是在峡谷高陡岩石岸坡的分析中,利用模型试验进行研究的工点实例很少。本文利用模型试验的原理,对北盘江大桥岸坡位移特征进行模拟试验,为桥基稳定性评价提供依据。1北盘江大桥大桥晚工程,即期裂北盘江大桥位于贵州省发耳乡,桥位地带为高山峡谷区。该地段河流强烈下切,两岸悬崖壁立,峡谷宽度仅130m左右,壁高近200m。北盘江大桥是水(城)–柏(果)线关键工程,大桥采用单孔拱跨越北盘江峡谷,拱桥主跨236m,桥基距岸坡边缘较近,线路走行在崖顶面上。北盘江大桥地区出露二叠下统栖霞、茅口组灰岩。岩层产状为3°∠10°,微向左岸倾斜。左岸(水城岸)岩体主要发育一组节理,产状40°∠90°。右岸(柏果岸)发育有两组节理,最主要一组的产状与左岸相同,该组节理间距0.5~2m。右岸岸坡边缘还发育一组平行岸坡的卸荷裂隙,产状为20°∠90°,间距2~5m,右岸岸壁上还有一组长大贯通斜节理,间距15~30m。2模型试验过程2.1应力相似比分析模型试验的理论根据是相似原理。模型与原型,除了几何形状相似以外,同类物理量,如应力、应变、位移、容重、弹性模量、摩擦系数、泊松比、各种强度等等,也必须满足一定的比例关系。这些比例必须满足各种力学条件,如弹性力学上的平衡微分方程、几何方程、边界条件等。要使模型与原型完全相似,模型的几何特征、物理常数、初始条件和边界条件都必须和原型相似。即满足下列各条件:Cσ=ClCx,Cσ=CεCE,Cμ=1,Cδ=CεCl,Cf=Cσ。式中,Cσ为应力相似比;Cx为体积力相似比;Cl为尺寸相似比;Cε为应变相似比;Cμ为泊松比相似比;Cδ为位移相似比;Cf为边界力相似比;CE为弹性模量相似比。2.2材料的选择根据模型试验原理,模型材料应选择低弹性模量、低强度、高容重的材料。试验采用石膏与砂的混和材料,其抗压强度为5.32MPa,弹性模量为5.518×103MPa,泊松比为0.182。2.3荷载作用下的位移北盘江大桥岸坡原型沿线路方向两约束端面分别取为路基面标高线上D2K71+066处及D2K71+534处。原型高300m,宽468m。取尺寸相似比Cl=250。考虑到模型制作的难度,此处仅模拟层理及一组垂直节理,而不考虑右岸的卸荷裂隙及长大贯通节理,对结果影响不大。试验中利用百分表直接测得岸坡在荷载作用下的位移。模型及百分表(q1~q8)分布见图1。3各测点水平向、垂直向、基性变形随基底应力的变化将油压转化为桥基底部应力,经过数据处理后,绘制出各测点水平向及垂直向位移随基底应力的变化曲线,分析岸坡位移的变化规律。由于两岸地质情况不同,其位移特征也各不相同,因此分为左右两岸进行分析。3.1桥基荷载对岸坡位移的影响图2、3分别表示q1、q3测点水平方向位移随应力的变化曲线,(q2测点试验过程中脱表,未能作出全过程曲线)。测点q1位于左岸桥基处,测点q3位于左岸陡壁上(相当于原型中岸壁顶部以下50m处)。从这两个图中可以看出,左岸水平方向位移在应力较小时增加非常缓慢,当应力达到一定程度以后,水平位移迅速增加。水平位移以由缓及陡的趋势变化。图中还可以看出,应力值达到3MPa后,水平位移开始急剧增加。q4测点的水平位移曲线与q3测点的水平位移曲线类似。图4、5分别表示q1、q2测点的垂直位移随应力的变化曲线。q3和q4测点的垂直位移变化曲线与q2测点的垂直位移变化曲线类似。由此两图可以看出,桥基下方测点垂直位移基本呈现线性变化趋势,远离桥基位置的测点的垂直位移表现出随应力由缓及陡变化的趋势。同样,使垂直位移出现明显转折的应力值约为3MPa。将左岸所有测点的位移曲线合成得到图6,图中下标H表示水平方向位移,下标V表示垂直方向位移。从图6中明显可以看出,桥基处垂直方向位移最大,要比其它各点的位移都大得多,其次是桥基处水平方向的位移。此外其它各点的位移变化都比较缓慢,位移量都小于1.0mm,在试验过程中发现q2、q3、q4测点垂直位移分别在开始3、4、6级荷载下均未发生变化,q3、q4测点水平方向位移在开始3级荷载下也未发生变化。由此可知,岸坡位移主要发生在桥基处,即桥基荷载仅影响桥基附近区域。随着荷载的增加,岸坡顶部、岸壁由上而下也开始产生位移,即桥基荷载对岸坡的影响范围越来越大。当荷载达到一定程度以后,位移量迅速增长。从图2至图6中可以得出如下规律:1)垂直位移在桥基位置与应力约呈正比,在远离桥基的其它位置上,垂直位移与应力呈指数关系。桥基处位移量最大,随着测量位置与桥基间距离的增加,垂直位移量越来越小;2)水平位移与应力大致呈指数关系,位移量在桥基位置最大,在岸壁上,岸壁顶部位移小于岸壁中部位移;3)同一点上水平方向位移小于垂直方向位移。3.2变形变形期及变形规律由于在试验进行过程中,右岸桥基处及岸壁顶部位置测点水平方向位移的百分表脱离测点,其测量数据不完全,因此未能得出这两点的水平位移曲线。图7表示q7测点的水平位移随应力的变化曲线,q8测点水平位移变化曲线与此类似。q7测点均位于右岸陡壁上(原型中相当于壁顶向下65m处)。从图7中可以看出,右岸陡壁上的水平位移变化趋势呈现四个阶段的变化。第一阶段应力范围为0~0.7MPa,水平位移以岩块的压密为主,位移量很小,且增加缓慢;第二阶段应力范围为0.7~2.5MPa,水平位移以岩块的弹性变形为主,水平位移大致呈现一次线性变化,位移量增加较快;第三阶段应力范围为2.5~4.0MPa,水平位移以岩块的塑性变形为主,位移量增加缓慢;第四阶段应力大于4.0MPa后,水平位移以塑性变形及岩块沿结构面滑动为主,位移量表现出急剧上升的趋势。以上变化趋势与岩石单轴压缩应力-应变全过程曲线类似。图8和图9分别表示q5和q6测点的垂直位移变化曲线,q7和q8测点垂直位移变化曲线与q6测点类似。由此两图可以看出,除桥基下方测点垂直位移基本呈现线性变化趋势处,其余测点的垂直位移与左岸相应位置类似,均表现出由缓及陡的趋势。同样,使垂直位移出现明显转折的应力值约为3MPa。将右岸所有测点的位移曲线合成得到图10。从图10中可以看出,桥基处垂直方向位移要比其它各点的位移都大得多,其次是岸坡顶部以下两测点水平方向的位移。此外其它各位移变化都比较缓慢,位移量都小于1.2mm。q7、q8测点垂直向位移开始几级荷载下均未发生变化,而应力达到一定程度后,位移才急剧增加。综合右岸各位移曲线图,可以得出如下规律:1)垂直位移在桥基位置位移量最大,且桥基处垂直位移与应力大致呈正比,随着测量位置与桥基处距离的增加,垂直位移表现出与应力成指数关系,但位移增加缓慢;2)水平位移均表现出由缓-陡-缓-陡的发展规律。对比左右岸位移曲线,发现右岸水平方向位移比左岸对应位置的水平方向位移大,表明右岸层理倾向坡外临空面引起水平位移增加,而左岸层理倾向坡内,不利于岩体向外发展。4桥基荷载作用下的位移根据相似理论及材料参数,确定出位移相似比Cδ=647.5,应力相似比Cσ=28.19。由此反算出北盘江大桥岸坡实际桥基荷载下的位移如表1所示。从表1中可知,北盘江峡谷岸坡在实际桥基荷载作用下位移量均很小。按照模型试验结果,模型应力达到2.5MPa以后位移才随应力急剧增加,而对应于实际岸坡,达到此应力的实际荷载将是设计荷载的106倍。设计荷载下岸坡的位移是微小的,最大垂直位移发生于右岸桥基处,其位移为64.30mm,根据桥梁墩台基础沉降规范要求,该位移不会对工程产生不良影响。5基岩单轴变形过程和变形随应力的变化关系两岸桥基处垂直位移与应力大致呈正比关系,远离桥基位置垂直位移与应力大致呈指数关系。左岸水平位移与应