荷载作用下三维边坡岩体破坏范围的确定

封辉，邱恩喜，王春雷

西南交通大学土木工程学院，四川成都 ( 610031)

摘要：运用ANSYS分析软件初步研究桥基荷载作用下边坡三维岩体力学行为特征进行分析，进而利用应力影响系数的变化规律，得到边坡在桥基荷载作用下的破坏范围。

关键词：均质高边坡，有限元，三维，应力影响系数

岩体具有不连续的特征，但它不是无条件具备连续介质特征的，在某些情况下，岩体可具备连续介质特征，可以用连续介质理论对其进行分析。如：结构面不连续延展，切割不成分离的结构体，而具有完整结构岩体的特征；碎裂结构岩体在较高的围压力下结构面闭合，在摩擦作用下，使之在传递应力或变形、破坏过程中结构面不起主导作用；在人工改造作用下使其结构面人工愈合，碎裂结构岩体变成完整结构岩体。对于高陡岸坡，宏观尺寸上百米甚至数百米，即使岩体结构面发育，将岩石切割成细小的块体，但其尺寸相对于边坡来说是很小的，因此从统计平均的意义上讲，可以认为它是均匀的、各向同性的，但其材料力学属性如弹性模量、泊松比等应以等效弹性模量及等效泊松比等代替。也有很多具有不连续面的岩体边坡，可以通过人工处理手段，如锚固、灌浆等加固措施，使不连续面的影响减小，以至岩体可视为均匀各向同性连续介质。

高边坡岩体力学行为特征受多种因素的影响，对可视为均匀各向同性连续介质的岩体边坡，即均质边坡。利用有限元程序，对荷载作用下均质高陡边坡岩体力学行为特征分析，获得高陡边坡岩体力学行为特征及其变化规律，为高陡桥基边坡稳定性分析提供理论基础。

1. 基本模型

均质高边坡分析模型中均包括以下边坡几何参数，边坡几何参数包括坡高、坡度，分别用H和α表示。桥基长度用L表示，宽度用B表示桥基埋深用D表示，桥基水平距离用S表示，桥基水平距离是指桥基础外边缘线与坡面的水平距离。

数值分析采用的荷载强度参考值q=1.0MPa，一般桥梁工程实际中较少大于该值。

分析模型示意图如图1所示。为消除边界影响，模拟范围向坡脚和坡后适当延伸，坡脚向外延伸1倍坡高，坡后延伸1.5倍坡高。模型左右两端面水平约束，底面竖直约束。边坡岩体采用三维八节点实体单元，基础附近和坡脚区域网格加密，网格单元长边一般控制在2m以内，远离桥基位置网格单元长边控制在8m以内，整体模型一约90000∼120000个单元。

桥基采用线弹性材料：弹性模量E＝2.5e10Pa，泊松比为0.16，密度为2700 Kg/m3。

岩体为D-P材料：弹性模量E＝2.9e10Pa，泊松比为0.3，密度为2600 Kg/m3。

粘聚力C为20MPa，摩擦角为40度，膨胀角为0度。

1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金项目《桥基荷载作用下高陡岸坡岩体力学行为及基础设计理论研究》(编号: 20030613005)的资助。

图1 模型网格划分示意图

2. 应力影响系数确定

假定基本模型参数H=200m ，α=80º，L=15m ，B=10m ，S=15m ，D=2m ，分析该模型下高边坡的基本应力特征。桥梁荷载作用下，必定引起边坡岩体原始应力状态的变化，桥梁荷载对边坡岩体应力的影响以应力影响系数（η）表示[1]，其定义如下：

0σσηq

=

其中：σq 表示由桥基荷载产生的附加最大主应力；σ0表示由岩体自重产生的最大主应力，即岩体的初始应力。

由于荷载改变的是岩体的初始应力状态，是对岩体初始应力的扰动，采用与岩体初始应力对比的方式较合理，即采用应力影响系数。图3.12表示荷载对边坡岩体应力的影响，以应力影响系数表示。从图中可以看出，荷载对基底岩体应力的影响最大，对远离荷载作用点的岩体应力影响较小。基底应力影响系数等值线非常密集，表明基底岩体应力影响系数较大，这是因为基底岩体埋深小，由荷载产生的附加应力很大，因此应力影响系数值很大[2]。

图2应力影响系数等值线图

本文拟采用确定边坡在一给定应力影响系数下达到破坏或接近破坏来确定出三维边坡

桥基位置

破坏面或潜在破坏面的形状以及最大破坏深度、破坏范围在坡顶面和坡面交线上的最大破坏宽度，从而达到确定工程实践中的加固范围。

论文将以η＝0.1为界限表示岩体应力影响范围，以η＝0.15为边坡发生破坏或潜在破坏时对应的应力影响系数。由于在三维模型中，随着距离桥基基础距离的增加（z方向），荷载产生的附加应力逐渐减小[3][4]，如图3所示：

因此，对荷载作用下桥基岸坡破坏范围的确定，本文将通过下述方法确定：以基础中心为起点，每隔一定距离对模型作x－y剖面，对每个剖面上的应力影响系数进行分析。因为随着荷载产生的附加应力的减小，η＝0.15的等值线必然会随着剖面距离的增加逐渐消失，即此时边坡不会发生破坏或不存在潜在破坏。

A基础附加应力云图 B 基础附加应力等值线

图3 基础附加应力分布

对于此种分析方法，由于η＝0.15的等值线范围逐渐减小，必须选择一个投影面，可以将不同剖面上的破坏点投影到上面，从而通过不同剖面上η＝0.15对应的不同破坏深度来确定边坡破坏面或潜在破坏面。

图4 本文拟采用的投影位置

3. 破坏范围的确定

以以上分析为基础，论文将首先通过Z＝75m（基础中心）、85m、90m、93m、95m、97m、99m等剖面，对以上剖面下应力影响系数得的分布情况进行分析，得到边坡破坏面的大体形状和范围，并且如果分析精度需要，将加密剖面，从而得到尽可能准确的结果。

依据上述方法分析，各剖面应力影响系数分布等值线如图5所示，

图中虚线所示为η坏或潜在破坏最深。

各剖面反映出的最大影响深度分别为27m 、24m 、21m 、19m 、17m 、13m 、5m ，剖面达到Z ＝100m 时，η＝0.15等值线消失，此时应力的影响到达坡顶面。随着剖面位置向远离基础方向增加，应力影响的最大深度越来越浅，这是由于随着剖面位置的增加，基础产生的附加应力逐渐消失，对边坡的影响也逐渐消失，影响消失的位置即为边坡在桥基荷载作用下破坏或潜在破坏的最大宽度[5][6]。

此坡度下，边坡在桥基荷载作用下破坏或潜在破坏的最大宽度为25m 。

由于本文分析时只考虑从边坡基础中心剖开的一侧，因此对于边坡的潜在破坏得到的宽度仅为真实宽度的一半，真实宽度应为所得结论的两倍。

各剖面影响深度（m ）

剖面位置（m ）

图6 坡度为80o 是边坡破坏面的发展曲线

4. 结论

由以上分析可以看出，随着剖面位置远离桥基，破坏或潜在破坏位置急剧向浅部发展。从Z ＝75～95m 剖面，最大影响深度从27m 发展到17m ，变化了10m ；而从Z ＝95～100m 剖面，剖面位置仅变化了5m ，最大影响深度却从17m 迅速发展到坡顶面。说明在基础附近，由于基础附加应力较大，其对边坡影响虽然也较大，但总体变化并不大，随着远离基础，基础的附加应力对边坡的影响急剧减小，其最大影响深度也迅速“收敛“，在短距离内即到达坡

顶面。

坡度为80度，桥基荷载1.0mpa条件下，边坡的破坏宽度为50m左右，深度为26m。

参考文献

（1）詹志锋等. 峡谷区岩质桥基岸坡稳定性系统分析方法研究. 四川大学学报. V ol.35 No.6 2003

（2）蒋爵光,谢强.岩体力学基础.西南交通大学出版社.1996

（3）赵文,谢强,龙德育. 高陡岸坡桥基合理位置确定方法.中国铁道科学.V ol.25 No.6 ,2004

（4）崔治光，王起新．空间有限元数值模拟在边坡稳定分析中的应用．沈阳黄金学院学报．V ol.15 No.1 Mar.1996

（5）李思平，孙连英，基于非线性理论的边坡稳定性评价模型．水文地质工程地质．2002第2 期，11~14 （6）张永兴，哈秋舲．三峡工程永久船闸高边坡岩体力学特性研究.重庆建筑大学学报.V ol.18 No.14 Dec 1996

Three Dimensional slope rock mass destroy scope confirm

under Load

Feng Hui, Qiu Enxi, Wang Chunlei

School of Civil Eng., Southwest Jiaotong University, Chengdu, China (610031)

Abstract

The three dimensional mechanical behavior of rock mass on high-slope under load was studied by ANSYS. Using the change rule of the stress inflation modulus get the destroy scope of the slope under the load of bridge base.

Keywords: ANSYS；three dimensional；slope; stress inflation modulus

作者简介：封辉，男，1980~ ，河北石家庄人，硕士研究生，西南交通大学土木工程学院，方向：边坡工程。