桥基荷载作用下的边坡稳定性计算分析与设计优化
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作者: 冉 辉
建筑工程中,桥基荷载作用下的边坡问题长期以来为建筑业、广大学者所关注,桥基荷载作用下的边坡稳定性计算与设计优化对于桥基工程,甚至是建筑施工的发展都起着巨大的作用。因此,对于桥基荷载作用下的边坡稳定性的分析意义重大。
一、桥基荷载作用下的边坡稳定性计算分析
(一)有限元法概述
有限元法是用有限个单元体所构成的离散化结构替代原来的连续体结构分析岩土体的应力和变形。一般材料本构关系和应变一关系位移可以分别表示为:
{σ}=[D]{ε},{ε}=[B]{6} (1)
式中:{σ}为应力列向量,[D]为弹塑性系数矩阵,{ε}为应变列向量,[B]为应变矩阵;{δ}为位移列向量。
由虚位移原理可建立单元体的结点力与结点位移之间的关系,进而写出总体平衡方程:
{R}=[K]{δ} (2)
式中:[K]为刚度矩阵;{R}为节点荷载列向量。
(1)、(2)是有限单元法的基本方程,岩土体的应力一应变非线性关系,反映到式中,就是[D]和[K]都不是常量,都随着应力或应变的变化而变化。利用有限元法,求得每一个计算单元的应力及变形后,便可根据材料的屈服强度指标确定破坏区的位置及破坏范围的扩展情况。
(二)计算方法
首先根据现场的工程地质调查确定分析对象的类型,并在几何模型的基础上,根据岸坡参数建立数值分析模型。结合“强度折减系数法”求出边坡在桥基荷载作用下的稳定性系数。强度折减系数法的基本原理是将士体参数c,西值同时除以一个折减系数F,得到一组新的c,值,然后作为新的材料参数进行试算,当边坡处于临界状态时,也即F再稍大一些,边坡将发生破坏,对应的F被称为边坡的稳定性系数,此时土体即将发生剪切破坏,即计算结果是指达到临界状态时的折减系数F。
C'=C/F;tanφ'=tanφ/F (3)
采用强度折减法原理来进行计算,在ANSYS中单元的屈服标准为D-P准则。计算结果比M-C准则要大些,根据屈服函数以及莫尔等面积圆屈服准则下的转换关系系数η,需将岩体的内摩擦角φ及黏聚力η折减后进行计算。分析中通过提取加载情况下基底岩体的应力值,分析基底平面在加载情况下的应力变化规律。评价基础位置的合理性。
二、桥基荷载作用下的边坡稳定性的设计优化
(一)桥基荷载作用下斜坡稳定性
本文对于桥基荷载作用下的边坡稳定性的设计优化以印家溪大桥为例,其是多跨连续一刚构体系桥,桥位地处湘西自治州泸溪县洗溪镇印家村。桥位区属低山丘陵地貌,地形起伏较大,切割深。该桥跨越武水支流印家溪,溪宽15-20m,大致自北向南流入武水。水位标高一般为201.0m左右,水深一般约0.2-0.3m。溪沟两岸均为陡坡地,自然坡度3°-45°桥墩桩基均采用D280嵌岩桩,桥基设计参数:桥基长20m,横向桥基中心距6.6m,纵向中心距40m。根据现场勘查测试及室内试验结果,桥位处的主要岩土层地基设计参数:弱风化砂岩的凝聚力c取70kPa,计算摩擦角西取39°,弹性模量E取6000MPa,泊松比0.3,容重取25k N/m。桥梁上部结构采用《大型桥梁复杂结构空间分析程序LBS-1》进行空间分析,得出成桥状态下作用于桥梁桩基顶的荷载分别为:轴力、弯矩、水平力的值桥台位置处荷载按等效荷载直接作用在地基面上。
由计算结果显示。成桥状态下,当折减系数为1.67时,坡面开始出现贯通的塑性区,而折减系数大干1.677,取1.7时计算不收敛。从1.670到1.677,折减系数变化步长0.007,在满足塑性区贯通的折减系数范围内,不管取哪个值,对安全系数影响均较小,即1.670为采用外接圆屈服准则时的安全系数,根据屈服条件的转换系数,可得出莫尔一库仑等面积圆屈服准则下安全系数为1.56。由计算结果表明桥基荷载作用下边坡是稳定的。
(二)桥基位置确定
桥基合理位置的确定不仅关系到岸坡的稳定和桥梁的安全,也直接关系到整个桥梁的技术指标和造价。跨越峡谷大桥主墩台位置的变化会导致桥跨的增减。带来桥梁结构和造价的较大变化。如果桥基位置不能满足桥梁结构要求,引起线路方案的改变。将造成建设费用大大增加。随着工程实践的深入,现在的重要工程越来越迫切需要建立符合实际的三维计算模型,从岩体的屈服准则观点出发,认为可以采用等效应力影响曲线及强度折减系数来确定桥基的合理位置。等效应力考虑了局部稳定,强度折减系数考虑了边坡的整体稳定,这样确定的桥基位置更科学合理。注意到在重力场作用下,自然边坡是处于平衡状态,等效应力的增量越小,对边坡局部稳定安全系数影响越小。那么桥基位置的确定原则可为斜坡稳定折减系数和桥基荷载作用下等效应力增量最小。以防止局部破坏的可能性为原则,选取坡趾,桩基底中心位置作为研究对象,根据它们的等效应力变化情况,绘制等效应力变化曲线图,此来确定桥基对斜坡应力的影响及合理位置。以上计算主要从2个方面考虑:①附加荷载对坡趾应力的影响,②附加荷载对基底应力的影响。根据结果,可知桥基不同位置,得出的计算等效应力也不相同。坡趾等效应力增量变化曲线图说明桥基的位置越远离坡趾。对坡趾的影响越小,当超过一定距离后等效应力增量趋于稳定。桥基中心位置岩体等效应力增量变化图表明桥梁荷载在桥基底中心产生的等效应力增量随着S的增大,先急剧减少后增大,当超过一定距离后,等效应力的增量开始增大,对边坡的不利影响也随之增大。这说明当桥基位于坡趾距离较近时(小于20m),虽然边坡的稳定性提高,但是由于受到坡体重力的影响,基底应力增量较大。当桥基位置在坡趾附近时,应考虑端岩土层的承载力能力,避免由于过大应力造成基底塑性区扩大,影响上部结构安全。桥基的合理位移既要考虑坡体的整体稳定性,也要考虑桩基底应力增量,以避免局部失稳破坏。由以上分析,可知本桥基的合理位移应在距离坡趾位置20m左右。
三、结 论
总之,边坡的稳定性评价方法有很多种,主要包括圆弧法、条分法、不平衡推力传递系数法、有限元法等。而传统的边坡稳定性计算理论是基于极限平衡方法来分析,没有考虑土体本身的应力一应变关系,而有限单元法则克服了这些缺点,为处理边坡稳定分析开辟了新途径。用强度折减法理论及附加应力的概念,提出山区斜坡桥基合理位置判断的折减系数方法,该方法同时考虑基底附加应力的影响,避免边坡局部失稳破坏。
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