桥基荷载作用下三维高边坡岩体力学行为及桥基位置确定的研究

论文摘要

高陡边坡桥基位置不仅关系到高边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，随着计算机技术和岩土理论迅速发展，工程建设迫切希望提供更加可靠切实可行的高陡边坡桥基位置确定方法。三维条件下，论文利用数值分析和模型试验对荷载作用下高陡边坡岩体的力学行为特征进行了系统的分析，揭示三维条件下高边坡岩体力学行为规律并与二维结果相对比，提出三维条件下高边坡桥基位置设计方法，补充完善现有设计理论。本文主要完成以下几方面研究工作：（1）采用大型有限元分析软件ANSYS，对荷载作用下高边坡岩体应力特征和位移特征进行了详细三维有限元分析；对影响边坡力学行为特征的各种因素进行分析，包括坡度、荷载强度、桥基位置、桥基尺寸等。（2）运用岩石破裂分析软件RFPA对代表单元等效体进行数值模拟试验，获取其横观各项同性物理力学参数：将层状边坡视为横观各向同性的连续体，采用“代表单元等效体”模型进行研究；提出对层状边坡稳定最不利和最有利的岩层倾角及层面与坡面间夹角：提出卸荷裂隙边坡最有利和最不利裂隙延伸方向角度。（3）对坡面呈角型的特殊高边坡最危险面位置变化规律进行分析，引起位置变化因素包括荷载强度、坡度、桥基尺寸、桥基位置、顶面夹角等。（4）二维和三维两种状态下，对荷载作用下的高边坡岩体力学行为特征和规律进行了对比分析，得出二维计算误差随荷载强度、桥基位置、裂隙性状等因素的变化规律。（5）提出一般和特殊高边坡桥基本距离公式，分别为Sa=0．080649·α0.9511·L0．4306·[（1-0．8101B）·q]0.4868和Sa=0．339663·α0．6701·L0．4355·β0.0286·[（1-0．8588B）．q]0．398。考虑岩体质量确定均质边坡桥基距离Sf=Sa·ksr，层状边坡桥基位置Sf=Sa·ksφ·ksr·kω。编制《高边坡桥基位置简明表》，供道路建设中工程设计人员快捷参考查询。（6）基于应力影响系数法对荷载作用下高边坡三维临界滑动面形态及位置进行初步判别，进一步研究了各因素变化对临界滑动面分布形态的影响，总结荷载作用下高边坡临界滑动线变化规律，提出荷载作用下高边坡临界滑动面范围确定公式，分别为：（7）根据数值分析的结果设计模型试验，利用模型试验的原理，对荷载作用下高边坡进行模拟试验，模拟其应力位移特征和变形破坏模式，与数值分析结果对比验证。（8）以马水河大桥工程为例，首先对该岸坡稳定性进行野外现场调查，利用本文方法确定桥基位置，对该桥位下边坡的力学行为特征进行详细分析，表明在本文确定的桥位下边坡是稳定的，桥基位置是合理的。为进一步验证本文确定桥基位置方法的合理性，还利用三维地质力学模型试验对边坡的位移特征及破坏模式进行研究，结果表明实际荷载作用下边坡的位移很小，对边坡的稳定性没有影响。通过多种方法的验证，证明本文确定桥位的方法是合理的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 岩石边坡稳定性研究现状
• 1.2.2 边坡岩体力学行为的研究
• 1.2.3 高陡边坡桥基位置确定方法
• 1.3 论文主要研究内容及技术路线
• 第2章 一般高边坡岩体力学行为特征
• 2.1 荷载作用下均质高边坡岩体力学行为特征
• 2.1.1 分析工具及计算参数
• 2.1.2 基本模型
• 2.1.3 岩体基本力学行为特征
• 2.1.4 边坡岩体力学行为影响因素分析
• 2.1.5 二维较三维误差规律分析
• 2.2 荷载作用下层状高边坡岩体力学行为特征
• 2.2.1 代表单元等效体
• 2.2.2 基本模型
• 2.2.3 岩体基本力学行为特征
• 2.2.4 边坡岩体力学行为影响因素分析
• 2.2.5 二维较三维误差规律分析
• 2.3 荷载作用下卸荷裂隙高边坡岩体力学行为特征
• 2.3.1 基本模型
• 2.3.2 岩体基本力学行为特征
• 2.3.3 边坡岩体力学行为影响因素分析
• 2.3.4 二维较三维误差规律分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 特殊高边坡岩体力学行为特征
• 3.1 荷载作用下特殊均质高边坡岩体力学行为特征
• 3.1.1 基本模型
• 3.1.2 最危险面位置确定
• 3.1.3 岩体基本力学行为特征
• 3.1.4 边坡岩体力学行为影响因素分析
• 3.1.5 二维、三维一般及特殊均质边坡对比
• 3.2 荷载作用下卸荷裂隙特殊高边坡岩体力学行为特征
• 3.2.1 基本模型
• 3.2.2 岩体基本力学行为特征
• 3.2.3 边坡岩体力学行为影响因素分析
• 3.2.4 二维、三维一般及特殊卸荷裂隙边坡对比
• 3.3 本章小结
• 第4章 高陡边坡桥基位置确定方法
• 4.1 基于应力影响范围桥基位置确定方法思路
• 4.2 坡面岩体应力影响系数最大值的确定
• 4.2.1 一般高边坡
• 4.2.2 特殊高边坡
• 4.3 安全应力影响系数的限定
• 4.4 桥基位置的确定
• 4.4.1 一般高边坡
• 4.4.2 特殊高边坡
• 4.4.3 特殊情况下桥基位置确定
• 4.4.4 高边坡桥基位置确定简明表
• 4.4.5 二维、三维桥基公式对比
• 4.5 高陡边坡桥基位置确定工作步骤
• 4.6 本章小结
• 第5章 荷载作用下高边坡临界滑动面初判
• 5.1 临界滑动面确定方法
• 5.1.1 研究方法概述
• 5.1.2 应力影响系数法
• 5.2 荷载作用下高边坡临界滑动面初判
• 5.2.1 一般高边坡
• 5.2.2 特殊高边坡
• 5.3 各因素变化对高边坡临界滑动面影响
• 5.3.1 一般高边坡
• 5.3.2 特殊高边坡
• 5.4 高边坡临界滑动面范围确定
• 5.4.1 一般高边坡
• 5.4.2 特殊高边坡
• 5.5 本章小结
• 第6章 高边坡岩体力学行为特征模型试验研究
• 6.1 试验目的
• 6.2 模型设计
• 6.2.1 模型试验原理
• l选择及模拟范围确定'>6.2.2 模型几何比C_l选择及模拟范围确定
• 6.2.3 试验方案及模型尺寸
• 6.2.4 模具加工
• 6.3 模型材料和模型制作
• 6.4 模型测量加载系统
• 6.4.1 测点布置
• 6.4.2 测量系统
• 6.4.3 加载系统
• 6.5 模型试验
• 6.5.1 试验记录准备
• 6.5.2 进行试验
• 6.5.3 确定材料参数
• 6.6 数据处理
• 6.6.1 确定相似参数
• 6.6.2 应力应变关系
• 6.6.3 油压与桥基荷载关系
• 6.7 模型试验结果分析
• 6.7.1 模型应力特征
• 6.7.2 模型位移特征
• 6.7.3 破坏模式分析
• 6.7.4 对比数值分析
• 6.8 本章小结
• 第7章 工程实例
• 7.1 工程概况及工程地质条件
• 7.1.1 工程概况
• 7.1.2 桥址区工程地质条件
• 7.1.3 岸坡稳定性初步分析
• 7.2 桥基位置确定
• 7.2.1 宜昌岸
• 7.2.2 万州岸
• 7.3 马水河大桥岸坡三维有限元分析
• 7.3.1 分析方法
• 7.3.2 参数选取
• 7.3.3 网格划分及边界条件
• 7.3.4 计算结果分析
• 7.4 马水河大桥原型三维地质力学模型试验
• 7.4.1 模型设计
• 7.4.2 模型制作
• 7.4.3 模型测量加载系统
• 7.4.4 模型试验
• 7.4.5 数据处理及相似参数
• 7.4.6 模型试验结果分析
• 7.4.7 位移反算
• 7.4.8 边坡破坏形式
• 7.4.9 模型试验小结
• 7.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果