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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130 m左右,壁高近200 m。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236 m,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0.5~2 m。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2~5 m,右岸岸壁上还有一组长大贯通斜节理,间距15~30 m。 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5.32 MPa,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300 m,宽468 m。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50 m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3 MPa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3 MPa。 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1.0 mm,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