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北盘江大桥岸坡模型试验研究 1 北盘江大桥地区 北环江大桥位于贵州省发耳市，桥位于高山峡谷。该地段河流强烈下切, 河段顺直。两岸悬崖壁立, 峡谷宽度约130 m, 壁高近200 m。北盘江大桥地区出露下二叠栖霞、茅口灰岩。岩层产状为N3°/10°E, 微向左岸倾斜。左岸 (水城岸) 岸坡岩体完整, 节理不甚发育。右岸 (柏果岸) 主要发育有两组节理, 产状E-W/80°S, N40°/90°, 节理间距0.5～2 m。 2 模型试验过程 2.1 平衡微分方程和边界条件 模型试验的理论根据是相似原理。模型与原型同类物理量如应力、应变、位移、重度、弹性模量、摩擦系数、泊松比、各种强度等, 必须满足一定的比例关系。这些比例必须满足平衡微分方程、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。 2.2 材料、材料 取尺寸相似比Cl=250, 根据模型相似原理, 模型材料应选择低弹模、低强度、高重度的材料。此处采用石膏与砂的混和材料, 通过材料试验确定其抗压强度为5.32 MPa, 弹性模量为5.518×103MPa, 泊松比为0.182, 最终确定位移相似比Cδ=647.5, 应力相似比Cσ=28.19。 2.3 模型及百分表位置 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+66处及D2K71+534处。模型高1.5 m, 宽2 m。为了便于观察模型变形, 在模型不同位置上布置百分表, 模型及百分表位置如图1所示。 试验过程中采用千斤顶加载, 通过压力表控制加载, 加载速率为0.5 MPa/每级 (指高压油管的油压, 需通过换算求出桥基压力) 。整个试验过程共进行了16级加载, 最终达到右岸破坏而停止试验。 3 第一阶段10级荷载下 模型经过16级加载后破坏, 加在模型桥基上的最大压力为5.8 MPa。以下各图是加载后岸坡的变形情况。 第1级荷载下模型几乎没有变化。此时将模型上所有百分表调整为零或给予一定的初读数。 第4级荷载下模型左岸变形不十分明显, 但右岸明显可见桥基后侧的垂直节理宽度增加, 桥基前侧节理宽度也有少量增加 (见图2, 图上仅表示出该节理宽度增加的范围) 。 第7级荷载下, 左岸表现出桥基前后侧竖直节理宽度有少许增加, 右岸桥基后侧竖直节理宽度进一步加大, 且影响深度增加, 桥基前侧节理宽度有一定改变。 第10级荷载下, 左岸竖直节理宽度继续增加, 右岸两竖直节理宽度也继续增加, 影响深度也更大。 第13级荷载下, 左岸除竖直节理宽度继续发展外, 桥基下方还出现裂纹, 桥基下方较远处块体上也出现裂纹。右岸桥基下方两个块体上也出现了弧形裂纹, 此外桥基前后侧垂直节理宽度继续增加, 影响深度进一步加大 (见图3) 。 第16级荷载下模型右岸破坏。模型破坏时, 右岸下方两个块体裂纹贯通, 形成宏观裂隙, 块体剪切破坏。左岸桥基下方裂纹增加 (见图4) 。 从图2至图4可知, 随着荷载的增加, 变形主要以右岸为主, 右岸变形以块体向临空面移动为主。随荷载增加, 右岸桥基后侧的一组垂直节理裂隙宽度逐渐增加, 其影响深度也越来越大。破坏时, 此垂直节理张开宽度4 mm, 深度约70 cm, 向下还有一定的发展。此外, 桥基前方的一组垂直节理张开宽度约3 mm, 深约30 cm。左岸桥基前方一组垂直节理张开宽度约2 mm, 深约40 cm。 当基底应力达到4.0 MPa左右时, 右岸桥基下方块体中开始出现裂纹。随着荷载进一步增加, 裂纹逐渐加深加宽, 当基底应力达到5.8 MPa时, 右岸桥基出现破坏, 桥基下方块体裂隙贯通, 形成宽6 mm、延长达30 cm左右的拉张破坏裂隙, 如照片1所示。破坏时左岸如照片2所示。 4 基岩位移分析 根据确定的相似参数, 可以反算出北盘江大桥岸坡在实际桥基设计荷载下的位移如表1。 从表1中可知, 桥基处最大垂直位移为6.430 mm, 位移量远远小于桥梁墩台基础的沉降规定的限度, 此位移量对基础的影响很小。 根据模型试验结果及应力相似比, 可以确定在设计荷载106倍的荷载条件下, 岸坡位移才开始迅速增加。在设计荷载170倍的荷载条件下, 两岸基底岩体才开始出现裂纹。因受层理倾向的影响, 右岸位移比左岸要大些。但在设计荷载下, 岸坡是稳定的。 5 基底岩体剪切破坏 北盘江大桥岸坡在设计荷载170倍的强大荷载下右岸破坏, 破坏模式表现为基底岩体剪切破坏。设计荷载下, 岸坡左岸桥基处垂直位移约2.004 mm, 右岸桥基处垂直位移约6.430 mm, 受层理倾向影响, 右岸变形较左岸对应位置大。设计荷载下, 岸坡是稳定的。