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峡谷区斜坡在我国西南地区广泛分布。20世纪以来,随着国家经济建设重点的转移,国家交通建设工程的重点也转向了西南多山地区,西南地区斜坡高度从百米到千米,斜坡平均坡度40°-80°。因而国家建设了大量的桥梁工程跨越该类高山峡谷。弄清楚峡谷斜坡的岩体变形破坏机制,正确评价其稳定性,才能合理利用岩体,达到桥梁工程的合理选线和设计。
本论文以拟建于贵州省普安县与水城县的交界处的河洋拱桥南拱座斜坡岩体为研究对象,该拱桥南北横跨北盘江,南拱座通过扩大基础坐落于斜坡中厚层灰岩岩体中,该斜坡为顺层陡倾岩层组成,该区是明显的深切峡谷地貌。主要通过野外地质调查、力学分析和数值模拟等手段进行综合分析,达到对河洋拱桥南拱座斜坡岩体的各种特性及各种条件下的斜坡稳定性的有一个深入的了解:分析桥位区岩体工程地质条件,根据钻孔资料和节理统计,对桥位区的岩体结构和岩体质最作出评价;概化斜坡地质模型,分析南拱座区河谷的历史演化过程,建立斜坡顺层陡倾力学模型,寻求斜坡失稳、破坏和滑移的力学机制,通过数值模拟分析该类变形破坏机制;确定斜坡在大然状态、水库蓄水、桥荷载作用下的斜坡稳定性,以斜坡安全为目标,对桥基埋置位置进行优化研究。主要研究内容如下:
(1)通过地形地貌、岩性组合、地质构造、水文条件和不良地质现象等方面对河洋拱桥南拱座岩体所处的地质环境条件进行分析,分析过程中侧重对南拱座斜坡的特征和影响斜坡稳定性的不良地质现象的研究,明确影响南拱座斜坡的主要影响因子。
(2)在明确地质环境特征的基础上,结合野外地质调查和室内分析,采用Monte-Carlo模拟方法对主要节理进行统计分析,研究节理的宏观分布特征;通过室内试验,结合目前较为流行的Q法、RMR法对桥基的灰岩进行质量评价,并在此基础上采用Hock-Brown法对风化程度不同的桥基灰岩进行计算参数的估算,以便后文计算所用;
(3)该区陡倾斜坡经历了表生改造和时效变形两个阶段形成的,在分析其地质模型的基础上建立相应的数值模型,采用不同期次的河流下切,模拟其变形机制;通过对斜坡现场变形现象的地质调查,总结该斜坡的主要变形破坏机制,同时简化地质模型建立相应的力学计算模型,采用材料力学和结构力学的计算手段,计算其发生破坏的临界点,并建立相应的判据,得出其发生倾倒破坏的临界长度为7.6m;采用数值分析手段,通过对应力场、位移场和监测信息的分析,动态展示该类变形破坏模式,同上述力学分析相互验证。
(4)综合地质历史分析,确定桥位区的潜在破坏体,运用极限平衡法计算各类工况下的稳定性,结果表明各种工况下斜坡基本处于稳定状态;同时采用数值分析手段,从应力、应变和位移场的角度分析其在天然、蓄水、和桥荷载作用下的斜坡稳定状态,指出潜在破坏区;基于应力影响范围的理论,运用统计公式和数值分析对不同位置的南拱座基础进行分析评价,最后结合经济因素和施工难易程度确定基础位置为基础底面埋深26.5米,基础外边缘距坡面32m。
综上所述,本论文的特色在于:1)通过对桥位区地质资料的详细收集和分析,建立了桥位区顺层陡倾斜坡的地质模型;2)采用多方法和多角度研究顺层陡倾斜坡的变形破坏机制,首先从结构力学的最小势能原理方面进行力学分析,建立判据;然后对该破坏模式建立数值模型,从应力、位移等方面进行定量分析;3)运用地质分析法确定了潜在危险面,并采用极限平衡法和数值分析手段对不同工况下的稳定性进行了分析,结合应力影响范围理论,采用统计和数值分析相结合的手段确定了合理的桥基位置,并评价了合理桥基位置下的斜坡的稳定性。