橋梁兩岸邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析_圖文

1、鐵道建筑Railway Engineering September,2005文章編號:100321995(20050920072203橋梁兩岸邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析董志明1,劉洪興2(11北京交通大學(xué),北京100044;21重慶高等級公路建設(shè)投資有限公司,重慶401147摘要:在岸坡上修建橋梁時(shí),橋梁荷載作用下岸坡的穩(wěn)定性對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性有重大的影響。文章結(jié)合北盤江大橋工程實(shí)例,利用大型通用ANSY S軟件的強(qiáng)大圖形與網(wǎng)格劃分功能建立了前處理模型,并應(yīng)用ANSY S中參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APD L將模型導(dǎo)入三維快速拉格朗日差分法軟件F LAC3D中進(jìn)行計(jì)算模擬,再應(yīng)用F LAC3D內(nèi)嵌的Fish

2、語言將計(jì)算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到科技繪圖軟件T ecPlot中進(jìn)行后處理分析,最后將數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,取得了令人滿意的結(jié)果。關(guān)鍵詞:橋梁岸坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬差分法F LAC3D中圖分類號:U44215文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0前言我國西南大部分地區(qū)屬于多山丘陵地帶。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施,大量的交通線路需要跨越河流、峽谷,因此需要許多大跨度的橋梁。在這些地段地勢陡峭,地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,各種地質(zhì)災(zāi)害頻繁1,再加上橋梁墩臺(tái)傳下的荷載,橋岸邊坡的穩(wěn)定性受到很大的威脅,而邊坡的穩(wěn)定性又影響著橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。因此,對橋梁兩岸邊坡的穩(wěn)定性研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前國內(nèi)外對邊坡穩(wěn)定性的研究

3、十分活躍,研究方法主要以強(qiáng)度折減法為主的理論計(jì)算法及以有限元為主的數(shù)值計(jì)算法為多24,也提出了很多有用的結(jié)論和有效的處理措施5,6。但是,由于目前理論分析的水平發(fā)展有限,很難達(dá)到令人滿意的精確計(jì)算結(jié)果,而由于邊坡土體的非線性與復(fù)雜性,利用有限元法數(shù)值計(jì)算也難以達(dá)到滿意的結(jié)果。本文采用美國Itasca工程咨詢公司開發(fā)的三維快速拉格朗日差分法軟件F LAC3D(Fast Lagrangian Analysis of C ontinua進(jìn)行模擬計(jì)算。F LAC3D對模擬塑性破壞和塑性流動(dòng)采用的是“混合離散法”,這種方法比有限元法中通常采用的“離散集成法”更為準(zhǔn)確、合理。同時(shí), F LAC3D采用了動(dòng)

4、態(tài)運(yùn)動(dòng)方程,這使得F LAC3D在模擬物理上的不穩(wěn)定過程不存在數(shù)值上的障礙。F LAC3D能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析。F LAC3D還具有內(nèi)嵌的Fish語言功能,可以方便地控制建模和計(jì)算過程以及后處理。本文將F LAC3D數(shù)值模擬分析結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果7進(jìn)行比較,獲得了令人滿意的計(jì)算結(jié)果。1工程概況本文計(jì)算是以北盤江特大橋兩岸的邊坡為例,北盤江大橋位于貴州省發(fā)耳鄉(xiāng),橋位處于高山峽谷區(qū)。該地區(qū)河流強(qiáng)烈下切,河段順直。兩岸懸崖壁陡,峽谷寬度約130m,壁高近200m。工程地質(zhì)狀況可以參閱參考文獻(xiàn)1,7。北盤江大橋主塔承臺(tái)為邊長1215m、高5m的正方體,橋基岸

5、坡的穩(wěn)定性關(guān)系到橋梁的安全,也直接關(guān)系到橋梁的跨度與造價(jià)。本文通過F LAC3D 數(shù)值模擬軟件研究在大橋荷載下邊坡內(nèi)部應(yīng)力場、位移場的分布及變形狀態(tài),分析橋墩臺(tái)對邊坡穩(wěn)定性的影響。2計(jì)算模型與參數(shù)211建模思想與過程北盤江大橋?qū)嶋H地形地貌復(fù)雜,采用F LAC3D中網(wǎng)格生成器難以滿足快速準(zhǔn)確建模的要求,因此本文研究了一種新的建模思想與過程。首先利用大型通用ANSY S軟件的強(qiáng)大圖形與網(wǎng)格劃分功能建立了邊坡實(shí)體與劃分網(wǎng)格生成前處理模型,并應(yīng)用ANSY S中參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APD L讀出模型的幾何形狀以及材料屬性,再將模型導(dǎo)入F LAC3D中進(jìn)行計(jì)算模擬。完成計(jì)算后,又應(yīng)用F LAC3D內(nèi)嵌的Fish

6、語言將計(jì)算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到科技繪圖軟件T ecplot中進(jìn)行后處理分析。計(jì)算模型共有2783差分網(wǎng)格和5830網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型如圖1所示。212計(jì)算參數(shù)27 圖1計(jì)算模型示意圖模型材料采用莫爾庫侖(M ohr 2C oulomb 材料破壞準(zhǔn)則模擬。計(jì)算模型中巖層與橋基的物理力學(xué)參數(shù)如表1與表2所示。大橋設(shè)計(jì)承載能力與大橋自身重量作為荷載作用在邊坡上,荷載由正應(yīng)力與因彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力兩部分組成,如圖2及表3所示。表1混凝土橋基的物理力學(xué)參數(shù)名稱重度(kN m 3內(nèi)摩擦角(°粘聚力MPa變形模量G Pa泊松比抗拉強(qiáng)度MPa 混凝土271040230011672表2巖體物理力學(xué)參數(shù)名稱風(fēng)化程度重

7、度(kN m 3內(nèi)摩擦角(°粘聚力MPa 變形模量G Pa泊松比抗拉強(qiáng)度MPa弱23183101961401 2901 8注:應(yīng)力單位:MPa圖2橋梁荷載作用示意圖表3作用在邊坡上的大橋荷載左岸(鎮(zhèn)寧側(cè)右岸(勝境關(guān)側(cè)正應(yīng)力MPa彎矩產(chǎn)生應(yīng)力大小MPa 梯度(MPa m 正應(yīng)力MPa彎矩產(chǎn)生應(yīng)力大小MPa 梯度(MPa m 1192860156500109041175300151400108223數(shù)值模擬結(jié)果311初始地應(yīng)力分析初始地應(yīng)力的數(shù)值計(jì)算結(jié)果見圖3、圖4。圖3初始水平方向應(yīng)力等值線圖圖4初始豎直方向應(yīng)力等值線圖由以上初始地應(yīng)力分析可見,在自然狀態(tài)下,邊坡處地應(yīng)力梯度較大,巖體

8、自重產(chǎn)生的水平應(yīng)力與豎直應(yīng)力在坡腳形成應(yīng)力集中區(qū),表明坡腳是巖體易松動(dòng)的區(qū)域,在橋墩選址時(shí)應(yīng)減少橋梁荷載對邊坡穩(wěn)定性的影響范圍,特別是對坡腳處應(yīng)力狀態(tài)的不利影響。312大橋荷載作用分析因?yàn)榇髽蚝奢d相對于巖土自重還是比較小的,因此在大橋荷載作用下,邊坡應(yīng)力狀態(tài)的變化不是很明顯,分析也不直觀,所以下面對大橋荷載作用下邊坡直觀的水平位移與豎直位移進(jìn)行分析,其等值圖如圖5與圖6所示,從分析結(jié)果可得:1在大橋荷載作用下,邊坡最大水平位移為114mm ,出現(xiàn)在左岸橋基處,產(chǎn)生原因是橋墩的擠入作用。左邊破壁水平位移為012mm ,向左;右邊坡壁水平位移為016mm ,向右。372005年第9期橋梁兩岸邊坡穩(wěn)

9、定性的數(shù)值模擬分析 圖5邊坡水平位移等值線圖 圖6邊坡豎直位移等值線圖2在大橋荷載作用下,左岸橋基處豎直位移為915mm ,右岸橋基處豎直位移為615mm 。左邊破壁豎直位移為115mm ,右邊破壁豎直位移為015mm 。3從水平位移與豎直位移等值線圖來看,大橋荷載作用下邊坡處等值線變化平滑,位移值較小,說明邊坡上橋墩的選址是合理的。4根據(jù)相似原理建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?施加橋梁荷載作用進(jìn)行試驗(yàn),得出模型的位移變形結(jié)果,再根據(jù)確定的相似參數(shù)反算出邊坡位移。試驗(yàn)結(jié)果如下:左岸岸壁水平位移01325mm ,右岸岸壁水平位移01638mm 。本文的數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。4結(jié)論以北盤江大橋兩岸邊坡

10、穩(wěn)定性研究為實(shí)例,本文得出了一些結(jié)論:1數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果比較吻合,按設(shè)計(jì)大橋荷載與橋墩選址,邊坡所受影響范圍不大,位移值較小,橋岸邊坡是穩(wěn)定的。2隨著目前計(jì)算機(jī)科學(xué)與數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬能取代一些試驗(yàn),作為工程研究的一種重要手段。實(shí)例也證實(shí)F LAC 3D在巖土工程中的數(shù)值模擬是有效的。3本文提出的多個(gè)計(jì)算分析軟件與圖形軟件協(xié)同建模、計(jì)算模擬、作圖分析的思路是可取的,這種方法能減少建模的時(shí)間和精力,直觀分析計(jì)算結(jié)果,值得進(jìn)一步研究和探討。參考文獻(xiàn)1王初生,晏鄂川,劉佑榮.北盤江大橋巖體工程地質(zhì)評價(jià)J .地質(zhì)科技情報(bào),2002,21(3:972100.2Daws on E M

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