汶川地震災(zāi)區(qū)某工程開挖邊坡變形三維穩(wěn)定性分析

范磊,陶連金,魏云杰,朱劍

(北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124)

汶川地震災(zāi)區(qū)某工程開挖邊坡變形三維穩(wěn)定性分析

范磊,陶連金,魏云杰,朱劍

(北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124)

汶川地震災(zāi)區(qū)某邊坡,因廠房建設(shè)需要,對(duì)其進(jìn)行開挖改造。鑒于其穩(wěn)定性對(duì)工廠正常運(yùn)行有重要影響,本文在巖體質(zhì)量分級(jí)和巖體結(jié)構(gòu)模型概化的基礎(chǔ)上,采用快速拉格朗日差分法FLAC3D模擬邊坡開挖,分析了邊坡在自然條件、暴雨條件以及地震條件下的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、剪應(yīng)變?cè)隽考八苄詤^(qū)的分布和變化特征。研究結(jié)果表明:邊坡開挖引起坡面局部應(yīng)力集中,后緣易拉裂破壞;降雨時(shí)呈現(xiàn)部分區(qū)域安全儲(chǔ)備較低;在地震作用下,邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

邊坡;FLAC3D;巖體質(zhì)量;擬靜力;穩(wěn)定性

汶川地震災(zāi)區(qū)某邊坡屬于山區(qū)構(gòu)造剝蝕斜坡地貌,因建廠房需要,對(duì)邊坡進(jìn)行了人工改造,改造后的北邊坡為一折線型巖質(zhì)邊坡,坡面共分4個(gè)臺(tái)階,每個(gè)臺(tái)階高度16 m,臺(tái)階上平臺(tái)寬度4 m,設(shè)計(jì)坡比1∶1,邊坡總體高度64 m,東側(cè)邊坡為2個(gè)臺(tái)階的以土質(zhì)為主的邊坡。鑒于邊坡穩(wěn)定的重要性和工廠正常持續(xù)運(yùn)營(yíng)的嚴(yán)格要求,分析評(píng)價(jià)邊坡開挖變形穩(wěn)定性具有重要意義。

1 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)位于四川盆地北部,處于山地和盆地交接地帶,氣候溫和濕潤(rùn),雨量較多,歷年平均降雨量在900～1100 mm之間,通常6～9月為雨季,占年降雨量的75%。地勢(shì)海拔高,調(diào)查未見地下水位,大氣降水,排泄于沖谷或補(bǔ)給下伏基巖裂隙。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、調(diào)繪,該場(chǎng)地邊坡區(qū)內(nèi)填土覆蓋層厚度大,主要為含粘性土碎石層,坡下見基巖出露,基巖露頭測(cè)量巖層產(chǎn)狀約313°∠65°,下伏基巖呈單斜構(gòu)造。垂向地層分布為:第四系全新統(tǒng)坡積形成的粉質(zhì)粘土、含粘性土碎石層(),下伏基巖為茂縣群滑天坡組中下段(Sh1+2)頁巖。區(qū)內(nèi)構(gòu)造(走馬嶺向斜、河灣場(chǎng)背斜)屬四川盆地邊緣弧形(華夏式)構(gòu)造帶,西北側(cè)受龍門山構(gòu)造制約,東南西側(cè)受巴中蓮花狀構(gòu)造影響,總體呈由北東逐漸向東偏轉(zhuǎn)的弧形舒緩寬展褶皺。

2 邊坡巖體質(zhì)量分級(jí)

巖體力學(xué)參數(shù)是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素之一,準(zhǔn)確確定邊坡巖體力學(xué)參數(shù),是進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和基礎(chǔ)性工作[2]。巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)是巖體自然特性的反映,因此,用評(píng)價(jià)結(jié)果來估算邊坡巖體力學(xué)參數(shù)具有重要實(shí)際意義。CSMR分類體系充分考慮了巖石材料強(qiáng)度、巖石質(zhì)量指標(biāo)、地下水條件、不連續(xù)面條件、不連續(xù)面間距、不連續(xù)面-邊坡面產(chǎn)狀關(guān)系、邊坡破壞模式、邊坡開挖方法,并引入高度修正系數(shù)和結(jié)構(gòu)面修正系數(shù),在此基礎(chǔ)上李天斌等分析總結(jié)以往邊坡巖體質(zhì)量分級(jí)的工程實(shí)例和經(jīng)驗(yàn),對(duì)CSMR分類法中的F3和λ的分類與取值進(jìn)行了修正[3]。修正后的CSMR分類體系更能充分反映巖體自然特性。根據(jù)上述方法及大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查將邊坡巖體質(zhì)量分為Ⅲ～Ⅴ類,北邊坡典型剖面,如圖1所示。

圖1 北邊坡典型剖面Fig.1 No rth Slope typical p rofile

根據(jù)工程勘察報(bào)告,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巖體質(zhì)量分級(jí),邊坡各級(jí)巖體物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical-mechanical parameters of rock mass

3 邊坡變形穩(wěn)定性分析

3.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

計(jì)算范圍是以需研究的邊坡為中心,平面上X向?qū)挾葹?00 m,Y向?qū)挾葹?00 m,頂面以原始地面及開挖面為界,底面取海拔高程270 m。根據(jù)工程要求、開挖情況、現(xiàn)場(chǎng)踏勘以及相應(yīng)的工程地質(zhì)條件,建立開挖后邊坡的三維地質(zhì)模型,如圖2所示。模型共有152807個(gè)單元,29071個(gè)結(jié)點(diǎn)。

圖2 計(jì)算模型圖Fig.2 Calculating model

在本次模擬中,采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則,在模型的周邊邊界和底部X,Y,Z方向位移都被約束即模型周邊邊界處于原巖應(yīng)力狀態(tài),不受邊坡開挖的影響。不考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響,把構(gòu)造應(yīng)力作為安全儲(chǔ)備系數(shù),在巖體自重應(yīng)力作用下進(jìn)行初始應(yīng)力計(jì)算[4]。

3.2 自然條件下邊坡穩(wěn)定性分析

北側(cè)邊坡開挖按設(shè)計(jì)方案采用分臺(tái)階開挖方式,共分為4步開挖,每步開挖均為45°放坡,每級(jí)臺(tái)階高16 m,臺(tái)階平臺(tái)寬4 m,依次從頂?shù)降组_挖。東側(cè)邊坡局部?jī)膳_(tái)階,其余一臺(tái)階開挖。中間為將來建廠房場(chǎng)址區(qū)。

3.2.1 邊坡開挖后的應(yīng)力場(chǎng)分析

工程開挖后,從圖3～4邊坡最大、最小主應(yīng)力分布特征可以看出,主應(yīng)力等值線平滑,幾乎相互平行,很少出現(xiàn)突變,在坡面部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,即在開挖面上邊坡部分區(qū)域處于受拉狀態(tài)。而隨著邊坡的開挖,坡后緣距開挖坡頂40 m范圍最小主應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力,此部位可能會(huì)產(chǎn)生較為明顯的張拉變形與拉張裂隙,進(jìn)一步發(fā)展則破壞,產(chǎn)生的裂縫貫通后甚至?xí)l(fā)生局部垮塌,這與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)邊坡后緣產(chǎn)生局部拉張裂隙是一致的。

圖3 最小主應(yīng)力Fig.3 Contour of Smin

圖4 最大主應(yīng)力Fig.4 Contour of Smax

3.2.2 邊坡開挖后的位移場(chǎng)分析

工程開挖為邊坡向臨空面變形提供了發(fā)展空間,同時(shí)工程開挖破壞了坡體原有的應(yīng)力環(huán)境,坡體為了盡量保持自身的穩(wěn)定,總是隨著時(shí)間的演化和外荷載的變化在做應(yīng)力和變形方面的調(diào)整。邊坡總體向上卸荷回彈范圍和變形范圍基本一致。Z方向的卸荷量最大為1.3 cm。北側(cè)邊坡位移總體表現(xiàn)為從開挖面頂部向臨空面發(fā)展的趨勢(shì),向坡外最大水平位移為4.5 mm,東側(cè)邊坡為2.5 mm。總體看來,邊坡開挖完成后巖體變形不大,而其影響范圍主要分布在北側(cè)開挖邊坡第二、三臺(tái)階位置。因此在正常開挖條件下,邊坡整體穩(wěn)定。

3.3 暴雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析

開挖邊坡所處區(qū)域雨量豐富,降雨對(duì)開挖邊坡穩(wěn)定性有重要影響,為此進(jìn)行降雨入滲數(shù)值模擬分析。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,在四川地區(qū),當(dāng)前期無降雨、3 d累計(jì)降雨量達(dá)到70 mm時(shí),將有滑坡發(fā)生[5],因此,數(shù)值模擬時(shí)在入滲邊界設(shè)定的入滲速率為70 mm/72 h,滲流時(shí)間t=72 h。因此在FLAC3D中,Ⅲ類巖體、Ⅳ類巖體、Ⅴ類巖體的滲透系數(shù)分別為:2.32× 10-8m2/(Pa·s)、9.18×10-9m2/(Pa·s)和9.08 ×10-11m2/(Pa·s)。

3.3.1 邊坡剪應(yīng)變?cè)隽糠治?/p>

降雨持續(xù)入滲的過程就是邊坡應(yīng)力應(yīng)變不斷調(diào)整的過程,降雨第一天整個(gè)模型上部巖體在做大范圍的應(yīng)力應(yīng)變調(diào)整,最大剪應(yīng)變?cè)隽繛?.94 e-5。降雨第二天開挖邊坡巖體變形調(diào)整范圍在從模型四周向開挖區(qū)域收縮,意味著有一些區(qū)域變形調(diào)整開始達(dá)到平衡,最大剪應(yīng)變?cè)隽繛?.31 e-4。降雨第三天開挖邊坡巖體變形調(diào)整過程基本結(jié)束,整體變形趨于穩(wěn)定,最大剪應(yīng)變?cè)隽繀^(qū)域集中在北側(cè)邊坡第四臺(tái)階中部靠近東側(cè)邊坡如圖5所示,最大剪應(yīng)變?cè)隽繛?.5e-4。剪應(yīng)變?cè)隽看笠馕吨@一范圍內(nèi)的坡體的安全儲(chǔ)備應(yīng)是相對(duì)較低的,也是最容易(最可能)發(fā)生失穩(wěn)破壞的[6]。

圖5 剪應(yīng)變?cè)隽糠植糉ig.5 Contour of shear strain Increment

3.3.2 邊坡塑性破壞區(qū)分析

降雨期間,拉伸破壞區(qū)在局部范圍出現(xiàn),但隨著時(shí)間推移破壞區(qū)范圍沒有擴(kuò)大的趨勢(shì)。降雨前后剪切破壞塑性區(qū)位置都主要分布在北側(cè)邊坡第四臺(tái)階靠近東側(cè)邊坡。在開挖后降雨前處于塑性狀態(tài)的單元比較少,在降雨后的第一天,本來離散的塑性單元迅速連成一片,塑性區(qū)增加,說明開挖邊坡在降雨后朝著失穩(wěn)破壞的方向發(fā)展。在降雨后的第二天,塑性區(qū)減少了,第三天,塑性區(qū)進(jìn)一步減少,意味著開挖邊坡正在朝著平衡發(fā)展。降雨穩(wěn)定后塑性區(qū)仍然比降雨前要大,如圖6所示,其中左為降雨前、右為降雨后塑性區(qū)域。根據(jù)塑性區(qū)標(biāo)識(shí)判斷破壞機(jī)制是否在起作用,主要看連接兩個(gè)面的活性塑性區(qū)是否存在交線,若存在,表示破壞機(jī)制正在起作用[7]。綜合分析下,剪切破壞區(qū)和拉伸破壞區(qū)交線部分在逐漸減少,意味著所研究的邊坡隨著時(shí)間推移趨于穩(wěn)定。

圖6 降雨前后塑性區(qū)域分布Fig.6 Distribution of p lastic zone befo re and after rainfall

通過分析發(fā)現(xiàn),坡體剪應(yīng)變最大的區(qū)域和剪切破壞塑性區(qū)有重疊,充分說明這部分邊坡穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備較低,在降雨、風(fēng)化等自然情況下,有可能破壞,設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)著重考慮,重點(diǎn)加固。

3.4 地震條件下邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)工程區(qū)地震安全評(píng)價(jià)資料,場(chǎng)地處于抗震設(shè)防一般地段,該區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度,設(shè)計(jì)時(shí)按Ⅷ度計(jì)算,根據(jù)《中國(guó)地震烈度表》(GBT 17742-2008),設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.25 g。

3.4.1 擬靜力法在FLAC3D中的應(yīng)用

FLAC3D可以進(jìn)行邊坡動(dòng)力反應(yīng)時(shí)程分析,但費(fèi)時(shí)費(fèi)力,本文采用擬靜力法進(jìn)行邊坡地震效應(yīng)模擬。其基本思想是將地震動(dòng)作用簡(jiǎn)化為水平、豎直方向的恒定加速度,并施加在潛在不穩(wěn)定滑體重心上,加速度的作用方向取為最不利于邊坡穩(wěn)定的方向。加速度的量值分布要體現(xiàn)邊坡各部位地震響應(yīng)規(guī)律。王存玉等[8]進(jìn)行的振動(dòng)臺(tái)模型實(shí)驗(yàn),何蘊(yùn)龍等[9]進(jìn)行的大量數(shù)值模擬,祁生文等[10]對(duì)邊坡動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律進(jìn)行大量的數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明:沿豎直方向,水平動(dòng)力系數(shù)隨高程增高而增大,豎向動(dòng)力系數(shù)在一定坡高下隨高程增高而增大,以上基本保持不變;沿水平方向,水平動(dòng)力系數(shù)由坡面向坡體內(nèi)部逐漸減小,豎向動(dòng)力系數(shù)在坡面附近較長(zhǎng)一段范圍內(nèi)沒有明顯下降。

流固耦合計(jì)算完成后,通過FLAC3D內(nèi)置語言fish編程,在模型每一單元重心處施加一個(gè)水平和豎直加速度,地震動(dòng)力系數(shù)借鑒何蘊(yùn)龍、陸述遠(yuǎn)的研究成果,根據(jù)下面公式計(jì)算單元水平地震慣性力HD和豎向地震慣性力VD:

式中,KH為地震系數(shù);Cz為綜合影響系數(shù),取0.25;α為巖塊形心處水平動(dòng)力系數(shù);α′為巖塊形心處豎向動(dòng)力系數(shù);W為巖塊的自重。

3.4.2 邊坡擬靜力法計(jì)算結(jié)果分析

在Ⅷ度地震作用下,邊坡開挖后如果不進(jìn)行支護(hù),后果無疑是災(zāi)難性的。X向最大位移為10.3 m,出現(xiàn)在邊坡后緣;Y向最大位移為3.94 m,同樣出現(xiàn)在邊坡后緣。圖7為工程邊坡震后位移等值線圖,從圖中可以看出:邊坡的動(dòng)位移最大值出現(xiàn)在邊坡后緣山體中上部,最大位移值達(dá)13.1 m。整體位移分布規(guī)律為,坡面處位移較少,坡后山體位移較大,通過跟蹤坡面重要部位巖體隨時(shí)間的變形演化情況,坡面變形范圍為1.0～2.0 m,比該邊坡在降雨條件下的位移量大得多。

圖7 位移等值線圖Fig.7 Contour of disp lacement

從圖8中可以看出邊坡體大范圍出現(xiàn)塑性區(qū),在坡體底部有所緩解,說明邊坡頂部對(duì)振動(dòng)的反應(yīng)幅值和邊坡底部相比存在明顯的放大作用。其中邊坡中部位置以下多為受剪切屈服,邊坡中部位置以上多為受拉屈服。和降雨后局部范圍出現(xiàn)拉伸破壞區(qū)相比,震后,呈現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)的破壞,由此可以看出地震對(duì)邊坡的影響比較大,對(duì)邊坡穩(wěn)定性起著主要作用,在施工時(shí)應(yīng)采取有效的抗震措施。

圖8 地震后塑性區(qū)域分布Fig.8 Distribution of p lastic zone after earthquake

4 結(jié)論

通過上述分析,可得出以下結(jié)論:

(1)邊坡開挖后,北側(cè)邊坡坡面出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中,在坡后緣40 m范圍內(nèi)出現(xiàn)張拉應(yīng)力。邊坡巖體質(zhì)量較好,水平位移較少,整體處于穩(wěn)定狀態(tài),與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查一致。

(2)3 d連續(xù)暴雨條件下邊坡整體做應(yīng)力變形調(diào)整,在北側(cè)邊坡三、四臺(tái)階靠近東側(cè)邊坡位置,剪應(yīng)變?cè)隽孔畲?且集中。同時(shí)此位置發(fā)生剪切塑性破壞。說明這個(gè)區(qū)域安全儲(chǔ)備較低,相對(duì)不穩(wěn)定,在做支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。

(3)在設(shè)計(jì)地震荷載作用下,工程邊坡出現(xiàn)了大位移,塑性區(qū)出現(xiàn)了大規(guī)模貫通的現(xiàn)象,有可能發(fā)生解體式破壞。

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A THREE-D IM ENSIONAL STABIL ITY ANALYSISOF EXCAVATING SLOPE DEFORMATIONIN SUFFER AREASOFWENCHUAN EARTHQUAKE

FAN Lei,TAO Lian-jin,WEI Yun-jie,ZHU Jian
(Beijing University of Technology,The Key Laboratory of U rban Security and Disaster Engineering, M inistry of Education,Beijing 100124,China)

As a result of plant-building needs,a slope was dealt w ith excavating treatment in the region of Wenchuan earthquake.In consideration of its stability having influence on normal operation of the p lant and on the basis of rock classification and generalization model of rock mass structure,Fast Lagrangian method FLAC3Dsimulation of slope excavation was used to analyze the stress field,disp lacement field,shear strain increment and the p lastic zone distribution w hich could be under the natural conditions,heavy rain conditions,and seismic conditions.The results showed that:excavation caused local stress concentration,posterio r border easy to fail in tension;part of the regione was in low security reserve under rain;the slope was unstable due to the earthquake.

slope;FLAC3D;rock mass;pseudo-static;stability

P642;TU 452

:A

1006-4362(2010)02-0032-05

范磊(1983-),男,北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院巖土所碩士研究生,從事村鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究。

2010-03-22改回日期:2010-04-21

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助(2006BAJ05A 02、2006BAJ27B05)