順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析與應(yīng)力監(jiān)測(cè)研究

魏俊奇,王禮珍,王 麗

(1.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司靖王分公司,陜西 榆林 719000;2.西安公路研究院,陜西 西安 710054;3.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司榆靖分公司,陜西 榆林 719000)

0 前 言

隨著大規(guī)模建設(shè)由平原區(qū)向西部山區(qū)挺進(jìn),建設(shè)過程中不可避免的開挖形成了大量的巖質(zhì)邊坡,對(duì)這些人工開挖形成的巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)越來越成為邊坡工程研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。順層巖質(zhì)邊坡是一種較為常見的巖質(zhì)邊坡類型,由于受到平行結(jié)構(gòu)面存在的影響,邊坡較易沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)而失穩(wěn),因此需要對(duì)該類邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式主要以位移監(jiān)測(cè)為主,但該方法代價(jià)高,預(yù)警時(shí)間滯后,不適合于這類大量存在且失穩(wěn)具有突發(fā)性的邊坡類型。本文嘗試采用應(yīng)力監(jiān)測(cè),即采用錨桿受力監(jiān)測(cè)邊坡內(nèi)部應(yīng)力變化的方式對(duì)順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià),并結(jié)合達(dá)渝高速一段邊坡的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)成果,評(píng)價(jià)了該監(jiān)測(cè)方法的可行性[1]。

1 有限元計(jì)算模型的建立

首先采用有限元計(jì)算方法對(duì)邊坡易失穩(wěn)的敏感部位進(jìn)行分析,為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)確定監(jiān)測(cè)位置。

1.1 采用的方法與屈服準(zhǔn)則

采用強(qiáng)度折減的方法求解邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)的滑動(dòng)面位置。強(qiáng)度折減法的原理在于通過不斷降低巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù),使邊坡逐漸達(dá)到極限平衡狀態(tài)而失穩(wěn),計(jì)算公式如式(1)、式(2)所示。其中Fs為折減系數(shù),即安全系數(shù);c、φ分別為巖土體的粘聚力與內(nèi)摩擦角;cs、φs分別為折減后巖土體的粘聚力與內(nèi)摩擦角。

較為常見的屈服準(zhǔn)則多為Mohr-Coulomb準(zhǔn)則,但由于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則在 π平面上的投影存在棱角,所以出現(xiàn)了不同的修正形式,主要有內(nèi)切圓錐、內(nèi)角外接圓錐、外角外接圓錐、內(nèi)切圓錐、等效摩爾圓即等面積圓屈服準(zhǔn)則,如圖1所示。由于等面積圓的面積等于不等角六邊形Mohr-Coulomb屈服強(qiáng)度的面積,可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,不僅可以消除Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的屈服面為不規(guī)則六邊形截面存在的尖頂和棱角給數(shù)值計(jì)算帶來的困難,而且計(jì)算平均誤差小、離散度小[2-4]。本文有限元計(jì)算采用的屈服準(zhǔn)則為徐干成、鄭穎人等人的研究得出的Mohr-Coulomb等面積圓屈服準(zhǔn)則,表達(dá)式如式(3)所示,Mohr-Coulomb等面積圓屈服準(zhǔn)則中的參數(shù) α、k的表達(dá)式為[5-7]式(4)、式(5)所示,有限元計(jì)算中將式(1)、式(2)中對(duì) c、φ折減轉(zhuǎn)化為對(duì)α、k折減,如式(6)所示。

式中:I1為應(yīng)力張量的第一不變量;J2為應(yīng)力偏量的第二不變量;α、k與介質(zhì)內(nèi)摩擦角φ和凝聚力c有關(guān)的系數(shù)。

式中:c、φ分別為巖土體的粘聚力與內(nèi)摩擦角。

1.2 有限元計(jì)算模型的建立

計(jì)算選取的巖質(zhì)邊坡高度為30 m,邊坡坡度為1∶0.5,平行的結(jié)構(gòu)面間距分別為 10 m 、5 m、3 m、1 m等4種情況,結(jié)構(gòu)面寬度為0.2 m,傾角為30°。并采用的數(shù)值計(jì)算軟件MSC.Marc軟件進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算網(wǎng)格在結(jié)構(gòu)面位置處加密,在巖體位置處則劃分較為稀疏。計(jì)算采用的本構(gòu)關(guān)系為摩爾庫(kù)倫等面積圓屈服準(zhǔn)則,由于巖石強(qiáng)度較高,所以僅在計(jì)算過程中不斷降低結(jié)構(gòu)面位置處的巖土體強(qiáng)度參數(shù),使邊坡達(dá)到失穩(wěn),此時(shí)計(jì)算不收斂。計(jì)算模型分析邊坡破壞形式的有限元網(wǎng)格劃分圖如圖2所示,計(jì)算所選擇的參數(shù)見表1。

圖2 不同結(jié)構(gòu)面間距的有限元網(wǎng)格劃分圖

表1 計(jì)算采用的材料參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果分析

圖3 邊坡失穩(wěn)時(shí)的滑動(dòng)面圖

從圖3中可以看出順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)時(shí)滑動(dòng)面位于軟弱結(jié)構(gòu)面位置處,其位置為地面以上最接近邊坡坡腳處的結(jié)構(gòu)面,結(jié)構(gòu)面間距越小這種趨勢(shì)越明顯,當(dāng)結(jié)構(gòu)面間距過小時(shí)(間距=1 m),破壞區(qū)域增大,可以認(rèn)為順層的巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)時(shí)都是在最接近坡腳處的結(jié)構(gòu)面處出現(xiàn)破壞,該處為穩(wěn)定性敏感部位,采用應(yīng)力監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)以該位置處為主。

巖塊內(nèi)部由于粘聚力較大,巖塊自身很難出現(xiàn)剪切破壞,而軟弱結(jié)構(gòu)面處由于抗剪強(qiáng)度較低所以破壞位置處出現(xiàn)在巖塊與結(jié)構(gòu)面的交界處(見圖4(a)),在交界處維系 G·sinα與τ的力學(xué)關(guān)系,當(dāng) τ=G·sinα,邊坡處于極限平衡狀態(tài)。其中G=0.5·ρ·a·b·|sinβ|(取巖塊的厚度為 1 m),τ=c+σ·tanφ。對(duì)同一邊坡可以認(rèn)為邊坡體材料是各項(xiàng)均值同性的,即 ρ、β、τ的值是固定的,在 G·sinα中其值隨著a、b、sinα的變化而變化。對(duì)于順層巖質(zhì)邊坡可近似認(rèn)為其邊坡結(jié)構(gòu)面之間是平行關(guān)系,由圖4(b)中可知 Δ OAD 的重心位置為O1,Δ OBC的中心位置O2在OO1的延長(zhǎng)線上,可以得出二者與節(jié)理面的夾角均為90°-α,則sinα的值是不變的。G·sinα只是與a、b有關(guān)的物理量,隨著a、b的增大而增大。在臨空面以上最近于坡腳處的結(jié)構(gòu)面處的a、b值最大,從而產(chǎn)生的下滑力也是最大的,最容易在該處出現(xiàn)滑塌。

以往對(duì)公路巖質(zhì)邊坡一般采用測(cè)斜管位移監(jiān)測(cè)的形式,該方法具有明顯的滯后性,即監(jiān)測(cè)到大的位移變形時(shí)邊坡已經(jīng)破壞,無法及時(shí)加固。以上的理論分析結(jié)果表明和順層巖質(zhì)邊坡破壞息息相關(guān)的物理量應(yīng)該是邊坡巖體的受力而不是變形。本文有鑒于此采用在順層邊坡結(jié)構(gòu)面位置處布設(shè)測(cè)力錨桿進(jìn)行受力監(jiān)測(cè),即在錨桿上焊接鋼筋計(jì)進(jìn)行應(yīng)力量測(cè)的方法,通過應(yīng)力的變化來評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性[7-9]。

圖4 幾何計(jì)算簡(jiǎn)圖

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

達(dá)渝高速銅鑼山隧道出口處的一段巖質(zhì)高邊坡為典型的順層巖質(zhì)邊坡,邊坡高22.8 m,為三級(jí)邊坡,坡度均為1∶0.75,由于該邊坡的結(jié)構(gòu)面傾角為30°,與坡面傾角相差不大,故巖層在坡面出露位置不多,結(jié)構(gòu)面間距為1.6 m;監(jiān)測(cè)錨桿與水平面夾角為20°,位置均在每級(jí)邊坡最近于坡腳處的結(jié)構(gòu)面上方,錨桿直徑為28mm,鋼筋計(jì)布設(shè)位置約為距錨頭1 m、3 m、5 m(如圖5所示),通過對(duì)該邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)控分析,評(píng)價(jià)該邊坡的安全狀況。

圖5 鋼筋計(jì)布設(shè)圖

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果如圖6所示,監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示鋼筋計(jì)的應(yīng)力均是在前40 d內(nèi)出現(xiàn)較大的變化,一級(jí)邊坡變化最明顯的1 m深度位置處錨桿軸力由0變化為23MPa;二級(jí)邊坡變化最明顯的1 m深度位置處錨桿軸力由0變化為11MPa;三級(jí)邊坡變化最明顯的1 m深度位置處錨桿軸力由0變化為7.7MPa。而在后期基本趨于穩(wěn)定,一級(jí)邊坡受力最大的1 m深度位置處錨桿應(yīng)力穩(wěn)定為30.6MPa左右;二級(jí)邊坡受力最大的1 m深度位置處錨桿應(yīng)力穩(wěn)定為15MPa左右;三級(jí)邊坡受力最大的1 m深度位置處錨桿應(yīng)力穩(wěn)定為19.6MPa左右。這是由于邊坡卸荷作用影響下,內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行一定的調(diào)整,當(dāng)應(yīng)力調(diào)整完成時(shí),邊坡趨于穩(wěn)定,此時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也趨于穩(wěn)定。每級(jí)邊坡位于最近于該級(jí)邊坡坡腳處、且在地面或平臺(tái)以上的結(jié)構(gòu)面位置處監(jiān)測(cè)錨桿的應(yīng)力最大,這與數(shù)值計(jì)算、理論分析的結(jié)果相吻合,一級(jí)邊坡鋼筋計(jì)應(yīng)力最大,最大值為30.6MPa,小于鋼筋設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度300MPa,表明該邊坡在開挖后內(nèi)部應(yīng)力變化完成后基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 論

(1)利用數(shù)值計(jì)算的方法得出順層巖質(zhì)邊坡由于軟弱結(jié)構(gòu)面的存在,其最先達(dá)到極限平衡并出現(xiàn)破壞的部位為地面上距離坡腳處最近的結(jié)構(gòu)面位置處。

圖6 鋼筋計(jì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

(2)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)的結(jié)果顯示,結(jié)構(gòu)面的存在是影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的最主要因素,監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示對(duì)于多級(jí)邊坡應(yīng)當(dāng)對(duì)每級(jí)邊坡的距離坡腳處最近的、且在地面或平臺(tái)以上的結(jié)構(gòu)面位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。達(dá)渝高速一段巖質(zhì)邊坡的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法是合理的,該邊坡基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

[1]周小平,王建華,張永興.剪應(yīng)力作用下Ⅱ型平行節(jié)理擴(kuò)展模式的分叉研究[J].巖土力學(xué),2007,28(4):640-643.

[2]連鎮(zhèn)營(yíng),韓國(guó)城,孔憲京.強(qiáng)度折減有限元法研究開挖邊坡的穩(wěn)定性[J].巖土工程學(xué)報(bào),2001,23(4):407-411.

[3]徐干成,鄭穎人.巖土工程中塑性屈服準(zhǔn)則應(yīng)用的研究及工程應(yīng)用[C]//第二次全國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,1989.

[4]鄭穎人,趙尚毅,鄧衛(wèi)東.巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)制有限元數(shù)值模擬分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(12):1943-1952.

[5]陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2003:268-269.

[6]陳祖煜.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析——原理·方法·程序[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2005:53-74,200-224.

[7]吳文經(jīng),張志勇,陶連金,等.節(jié)理化巖石邊坡的穩(wěn)定性分析[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào),2006,16(4):223-226.

[8]戴志仁.巖質(zhì)邊坡應(yīng)力場(chǎng)特征與參數(shù)敏感度分析[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2007:7-25.

[9]張貫峰.公路巖質(zhì)邊坡應(yīng)力變化特征與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)數(shù)值模擬研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2007:75-82.