天然和飽水狀態(tài)下路塹邊坡穩(wěn)定性離散元分析

楊 澤，李克鋼，張志雄，楊遠(yuǎn)清，魏建海

(1.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，約70%的國(guó)土為丘陵山地，地理地質(zhì)條件極其復(fù)雜，而公路交通又是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)賴以發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。21世紀(jì)以后，我國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)迅猛發(fā)展，僅重慶市2010年計(jì)劃公路建設(shè)投入即達(dá)610.7億元。在此條件下，路線設(shè)計(jì)中不可能再沿襲過去“選優(yōu)避劣”的做法，為滿足線路平直順暢以便于行車的要求，不可避免地要出現(xiàn)大量的路基挖方工程，形成大量的路塹邊坡，其穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)是邊坡工程的核心內(nèi)容，直接關(guān)系到高速公路的建設(shè)資金投入、安全施工以及正常運(yùn)營(yíng)。據(jù)記載，我國(guó)大多數(shù)滑坡都受到降雨的嚴(yán)重影響，降雨下滲引起地下水狀態(tài)、坡體、滑帶介質(zhì)含水量及力學(xué)參數(shù)發(fā)生改變而誘發(fā)滑坡發(fā)生。

由雨水的滲透而引起滑坡的原因，可總結(jié)為非飽和領(lǐng)域內(nèi)巖體材料重度的增加和巖體強(qiáng)度的降低，飽和領(lǐng)域內(nèi)孔隙水壓力的上升，但其中起關(guān)鍵作用的應(yīng)是巖體強(qiáng)度的大幅度降低。因此，本文采用最不利狀態(tài)-飽水狀態(tài)下巖體力學(xué)性質(zhì)，來考慮降雨作用的影響。

本文以渝黔高速公路K86+180～K86+470段巖質(zhì)路塹邊坡為例[4]，應(yīng)用巖體力學(xué)理論和離散元法數(shù)值模擬技術(shù)，分別就處于天然與飽水兩種狀態(tài)下的邊坡，在開挖過程中的穩(wěn)定性變化情況進(jìn)行模擬分析。探討在天然、飽水等不同工況條件下，該巖質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性的一些規(guī)律，以便能夠?yàn)楣返陌踩\(yùn)營(yíng)、邊坡滑坡災(zāi)害的預(yù)防和預(yù)測(cè)及邊坡的合理處置提供指導(dǎo)性的意見和依據(jù)。

1 工程概況

該公路巖質(zhì)邊坡位于丘陵斜坡地貌區(qū)，公路開挖后，在該段形成一路塹，左側(cè)為逆向坡，右側(cè)為順向坡且坡高達(dá)46m，坡角約64°，路塹開挖臺(tái)階高度20m，平臺(tái)寬度5m。邊坡巖體結(jié)構(gòu)為上部砂巖下部泥巖互層，巖層傾向55°，傾角23°。經(jīng)鉆探發(fā)現(xiàn)，砂巖與泥巖結(jié)合性較差，存在軟弱夾層，且軟弱層的傾向與邊坡傾向相同，對(duì)邊坡穩(wěn)定不利，邊坡巖體質(zhì)量一般，節(jié)理裂隙不發(fā)育。該地區(qū)降水豐富，并且季節(jié)性明顯，據(jù)統(tǒng)計(jì)，多雨季節(jié)日平均最大降雨量達(dá)120mm。為了保證公路的持久、安全運(yùn)營(yíng)，有必要對(duì)該邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。各巖體材料的物理力學(xué)參數(shù)賦值見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表

2 邊坡開挖的離散元穩(wěn)定性模擬

2.1 模型建立

為了充分反映其變形破壞機(jī)制，更直觀地觀測(cè)和分析其變形破壞過程，采用美國(guó)Itasca公司開發(fā)的UDEC 二維離散元軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬分析。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察和該段的地質(zhì)橫剖面圖，以及邊界范圍選取原則，模型范圍分別取x方向?yàn)槠赂叩?倍即140m，y方向?yàn)槠赂叩?倍即100m。模型左右兩面采用x方向位移約束；底面為固定邊界條件，坡面為自由邊界；選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。

2.2 計(jì)算模擬方案

為了再現(xiàn)邊坡的開挖過程，真實(shí)模擬邊坡在開挖過程中的變形與應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)，根據(jù)工程的施工順序，對(duì)邊坡進(jìn)行5步開挖模擬，加上邊坡的原始狀態(tài)形成了6個(gè)開挖模擬分析階段。其中，第1階段為開挖前的天然狀態(tài)；第2～5階段依次為第1次開挖、第2次開挖、……第5次開挖。

為了了解邊坡的變形規(guī)律，還對(duì)邊坡內(nèi)部單元進(jìn)行了全程跟蹤。監(jiān)測(cè)點(diǎn)單元A為處于軟弱層上部的砂巖的單元，并且在開挖后處于近坡面位置，用以觀察邊坡在開挖過程中隨時(shí)間的變化情況。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 天然狀態(tài)下分階段開挖邊坡穩(wěn)定性分析

由于分階段開挖且階段數(shù)比較多，所以在此最大主應(yīng)力云圖只給出了5個(gè)階段中的部分分析圖。圖1給出了邊坡安全系數(shù)、速度矢量和水平方向x位移等值線云圖；圖2為邊坡塑性區(qū)云圖。

由圖1可以看出，初始狀態(tài)邊坡安全系數(shù)為4.93，處于穩(wěn)定狀態(tài)；第1次開挖后，邊坡安全系數(shù)降為3.72，仍處于穩(wěn)定狀態(tài)；第2次開挖后，邊坡安全系數(shù)降為2，仍處于穩(wěn)定狀態(tài)；第3次開挖后，邊坡安全系數(shù)降為1.21，仍處于穩(wěn)定狀態(tài)；第4次開挖后，邊坡安全系數(shù)降為1.21，仍處于穩(wěn)定狀態(tài)；第5次開挖后，邊坡安全系數(shù)降為1.21，也仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可知，隨著開挖階段的深入，邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)逐漸降低，到第3階段后逐漸趨于平穩(wěn)，特別是從第2階段到第3階段，安全系數(shù)從2.0陡降至1.21，可見順層巖體邊坡的穩(wěn)定性直接受開挖效應(yīng)的控制，軟弱夾層對(duì)邊坡的穩(wěn)定產(chǎn)生了一定的影響。而通過分析水平x位移等值線云圖(圖1)，可以看出，隨著開挖階段的推進(jìn)，在天然狀態(tài)下由開挖引起的水平位移也逐漸增加，但增加的幅度很小，而且在每一階段的開挖面上，臨坡面附近產(chǎn)生的水平位移量都很小，由最初開挖的1.5mm僅增至最終的5mm。

速度矢量圖可以形象地表征邊坡變形破壞后滑坡滑移趨勢(shì)及方向，如圖1所示，邊坡滑坡的趨勢(shì)是沿著軟弱夾層朝向公路的那一側(cè)。邊坡塑性區(qū)見圖2，塑性區(qū)基本上集中在軟弱夾層區(qū)域，且公路右側(cè)塑性變形的活躍程度要大于左側(cè)。

通過以上分析可知：從安全系數(shù)和水平位移量來看，在旱季進(jìn)行開挖，該邊坡穩(wěn)定性還是有一定的安全保障；開挖完成后，該路塹邊坡沿軟弱夾層滑動(dòng)的最低穩(wěn)定性系數(shù)為1.21，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 天然狀態(tài)下各階段邊坡安全系數(shù)、速度矢量和x位移等值線云圖

圖2 天然狀態(tài)下路塹邊坡塑性區(qū)分布云圖

3.2 飽水狀態(tài)下分階段開挖邊坡穩(wěn)定性分析

從安全儲(chǔ)備的角度考慮，對(duì)邊坡在暴雨開挖過程中的模擬，是假設(shè)各巖體完全處于飽水狀態(tài)時(shí)完成的。

可以看出，該邊坡是沿著軟弱夾層發(fā)生滑動(dòng)，邊坡潛在滑動(dòng)面均位于軟弱夾層處。在飽水狀態(tài)下，邊坡初始狀態(tài)安全系數(shù)為4.38，處于穩(wěn)定狀態(tài)；第1次開挖后，邊坡安全系數(shù)降為3.2，仍處于穩(wěn)定狀態(tài)；第2次開挖后，邊坡安全系數(shù)降為1.62，仍處于穩(wěn)定狀態(tài)；第3次開挖后，邊坡安全系數(shù)降為0.54，處于失穩(wěn)狀態(tài)；第4次開挖后，邊坡安全系數(shù)降為0.35，處于失穩(wěn)狀態(tài)；第5次開挖后，邊坡安全系數(shù)降為0.37，也處于失穩(wěn)狀態(tài)。由此可知，隨著開挖階段的深入，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)大幅度降低，到第3階段后逐漸趨于平穩(wěn)，特別是從第2階段到第3階段，即邊坡從穩(wěn)定到不穩(wěn)定，這時(shí)安全系數(shù)從1.62陡降至0.54。而通過分析水平x位移等值線云圖(圖1)，可看出，隨著開挖階段的推進(jìn)，在飽水狀態(tài)下由開挖引起的水平位移也逐漸增大，而且從第3階段開始，臨坡面附近產(chǎn)生的水平位移量都非常大，特別是到第5階段，由最初開挖的2mm陡增至最終的5m，即邊坡從穩(wěn)定到沿著軟弱層滑動(dòng)。同時(shí)邊坡后緣變形量也很大，到最終開挖時(shí)水平位移為1～2m，說明邊坡后緣出現(xiàn)了拉裂面。

如圖1所示的速度矢量圖：邊坡滑坡的趨勢(shì)是沿著軟弱夾層朝向公路的那一側(cè)。邊坡塑性區(qū)見圖2，塑性區(qū)基本上集中在軟弱夾層區(qū)域，且在飽水狀態(tài)下塑性區(qū)變形的活躍程度要大于天然狀態(tài)下。

通過以上分析可知：

1)該路塹邊坡坡腳開挖后，解除了坡腳約束，使坡體下部失去了支撐作用，造成原來穩(wěn)定的巖體在自重應(yīng)力和降雨作用下，沿著軟弱夾層發(fā)生下滑，安全系數(shù)降到了1以下。

2)降雨對(duì)該邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為：雨水從坡體及節(jié)理裂縫下滲，使坡體含水量增加，軟弱夾層飽水，造成坡體及軟弱層強(qiáng)度參數(shù)的降低，導(dǎo)致該路塹邊坡安全系數(shù)在降雨期間大幅下降，說明降雨對(duì)該路塹邊坡的穩(wěn)定性影響很大。

3)從水平位移來看，到第5階段已達(dá)5m，位移量很大，因此要加強(qiáng)對(duì)邊坡特別是軟弱夾層處的變化進(jìn)行目視觀測(cè)和變形監(jiān)測(cè)，做到及時(shí)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，避免相關(guān)災(zāi)害及人員傷害的發(fā)生，同時(shí)在必要時(shí)可采用設(shè)置打錨桿或預(yù)應(yīng)力錨索等措施。

4)雖然砂巖和泥巖本身的強(qiáng)度很高，但該巖質(zhì)邊坡卻沿著軟弱夾層發(fā)生滑動(dòng)。該巖質(zhì)路塹邊坡是否可能滑坡，實(shí)質(zhì)上是受軟弱夾層的強(qiáng)度控制，而不是取決于砂巖和泥巖的強(qiáng)度。因此，在對(duì)該巖質(zhì)邊坡的滑坡進(jìn)行治理時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)放在如何直接或間接地提高軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、 φ 值的措施上，從而達(dá)到提高坡體穩(wěn)定性的目的。

3.3 跟蹤監(jiān)測(cè)點(diǎn)及邊坡安全系數(shù)對(duì)比分析

圖3與圖4分別為兩種含水狀態(tài)下跟蹤監(jiān)測(cè)點(diǎn)A的水平位移記錄圖；圖5為邊坡不同含水狀態(tài)下安全系數(shù)隨時(shí)間變化對(duì)比曲線。

從圖3與圖4的水平位移對(duì)比來看，在天然狀態(tài)下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A的位移隨著開挖步的增加并沒有發(fā)生太大的變化，總體位移值較??；而在飽水狀態(tài)下，位移值出現(xiàn)明顯的增大，尤其是在第2次開挖到第3次開挖之間出現(xiàn)了一個(gè)很大的跳躍，從2.5mm左右增加到4m左右。之所以出現(xiàn)該情況，是因?yàn)樵陂_挖到第3步時(shí)，軟弱層被切割臨空所致。天然狀態(tài)下，邊坡開挖完成后，水平位移大約5mm；飽水狀態(tài)下邊坡開挖完成后，邊坡水平位移大約為5.53m。

從安全系數(shù)變化可以看出，在天然狀態(tài)下，邊坡安全系數(shù)值均大于1，從初始的4.93變?yōu)樽罱K開挖后的1.21，說明軟弱夾層的存在使邊坡的整體穩(wěn)定性減弱；而在飽水狀態(tài)下，邊坡安全系數(shù)減小到了0.37左右，并且在軟弱層被切割臨空后同樣出現(xiàn)了明顯的降低現(xiàn)象，這說明軟弱夾層是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。由此也驗(yàn)證了在順層巖質(zhì)邊坡中，軟弱結(jié)構(gòu)面是影響邊坡穩(wěn)定性的決定性因素。

圖3 天然狀態(tài)下監(jiān)測(cè)點(diǎn)A水平位移記錄

圖4 飽水狀態(tài)下監(jiān)測(cè)點(diǎn)A水平位移記錄(40000time step)

圖5 不同含水狀態(tài)邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線

4 結(jié)論與建議

本文通過對(duì)該路塹邊坡進(jìn)行離散元模擬和分析，從中可以得知：

1)在天然狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定性相對(duì)較好，而在飽水狀態(tài)邊坡的穩(wěn)定性明顯下降。引起邊坡穩(wěn)定性下降的主要原因，是伴隨著雨水的增加所產(chǎn)生的軟弱夾層的強(qiáng)度降低。

2)該巖質(zhì)路塹邊坡是否可能滑坡，實(shí)質(zhì)上是受軟弱夾層的強(qiáng)度控制，而不是取決于砂巖和泥巖的強(qiáng)度。因此，在對(duì)該巖質(zhì)邊坡的滑坡進(jìn)行防治和處理時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)放在如何直接或間接地提高軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ 值的措施上，從而達(dá)到提高坡體穩(wěn)定性的目的。

3)由于水是誘發(fā)該路塹邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素，若遇長(zhǎng)歷時(shí)強(qiáng)降雨時(shí)，該邊坡有發(fā)生滑坡的可能性。建議邊坡加固與治理工程中，應(yīng)充分重視邊坡的排水工作，特別是邊坡內(nèi)部積水應(yīng)當(dāng)及時(shí)排走。除設(shè)置截排地表水水溝外，應(yīng)采取工程措施，如設(shè)置水平鉆孔或邊坡滲溝等排除邊坡內(nèi)部水，使邊坡巖體處于自然干燥狀態(tài)，從而保證邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

4)當(dāng)邊坡穩(wěn)定性不能滿足要求時(shí)，可采取錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索或預(yù)加固樁等先加固后開挖，或采取邊開挖邊采用錨桿加固的方法。

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