建興高速公路節(jié)理巖體高邊坡施工塊體滑落模擬

任 剛，劉 濤，饒文杰，馮玉發(fā)，馮陽飛

(1.中交一公局第一工程有限公司，北京102205;2.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽110819)

在巖質(zhì)邊坡中，巖體失穩(wěn)破壞常常表現(xiàn)為由幾組結(jié)構(gòu)面組合和臨空面切割的巖塊發(fā)生失穩(wěn)。與其它邊坡變形失穩(wěn)過程相比，塊體失穩(wěn)具有啟動快，局部塊體失穩(wěn)可能影響整體穩(wěn)定性的特點。離散元法[1]允許巖塊之間滑動、平移、轉(zhuǎn)動和巖體斷裂等復雜過程，具有不連續(xù)性。因此，可以較真實、動態(tài)地模擬邊坡塊體在開挖過程中應(yīng)力、位移的變化特征以及巖體破壞形式。本文結(jié)合遼寧某巖體邊坡工程，首先分析了邊坡的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)類型、結(jié)構(gòu)面與坡面的組合、影響因素等，然后采用非接觸測量技術(shù)采集巖體邊坡結(jié)構(gòu)面信息，導入自行開發(fā)的GeoSMA－3D程序[2]，建立非連續(xù)巖體邊坡空間的確定性結(jié)構(gòu)面和隨機性結(jié)構(gòu)面模型，確定出關(guān)鍵塊體，采用3DEC程序[3]對該巖坡滑動進行了仿真模擬，清晰地揭示了巖體邊坡漸進破壞的演化過程，為設(shè)計施工提供技術(shù)支撐。

1 巖體邊坡失穩(wěn)型式及潛在因素分析

1.1 巖體邊坡的破壞類型

結(jié)構(gòu)面切割巖體后，使巖體形成方向性十分明顯的結(jié)構(gòu)面，因此巖質(zhì)邊坡的破壞往往具有明顯的方向性[4]。

巖質(zhì)邊坡破壞的分類[5]，歸納起來可分為以下幾類:(1)圓弧破壞，節(jié)理很發(fā)育的破碎巖體發(fā)生旋轉(zhuǎn)破壞;(2)平面破壞，即巖石塊體沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切滑動;(3)傾倒破壞，巖石受到相對于其底面的傾覆力矩的作用發(fā)生轉(zhuǎn)動而破壞;(4)楔形破壞，兩組結(jié)構(gòu)面的交線傾向坡面，交線的傾角小于坡角且大于其摩擦角。

在本研究中主要研究的是平面破壞和楔形破壞。

1.2 小盤嶺邊坡破壞潛在因素分析

根據(jù)現(xiàn)場資料分析顯示，小盤嶺邊坡遭到破壞，潛在因素是多方面的，最主要的有以下幾種:

(1)邊坡組成物質(zhì)及地質(zhì)構(gòu)造[6]:巖石的組成成分、結(jié)構(gòu)與物理力學性質(zhì)對邊坡是否穩(wěn)定有著直接的影響，巖層的構(gòu)造對邊坡是否穩(wěn)定有很大影響。

(2)小盤嶺邊坡坡比:因為不同巖質(zhì)、不同風化程度、不同高度的邊坡，有著不同的穩(wěn)定坡比。因此，根據(jù)現(xiàn)場資料分析顯示，小盤嶺邊坡坡比是邊坡破壞潛在因素。

(3)動力作用[7]:地震、爆破和機械振動，都可能引起邊坡應(yīng)力的瞬時變化，從而影響邊坡的穩(wěn)定性。

2 節(jié)理巖體邊坡的三維模型

2.1 工程概況

遼寧省建興高速公路K48+690～K48+850段(即小盤嶺)。該段邊坡開挖頂面到開挖路面的高度大概為50.1 m，坡角為 31°～46°，工程地質(zhì)為傾斜層理薄層狀頁巖、強風化、巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體條件較差，斷裂構(gòu)造對該邊坡工程穩(wěn)定性有一定的影響。含基巖裂隙水，基巖裂隙有與地表連通的可能，且受季節(jié)降水影響較大，對邊坡的整體穩(wěn)定性有一定影響。

2.2 現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面信息采集

遼寧建興高速公路小盤嶺邊坡工程的現(xiàn)場圖片如圖1所示，現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面的圖像采集采用數(shù)字測量技術(shù)[8]，數(shù)字攝像測量是基于數(shù)字影像與攝影測量的基本原理，通過攝像手段以確定(地形以外)目標的外形和運動狀態(tài)的攝像測量與遙感的分支學科，它可以瞬間獲取被測物體的大量物理和幾何信息，是一種非接觸式的測量手段[9]，基于數(shù)字信息和數(shù)字影像技術(shù)以及自控技術(shù)手段。表1、表2為獲得的巖體力學參數(shù)和巖體主要結(jié)構(gòu)面信息。

圖1 某邊坡工程現(xiàn)場圖像采集

表1 巖體結(jié)構(gòu)面分組信息

表2 巖體力學參數(shù)取值表

2.3 GeoSMA－3D三維建模確定關(guān)鍵塊

2.3.1 確定性結(jié)構(gòu)面的生成

把分析得到的表1中的結(jié)構(gòu)面相關(guān)信息輸入到巖土工程建模與分析系統(tǒng)GeoSMA－3D中，系統(tǒng)根據(jù)所輸入的巖體節(jié)理數(shù)據(jù)，通過空間解譯和數(shù)據(jù)來源耦合可以轉(zhuǎn)化為空間位置確定的點、線或面等幾何對象，然后可以通過擬合最終將其轉(zhuǎn)化為三維地質(zhì)建模系統(tǒng)的確定性結(jié)構(gòu)面[10]，如圖2所示。

圖2 確定性結(jié)構(gòu)面模擬示意圖

2.3.2 隨機性結(jié)構(gòu)面的生成

由于邊坡工程地質(zhì)條件的多變性、復雜性，加之手段、工期、經(jīng)費的限制，在開挖前不可能將地質(zhì)情況勘探得十分清楚，而必須通過開挖后所揭示的地質(zhì)條件對邊坡進行再認識和再確定。

結(jié)構(gòu)面非接觸數(shù)字攝像測量系統(tǒng)由一套3G軟件、測量產(chǎn)品JointMetrix3D和ShapeMetrix3D組成，首先使用標定的高標準數(shù)碼相機，從兩個不同的角度對指定區(qū)域進行成像，數(shù)據(jù)采集完成后，在計算機上通過SMX模型重建軟件將這些數(shù)據(jù)合成為3D圖像該圖像不僅反映了巖體表面信息，而且反映了巖體真實情況的三維信息包括開挖面上幾乎所有結(jié)構(gòu)面的信息[11]，利用3GSM軟件對結(jié)構(gòu)面信息進行統(tǒng)計分析后，將結(jié)構(gòu)面概率模型參數(shù)信息直接導入GeoSMA－3D系統(tǒng)。最后將隨機性結(jié)構(gòu)面和確定性結(jié)構(gòu)面進行整合得到關(guān)鍵塊體[12]，如圖3和圖4所示。

圖3 隨機性結(jié)構(gòu)面模擬示意圖

圖4 關(guān)鍵塊體

圖4 顯示開挖面上可移動塊體的分布情況，搜索出關(guān)鍵塊體并確定6個關(guān)鍵塊體的位置，如表3所示。

表3 關(guān)鍵塊體的位置

2.4 模型建立

在3DEC中，巖體被視為由許多完整巖塊組成的，各巖塊間由不連續(xù)面分隔，而巖塊間的接觸面視為巖塊的邊界。完整巖塊用剛體(rigid block)或可變形體(deformable block)來表示，3DEC在模擬可變形巖塊時，將巖塊自動分割成許多次級塊體(sub－block)，每個次級塊體可配合所選用的材料組成律及外力作用情況，計算巖塊的受力及應(yīng)力分布情況。在節(jié)理模擬方面，主要根據(jù)位移—作用力法則[13]，計算巖塊在節(jié)理面上的剪應(yīng)力及正應(yīng)力，作為巖塊的應(yīng)力邊界條件，因此可模擬巖塊大位移與轉(zhuǎn)動的情況。

根據(jù)實際工程背景(圖1)，以及表2力學參數(shù)，建立70 m×40 m×50 m的邊坡數(shù)值模型，坡角為55°，模型左右兩側(cè)面(Z軸)橫向位移約束，下表面和X軸方向位移約束，坡面為自由面，如圖5所示，將巖體假定為理想彈性模型，力學模型采用線彈性模型，節(jié)理模型采用庫侖滑移模型。

為了更加準確的分析邊坡開挖后，在自重應(yīng)力作用下的穩(wěn)定性[13]，標記出由GeoSMA－3D搜索出的關(guān)鍵塊體，如圖6所示，分別記錄這6個關(guān)鍵塊體的位移、速度矢量的變化。

圖5 邊坡整體示意圖

圖6 節(jié)理邊坡監(jiān)測點的位置

隨著計算時步的增加，邊坡的變形逐漸增大。根據(jù)監(jiān)測點的速度、位移計算資料，當?shù)?000步時，只有A點的速度趨于平衡，其余都很大，尤其是D點，速度矢量不收斂于“0”，位移隨迭代步數(shù)的增加而逐漸增加，且迭代至2000步時，部分監(jiān)測點的豎向位移達到10－1m，可以認為此時邊坡已經(jīng)局部失穩(wěn)。

3 計算結(jié)果分析

由3DEC數(shù)值模擬結(jié)果可知該巖體的變形破壞趨勢為:首先在斜面坡處即關(guān)鍵塊體 E、F發(fā)生滑移，隨著關(guān)鍵塊體的滑移，相鄰位置的塊體也相繼發(fā)生平面滑動，并且 C、D、A、B點相應(yīng)的發(fā)生較大的滑動。界面處剪應(yīng)變增量集中帶不斷增大，形成滑動面，在圖7上已經(jīng)明顯看到，斜坡在迭代2000步時已開始滑動。隨著計算時步的增加，邊坡的變形逐漸增大，圖8是巖體完全破壞。

4 結(jié)論

本文在總結(jié)分析邊坡破壞類型并在已有塊體穩(wěn)定性評價方法的基礎(chǔ)上，將3DEC與 GeoSMA－3D結(jié)合用于節(jié)理巖體破壞過程分析，為工程處理措施提供有效措施。通過實例研究得到結(jié)論如下:

圖7 迭代2000步時邊坡變形示意圖

圖8 迭代8000步時邊坡的變形示意圖

(1)數(shù)值模擬結(jié)果表明遼寧省建興高速公路小盤嶺巖質(zhì)邊坡開挖后，引起巖體內(nèi)部應(yīng)力重分布，變形迅速。GeoSMA－3D系統(tǒng)搜索出關(guān)鍵塊體，3DEC迭代2000步時，中部塊體局部失穩(wěn)，并呈現(xiàn)位移逐漸增加趨勢，8000步后巖體整體失穩(wěn)。

(2)3DEC較為直觀模擬邊坡滑落破壞過程，能夠較準確的確定出影響邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵塊體區(qū)域的破碎塊體。隨著邊坡開挖工程結(jié)束，應(yīng)力重分布，引起上部破碎塊體逐漸失穩(wěn)滑落。由于塊體的滑落及堆積作用，加大了中部塊體臨空面荷載，從而導致中部塊體也發(fā)生失穩(wěn)破壞，這與實際邊坡破壞特征吻合。并由此結(jié)果推論下一步的施工應(yīng)在斜坡中間關(guān)鍵塊體處加強該地區(qū)巖體質(zhì)量，進而避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

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