基于強(qiáng)度折減法的趙家沖隧道仰坡安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

孫寶志，黃胤超

（1.中交一公局第一工程有限公司，北京　102205； 2.湖南省高管局永吉高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南吉首 416000）

基于強(qiáng)度折減法的趙家沖隧道仰坡安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

孫寶志1，黃胤超2

（1.中交一公局第一工程有限公司，北京102205； 2.湖南省高管局永吉高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南吉首 416000）

結(jié)合已有資料與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，通過原位測(cè)量得到趙家沖隧道仰坡幾何尺寸、土體性質(zhì)等基本數(shù)據(jù)，據(jù)此建立有限元模型，通過數(shù)值計(jì)算得到隧道仰坡的安全系數(shù)及滑動(dòng)面位置，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)情況給出加固意見和建議。

隧道；強(qiáng)度折減法；仰坡；加固建議；安全穩(wěn)定性

隧道工程和邊坡密切相關(guān)，隧道洞口段極易受到偏壓地形及潛在滑坡、剝落、崩塌等邊坡破壞問題的威脅，如何確保隧道和洞口邊坡的穩(wěn)定性一直是隧道施工中關(guān)注的重點(diǎn)。該文結(jié)合實(shí)例工程建立數(shù)值模型，對(duì)考慮動(dòng)態(tài)荷載下隧道邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究，通過計(jì)算安全系數(shù)評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，據(jù)此提出加固措施。68°，傾角47°；第二級(jí)邊坡高1.75 m，傾角26°；第三級(jí)邊坡高1.15 m，傾角35°。仰坡上部設(shè)有漿砌片石截水溝，上寬1.65 m，下寬0.8 m，深0.5 m（見圖1）。

1　工程概況

某鐵路路基設(shè)備為隧道仰坡，總長(zhǎng)為104 m。趙家沖隧道進(jìn)口高9.0 m，隧道口寬5 m，高8.0 m。隧道口設(shè)有重力式擋墻，高7.0 m；兩側(cè)有砼吊溝， 寬0.5 m，深0.3 m；上有砼截水溝，寬0.7 m，深0.55 m。隧道口上部仰坡為二級(jí)邊坡，第一級(jí)邊坡高2.29 m，傾向266°，傾角35°；第二級(jí)邊坡高3.07 m，傾角26°。仰坡上部設(shè)有漿砌片石截水溝，上寬1.6 m，下寬0.8 m，深0.7 m。

趙家沖隧道出口高9.0～14.1 m，隧道口寬5 m，高8.0 m。隧道口設(shè)有重力式擋墻，高7.0 m；隧道口上有砼截水溝，寬0.8 m，深0.45 m。隧道口上部仰坡為三級(jí)邊坡，第一級(jí)邊坡高2.19 m，傾向

圖1　趙家沖隧道整體外觀

2　數(shù)值計(jì)算

2.1地質(zhì)參數(shù)評(píng)估

通過SIBAO-MG858S對(duì)邊坡進(jìn)行實(shí)地量測(cè)，并將測(cè)量結(jié)果導(dǎo)入CAD軟件繪制三維地形圖。綜合實(shí)地勘測(cè)資料和《巖石力學(xué)參數(shù)手冊(cè)》，對(duì)該邊坡巖土參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果見表1。

2.2數(shù)值計(jì)算模型

數(shù)值模擬軟件可對(duì)相對(duì)復(fù)雜的巖土構(gòu)筑物進(jìn)行計(jì)算分析，并可綜合考慮多個(gè)復(fù)雜因素的影響，因而其計(jì)算結(jié)果具有較好的參考價(jià)值。假定同一層土體為滿足Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的各向同性體且計(jì)算時(shí)不考慮土體剪脹角，認(rèn)為土體降雨入滲為飽和滲流問題，片石擋墻及護(hù)坡為彈性材料。參考地形實(shí)測(cè)結(jié)果，運(yùn)用ABAQUS建立該邊坡有限元模型（見圖2）。

該計(jì)算模型取邊坡長(zhǎng)度為100 m（沿隧道方向長(zhǎng)度），坡頂距路面最大距離23 m，自坡腳向下取5 m，坡腳外側(cè)各取5 m，擋墻高為8 m；進(jìn)口處一級(jí)邊坡坡角約為35°，二級(jí)邊坡坡角約為26°；出口處一級(jí)邊坡坡角約為47°，二級(jí)邊坡坡角約為26°，三級(jí)邊坡坡角約為35°。考慮邊坡滲水作用，坡體單元采用三維四節(jié)點(diǎn)孔壓?jiǎn)卧–3D4P）。坡體共劃分82 505個(gè)孔壓?jiǎn)卧?6 084個(gè)單元節(jié)點(diǎn)。計(jì)算時(shí)所采用的巖土體材料參數(shù)見表1。

表1　邊坡巖土材料計(jì)算參數(shù)

圖2　邊坡計(jì)算模型

2.3數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

運(yùn)用上述數(shù)值分析模型，采用強(qiáng)度折減法對(duì)該邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，獲得其安全系數(shù)。強(qiáng)度折減法的基本原理為：材料的內(nèi)摩擦角和粘聚力的逐漸降低導(dǎo)致單元的應(yīng)力無法與強(qiáng)度配套或超出屈服面，不能承受的應(yīng)力將逐漸轉(zhuǎn)移到周圍土體單元中，出現(xiàn)連續(xù)滑動(dòng)面（屈服點(diǎn)連成貫通面）后，土體將失穩(wěn)。當(dāng)假定邊坡內(nèi)所有土體抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮程度相同時(shí)，抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)相當(dāng)于邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)。ABAQUS沒有內(nèi)置強(qiáng)度折減法的分析方法，但通過定義變化的材料參數(shù)，并通過ABAQUS場(chǎng)變量的設(shè)置可計(jì)算出滑動(dòng)面出現(xiàn)時(shí)的安全系數(shù)?；瑒?dòng)面貫通時(shí)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)變量（折減系數(shù)）即為邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)。

實(shí)際邊坡在長(zhǎng)期自重作用下已經(jīng)達(dá)到自身平衡。在ABAQUS中，由于重力作用會(huì)對(duì)邊坡產(chǎn)生豎向沉降，給滑動(dòng)面觀察造成困難，首先進(jìn)行地應(yīng)力平衡計(jì)算以消除重力的影響。自重應(yīng)力作用下的應(yīng)力云圖見圖3。從中可見在片石擋墻及護(hù)坡處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖3　邊坡在重力作用下的應(yīng)力云圖（單位：k Pa）

2.3.1安全系數(shù)

采用強(qiáng)度折減法，當(dāng)強(qiáng)度折減到某一數(shù)值時(shí)，計(jì)算過程中將會(huì)出現(xiàn)位移拐點(diǎn)，將計(jì)算過程中邊坡頂點(diǎn)出現(xiàn)位移突變視為邊坡失穩(wěn)。該邊坡安全系數(shù)-位移曲線見圖4。

從圖4可看出：該邊坡安全系數(shù)為1.238。強(qiáng)度折減系數(shù)為0～1.238時(shí)，邊坡頂點(diǎn)位移變化不大，大于1.238后邊坡位移急劇增加。

觀察塑性區(qū)在分析過程中的變化，了解邊坡失穩(wěn)過程。截取邊坡坡腳出現(xiàn)塑性區(qū)直至塑性區(qū)貫通的過程，安全系數(shù)為1.238時(shí)的塑性區(qū)見圖5。

圖4　邊坡總位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)的變化

圖5　折減系數(shù)為1.238時(shí)的塑性應(yīng)變

從圖5可看出：折減系數(shù)為1.238時(shí)，邊坡塑性區(qū)貫通，與數(shù)值模擬結(jié)果中位移結(jié)果一致。

2.3.2滑動(dòng)面

邊坡穩(wěn)定性分析中需確定滑動(dòng)面的位置。由于計(jì)算過程中第一步分析中進(jìn)行了地應(yīng)力平衡計(jì)算，消除了重力作用對(duì)邊坡位移的影響，從塑性應(yīng)變圖即可清楚地判斷滑動(dòng)面的位置。從圖5可以看出：滑動(dòng)面大致呈圓弧狀通過邊坡坡腳點(diǎn)，圓弧半徑為20.75 m左右，滑動(dòng)面到坡面最大垂直深度約為4.55 m。

3　加固建議

基于現(xiàn)場(chǎng)踏勘、巖土參數(shù)預(yù)估及數(shù)值分析獲得的滑坡體幾何特征，提出如下預(yù)加固建議：

（1）在隧道進(jìn)口仰坡坡面采用漿砌片石護(hù)坡支護(hù)進(jìn)行預(yù)加固。

（2）在隧道出口仰坡坡面采用錨桿+網(wǎng)格梁+噴漿的聯(lián)合支護(hù)形式進(jìn)行加固。

（3）清除有植物根系發(fā)育的巖體，防止其崩落，并對(duì)坡面作噴漿處理，防止其進(jìn)一步風(fēng)化。

（4）清除隧道進(jìn)、出口仰坡上部截水溝內(nèi)雜草，并對(duì)片石破損部位進(jìn)行修復(fù)。

4　結(jié)論

針對(duì)趙家沖隧道進(jìn)、出口邊坡，通過ABAQUS建立三維有限元分析模型，考察邊坡在自重及孔隙水作用下的穩(wěn)定性，得出以下主要結(jié)論：

（1）該段邊坡安全系數(shù)約為1.238，考慮到邊坡巖土參數(shù)離散性及強(qiáng)降雨等不利因素，建議對(duì)該邊坡進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，雨季加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)采取加固措施進(jìn)行加固處理。

（2）潛在滑動(dòng)面圓弧半徑為20.75 m左右，滑動(dòng)面到坡面最大垂直深度約為4.55 m。

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U456

A

1671-2668（2016）01-0221-03

2015-12-07