巖質(zhì)陡高邊坡穩(wěn)定性評價與防治措施

劉力英，魏立新

(廣州市市政工程設(shè)計研究總院，廣州 510060)

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巖質(zhì)陡高邊坡穩(wěn)定性評價與防治措施

劉力英，魏立新

(廣州市市政工程設(shè)計研究總院，廣州 510060)

以典型工程實例為背景，借助surfer軟件生成實際地形曲面。以此為基礎(chǔ)，采用有限元軟件建立較為接近實際的計算模型。計算分析了強降雨和地震作用對巖質(zhì)高邊坡的影響。研究表明：不同影響因素作用下，邊坡均表現(xiàn)為開挖面以上近山頂坡面向臨空面滑動，并形成淺層局部貫通的塑性區(qū)；降雨和地震作用對邊坡產(chǎn)生了顯著的影響，安全系數(shù)較自重作用分別減小11.3%和14.5%；邊坡形成了貫穿的塑性區(qū)，處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明塑性區(qū)貫通是邊坡失穩(wěn)的必要條件；坡頂局部幾乎臨近極限平衡狀態(tài)，在地震和降雨誘發(fā)因素作用下易產(chǎn)生局部失穩(wěn)破壞?；诜治鼋Y(jié)果，制定了邊坡防治措施，計算表明措施有效可行。

高邊坡；穩(wěn)定性評價；降雨影響；地震作用；數(shù)值計算

引 言

巖質(zhì)高邊坡是山區(qū)工程建設(shè)中的主要地質(zhì)環(huán)境和工程載體，高邊坡穩(wěn)定問題是重大工程建設(shè)的首要工程地質(zhì)問題和巖石力學(xué)問題[1]。高邊坡的穩(wěn)定問題大多由外部條件誘發(fā)所致，其中降雨和地震作用最為突出。降雨使巖土基質(zhì)吸力減小、下滑力增大并產(chǎn)生物化作用影響邊坡的穩(wěn)定；地震作用增加了山體下滑力矩，且易引起差異位移和液化而導(dǎo)致山體失穩(wěn)?？梢姷卣鸷徒涤曜饔脤r質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性的影響值得探討。

通過解析的方法很難求解邊坡穩(wěn)定對降雨和地震作用的響應(yīng)，所以降雨和地震作用對邊坡的影響研究集中在數(shù)值模型上；數(shù)值計算能夠較好地刻畫降雨和地震引起的土層應(yīng)力和變形的變化，因此得到了很好的發(fā)展[2-8]。然而現(xiàn)有邊坡三維數(shù)值計算中，鮮有考慮巖土的起伏狀態(tài)，大多采用等厚均質(zhì)地層進行建模計算，無法考慮實際邊坡傾向的影響，從而導(dǎo)致邊坡計算穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)較大偏差。事實上，山體邊坡是一種具有分布不均勻、層面交錯的天然地質(zhì)體，一般都處于起伏，甚至層間交錯的狀態(tài)。

鑒于此，以典型工程實例為依托，利用surfer軟件形成實際地形曲面，以此為基礎(chǔ)，采用有限元軟件建立較為精細的計算模型。計算分析強降雨和地震作用下陡高巖質(zhì)邊坡的變形規(guī)律與穩(wěn)定性，并提出了邊坡防治措施。研究得到一些有益的結(jié)論，以期為類似工程實踐提供借鑒。

1 工程概況

梅州市客家小鎮(zhèn)風(fēng)景區(qū)處于谷底，尾部南面邊坡較緩構(gòu)成峽谷，東側(cè)坡高約128 m，局部人工邊坡段的坡度為65°～85°，西側(cè)坡高約119 m。其中東側(cè)坡面建有廊橋、雕塑及亭閣等構(gòu)筑物，且坡度較大，地質(zhì)條件復(fù)雜(圖1)，因此該側(cè)邊坡能否在其使用期內(nèi)安全可靠，一直是人們最為關(guān)心的問題。根據(jù)該項目巖土勘察報告可知場地巖土物理力學(xué)參數(shù)(表1)。

圖1 山體邊坡示意圖

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值計算

2.1 計算模型的建立

利用三維可視化軟件Surfer9.0，將位置分散的鉆孔點所揭示的各地層插值為連續(xù)的數(shù)據(jù)點信息，形成如圖2所示實際起伏地層分界面，進而導(dǎo)入有限元軟件生成實際地層分界面。

圖2 填土地層起伏曲面(單位：m)

查閱項目所在場地降雨資料，計算所用降水量以當?shù)乇┯陿藴适┘樱s為110 mm/d。滲流計算邊界通過節(jié)點水頭和流量表征，通過穩(wěn)定流計算獲取孔隙水壓，而后以外荷載的形式加入應(yīng)力計算以考慮應(yīng)力滲流耦合作用。地震波豎向輸入加速度約為0.65倍橫向加速度[9-10]，其破壞性較橫向弱，故本文重點考慮0度角入射剪切波對高邊坡產(chǎn)生的影響；當前未取得該項目實際場地相應(yīng)的強震記錄，故選取已有強震記錄EI Centro地震波，該波適用于Ⅱ類場地，且該項目場地實際情況為Ⅱ類場地。地震波在35 s處趨于穩(wěn)定，取地震持續(xù)時間35 s。地震動幅值按照50 a超越概率10%的地震加速度PGA=0.12 g施加(圖3)。

圖3 地震加速度時程曲線

模型人工邊界采用Lysmer提出的粘性邊界，假想邊界處設(shè)置阻尼器，采用Rayleigh阻尼[11]表達式：

[C]=α[M]+β[K]

(1)

式中，[C]為阻尼矩陣，[M]為質(zhì)量矩陣，[K]為剛度矩陣，α為質(zhì)量阻尼系數(shù)，β為剛度相關(guān)阻尼系數(shù)。根據(jù)振型分解方法可由選定的2個振型阻尼比和相應(yīng)的自振頻率表示：

(2)

(3)

試中，ξi和ωi分別表示第i振型的阻尼比和自振頻率。計算中假定ξ=0.05，根據(jù)特征值分析結(jié)果，采用周期最大的兩個主振型計算的自振頻率求解α與β值。

基于工程實踐經(jīng)驗，充分考慮邊界效應(yīng)，取坡底以下1/3坡高為邊界，側(cè)向取1/5坡高為邊界，由此確定東坡三維模型計算范圍X、Y及Z方向分別取220 m、320 m和172 m，總體模型如圖4所示。模型中巖土采用實體單元模擬，邊坡穩(wěn)定數(shù)值計算采用基于理想彈塑性的強度折減法，考慮到Mohr-Coulomb模型應(yīng)用簡單，計算所需參數(shù)較易獲得，故巖土用該本構(gòu)模型。

圖4 邊坡總體計算模型

2.2 計算結(jié)果與分析

為了考察自重、降雨及地震作用對邊坡變形和穩(wěn)定性的影響，基于不同的因素設(shè)定相應(yīng)的計算工況，即計算共含三個工況。圖5為不同工況下邊坡最大剪應(yīng)變云圖，圖6為不同影響因素作用下對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)。根據(jù)強度折減法定義，安全系數(shù)=原強度指標/折減后的強度指標。

圖5 不同工況最大剪應(yīng)變云圖

圖6 不同工況穩(wěn)定系數(shù)

由圖5、圖6可得到如下4點認識：

(1)不同影響因素作用下，邊坡剪應(yīng)變呈現(xiàn)的規(guī)律相近，表現(xiàn)為開挖段以上近山頂坡面向臨空側(cè)滑動，并形成淺層局部貫通的塑性區(qū)。

(2)降雨和地震作用對邊坡產(chǎn)生了顯著的影響，兩者對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.41和1.36，較自重作用穩(wěn)定系數(shù)1.58減小11.3%與14.5%。

(3)從剪切塑性變形分析，形成了貫穿的塑性區(qū)，但邊坡在三種工況下穩(wěn)定系數(shù)均大于《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》1.35的標準[12]，處于整體穩(wěn)定狀態(tài)，由此可見塑性區(qū)的貫通是邊坡破壞失穩(wěn)的必要條件，而非充分條件。

(4)邊坡開挖后，整體穩(wěn)定性良好，但應(yīng)注意到坡頂局部幾乎臨近極限平衡狀態(tài)，在地震和降雨誘發(fā)因素作用下有可能產(chǎn)生局部失穩(wěn)破壞。

3 邊坡防治措施設(shè)計分析

基于計算結(jié)果，為確保項目的安全穩(wěn)定，有必要采取相應(yīng)的防治措施予以加固。對于淺層滑動，加固的關(guān)鍵在于增強其薄弱層面間的抗剪強度。基于上述考慮采用錨固段長為7 m，自由段長為5 m，設(shè)計拉力為700 kN，鉆孔直徑為φ150 mm，傾角為15°的預(yù)應(yīng)力錨索支護體系，表面掛鋼筋網(wǎng)噴射20 cm厚C25混凝土。

圖7為坡面局部加固后邊坡穩(wěn)定性計算分析模型，模型中掛網(wǎng)噴混用殼單元模擬，錨桿用植入式桁架單元模擬。計算加固后邊坡穩(wěn)定系數(shù)如圖8所示，由圖8可知，三種工況加固后的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.75、1.58和1.52，較加固前穩(wěn)定系數(shù)分別增加10.7%、12.1%和11.7%，說明利用預(yù)應(yīng)力錨索較好地提高了圍巖整體穩(wěn)定性，充分發(fā)揮了圍巖自穩(wěn)能力，也從一個側(cè)面說明基于計算結(jié)果采取的防治措施可行。

圖7 邊坡加固后計算模型

圖8 加固后不同工況穩(wěn)定系數(shù)

4 結(jié) 論

(1)不同影響因素作用下，邊坡剪切變形呈現(xiàn)的規(guī)律相近，均表現(xiàn)為開挖面以上近山頂坡面向臨空面滑動，并形成淺層局部貫通的塑性區(qū)。

(2)降雨和地震作用對邊坡產(chǎn)生了顯著的影響，兩者對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.41和1.36，較自重作用穩(wěn)定系數(shù)1.58減小11.3%與14.5%。

(3)邊坡剪切變形形成了貫穿的塑性區(qū)，但邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，由此可知塑性區(qū)貫通是邊坡失穩(wěn)破壞的必要條件，而非充分條件。

(4)坡頂局部幾乎臨近極限平衡狀態(tài)，在地震和降雨等誘發(fā)因素作用下有可能產(chǎn)生局部失穩(wěn)破壞。基于數(shù)值結(jié)果制定邊坡防治措施，并通過計算表明措施有效可行。

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Stability Evaluation and Protection Measures of High Rock Slope

LIULiying,WEILixin

(Guangzhou Municipal Engineering Design & Research Institute, Guangzhou 510060, China)

The actual terrain surface was obtained with the aid of surfer software based on the typical engineering example. On this basis, the relatively actual calculation model was established by FEM software. The influence of rainfall and seismic action on high rock slope was explored. Research shows that excavation surface near the top of the hill slope moves to the free face and forms shallowly local plastic zone under the influence of different factors. Rainfall and seismic action have a significant effect on slope stability and the safety coefficient is reduced by 11.3% and 14.5% respectively compared with the dead weight. The slope is in stable state when it forms transfixion of plastic zone, which is the necessary condition of slope failure. The slope top is almost in limit state, and local instability and destruction are easy to be produced under rainfall and seismic action. Based on the analysis results, the measures to prevent and control the slope are established, and the calculation results show that the measures are effective and feasible.

high slope; stability evaluation; rainfall influence; seismic action; numerical calculation

2015-12-01

國家自然科學(xué)基金資助項目(51508119)

劉力英(1978-)，女，廣東惠州人，高級工程師，碩士，主要從事巖土工程方面的研究，(E-mail)541055859@qq.com

1673-1549(2016)01-0059-05

10.11863/j.suse.2016.01.13

TU99

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