基于3DEC對巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性分析

倪 勇，王述紅

(1.中國十九冶集團(tuán)有限公司， 四川 成都 610091；2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

基于3DEC對巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性分析

倪 勇1，王述紅2

(1.中國十九冶集團(tuán)有限公司， 四川 成都 610091；2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

結(jié)合遼寧省境內(nèi)建興高速公路某高邊坡的施工過程，利用現(xiàn)代非接觸測量技術(shù)采集巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面信息，采用赤平投影技術(shù)對邊坡結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分組，從而判斷出坡面與節(jié)理結(jié)構(gòu)面的空間關(guān)系，識別出施工過程中可能出現(xiàn)巖塊滑落的區(qū)域。然后，在此基礎(chǔ)上采用大型三維離散元軟件3DEC模擬邊坡采用不同的臺階數(shù)進(jìn)行開挖，通過監(jiān)測邊坡巖體位移的變化，找出該巖質(zhì)邊坡不穩(wěn)定塊體存在的位置，并得出采用5級臺階開挖時，邊坡巖體的位移量最小，邊坡的穩(wěn)定性更好，從而指導(dǎo)該邊坡工程在開挖過程中的安全施工，以及為邊坡的后期支護(hù)提供理論依據(jù)和參考。

巖質(zhì)邊坡；結(jié)構(gòu)面分組；赤平投影；3DEC；穩(wěn)定性分析

巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)破壞往往伴隨著復(fù)雜的地質(zhì)變化過程，然而坡體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜和構(gòu)成坡體的巖土體物質(zhì)多樣，致使邊坡在發(fā)生破壞時具有不同的損傷模型[1-3]。邊坡在不同的破壞模式下，其結(jié)構(gòu)面形式和形成條件存在較大差異，所以針對不同的邊坡破壞形式應(yīng)選擇相應(yīng)的計算分析方法來確定其穩(wěn)定性。目前，邊坡穩(wěn)定性分析方法分為定性分析法和定量分析法。近年來，計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展以及非線性力學(xué)、非確定性數(shù)學(xué)、遺傳算法、系統(tǒng)科學(xué)、進(jìn)化計算等新興學(xué)科的興起，將全新的思考方式注入到邊坡的穩(wěn)定性分析中，從而產(chǎn)生了新的分析方法，為研究邊坡工程及類似工程提供了有力的理論依據(jù)[4-8]。

定性分析方法[9-10]可以充分整合影響邊坡穩(wěn)定性的各種因素，從而較快地對邊坡的穩(wěn)定性及其發(fā)展趨勢進(jìn)行評估。主要方法有：工程地質(zhì)分析、圖形法(極射赤平投影法)、分析數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)法等。

定量分析方法[11-12]是考慮結(jié)構(gòu)面的受力特性，利用力學(xué)原理來評判邊坡的穩(wěn)定性，嚴(yán)格意義說，該方法對邊坡的穩(wěn)定性還達(dá)不到百分之百的定量分析，僅僅可以視為半定量分析。邊坡穩(wěn)定性定量分析法有三種：模糊綜合評判法[13]、極限平衡法[14]和數(shù)值法[15](非連續(xù)變形分析、邊界單元法、離散有限單元法、數(shù)值流形方法等)。

文章以遼寧省建興高速公路第七合同段的巖質(zhì)高邊坡為研究對象，該處高邊坡達(dá)40余米，地表浮土較淺，因此可不考慮地表應(yīng)力對邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，邊坡的穩(wěn)定性由巖體節(jié)理結(jié)構(gòu)面決定。

1 工程概況

建興高速公路第七合同段位于建昌縣的東北方向40 km處，處于陰山緯向構(gòu)造體系中，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，按構(gòu)造體系可分為東西向構(gòu)造、南北向構(gòu)造。受構(gòu)造影響，區(qū)內(nèi)斷裂較為發(fā)育，以東西向和南北向斷裂為主。該處高邊坡縱向長度100余米，邊坡高度有40 m，臺階法進(jìn)行放坡開挖，分為五級臺階，每一級臺階開挖深度8 m，每級臺階底部設(shè)置平臺，寬度2 m，第一級臺階的坡度系數(shù)為1.4，其余臺階的坡度系數(shù)為0.25。地層主要由中密砂土、第三紀(jì)砂巖、中風(fēng)化頁巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖組成，如圖1鉆孔地層圖所示。

圖1邊坡地質(zhì)層狀圖

本文的思路是對邊坡進(jìn)行現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息的采集，利用極射赤平投影法定性地判斷邊坡是否能形成不穩(wěn)定塊體，同時采用3DEC軟件建立邊坡的離散元模型及模擬開挖，在模型中設(shè)置觀測點，觀察挖掘過程中邊坡巖體位置和位移的變化情況，找出力和位移值較大的部位，進(jìn)而判定出邊坡不穩(wěn)定部位，從而提出巖體需重點監(jiān)測和加固位置，指導(dǎo)邊坡工程的安全開挖。

2 現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面信息采集

本文所采用的數(shù)據(jù)采集方法為現(xiàn)代非接觸數(shù)字測量，該方法具有精度高、信息面廣優(yōu)勢，并可將巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分組[16]。本文采集了該工程項目建昌段57 km處的現(xiàn)場高邊坡圖，如圖2所示。

圖2邊坡實物圖

提取節(jié)理信息：巖體節(jié)理結(jié)構(gòu)面的信息在JMX中提取和分析，小盤嶺邊坡的結(jié)構(gòu)面信息處理結(jié)果如圖3所示，主要有3組：結(jié)構(gòu)面J1，14組；結(jié)構(gòu)面J2，18組；結(jié)構(gòu)面J3，10組。巖體的結(jié)構(gòu)面信息通過ShapeMetriX3D軟件提取，主要參數(shù)有：結(jié)構(gòu)表面的傾向、傾角、跡線長度以及三維坐標(biāo)，其中控制著巖體結(jié)構(gòu)面分布規(guī)律為傾向和傾角，傾向和傾角對巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用[17]。

結(jié)構(gòu)面整理信息見表1。

圖3 結(jié)構(gòu)面信息獲取圖

表1 結(jié)構(gòu)面信息整理表

3 極射赤平投影進(jìn)行穩(wěn)定性分析

巖質(zhì)高邊坡在施工過程中的穩(wěn)定性除了受施工擾動不可避免的影響，節(jié)理結(jié)構(gòu)面分布和發(fā)育程度以及它們之間的空間組合關(guān)系主要控制著邊坡的安全。根據(jù)極射赤平投影法分析邊坡穩(wěn)定性的方式，該段邊坡結(jié)構(gòu)面的赤平投影圖如圖4所示。

圖4邊坡赤平投影圖

圖中節(jié)理結(jié)構(gòu)面的圓弧頂點分別為M1、M2、M3，節(jié)理結(jié)構(gòu)面J1與節(jié)理結(jié)構(gòu)面J2的組合線N12，節(jié)理結(jié)構(gòu)面J1與節(jié)理結(jié)構(gòu)面J3的組合線N13，節(jié)理結(jié)構(gòu)面J2與節(jié)理結(jié)構(gòu)面J3的組合線N23，它們的產(chǎn)狀信息見表2。然后對這些結(jié)構(gòu)面及其組合線關(guān)系作出赤平投影穩(wěn)定性分析。

表2 結(jié)構(gòu)面交線信息

分析結(jié)果：M1、M3位于III區(qū)，則節(jié)理面J1、J3的傾向與邊坡的傾向相同，其傾角小于邊坡的傾角，大于內(nèi)摩擦角，屬于危險節(jié)理面；M2位于I區(qū)，M1、M3位于III區(qū)，則節(jié)理面J2的傾向與邊坡的傾向相反，其傾角小于邊坡的傾角，屬于穩(wěn)定節(jié)理面。組合線N12、N23都位于I區(qū)，則其傾向與邊坡傾向相反，且傾角小于邊坡傾角，不會使邊坡產(chǎn)生不穩(wěn)定塊體；組合線N13位于III區(qū)，其傾向與邊坡傾向相同，其傾角大于內(nèi)摩擦角，并且小于邊坡傾角，符合邊坡的破壞損傷條件，即這兩組結(jié)構(gòu)面切割邊坡巖體時生成了可能沿組合線N13方向滑移或冒落的楔形塊體，使邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此需要通過數(shù)值分析再次確定不穩(wěn)定塊體的位置，從而提出支護(hù)措施以提高邊坡的穩(wěn)定性，保證施工過程的安全。

4 3DEC軟件數(shù)值模擬

20世紀(jì)70年代，由Cundall等人提出組合體的概念，即巖體是由軟弱結(jié)構(gòu)面分割后的塊體組成的結(jié)合體，此時巖體的強(qiáng)度由軟弱面控制。15年之后Cundall團(tuán)隊開發(fā)出了三維離散元軟件3DEC，并運用于巖體穩(wěn)定性分析中。

離散元的物理方程：F′=K′×U′；運動方程：a=F合/m；其中F′為塊體之間力的法向分力，K′為法向剛度系數(shù)，U′為相對位移量，a為加速度，F(xiàn)合為巖體所受合力，m為巖塊的質(zhì)量。

邊坡計算模型的邊界范圍取值：X方向為200 m(滿足邊坡高度的5倍)，Y方向為80 m(滿足邊坡高度的2倍)，Z方向為50 m(根據(jù)現(xiàn)場情況取值)。

計算邊界條件設(shè)置：在XOZ平面內(nèi)，限制模型下邊界的位移；在YOZ平面內(nèi)，限制左右邊界X方向的位移；在XOY平面內(nèi)，限制前后兩側(cè)邊界Z方向的位移；模型的上部為開挖面，即為自由邊界，允許巖體表面及結(jié)構(gòu)單元體產(chǎn)生較大的位移和變形；施加的荷載選擇自然重力應(yīng)力場。本文中暫不考慮地表水、承壓水和自然災(zāi)害等對邊坡穩(wěn)定性的影響。

(1) 參數(shù)選取。根據(jù)小盤嶺邊坡的地勘報告和水文條件及室內(nèi)外巖體工程試驗及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，邊坡巖體的力學(xué)參數(shù)在小盤嶺邊坡模型中按表3、表4取值。

表3 巖體力學(xué)參數(shù)

表4 節(jié)理裂隙力學(xué)參數(shù)取值表

(2) 穩(wěn)定性判別。節(jié)理結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性可根據(jù)模擬開挖過程中每級臺階上的監(jiān)測點位移變化情況來判別。根據(jù)工程試驗，當(dāng)監(jiān)測到邊坡巖體的位移等于或大于開挖深度的1‰時，即本文模擬的高邊坡開挖深度達(dá)50 m，當(dāng)監(jiān)測的位移值達(dá)到5 cm時，可認(rèn)為該監(jiān)測點所處位置的邊坡巖體發(fā)生了破壞，甚至出現(xiàn)塊體滑落。故通過監(jiān)測開挖每一級臺階平臺上監(jiān)測點豎向位移的變化情況，當(dāng)某個位置點的豎向位移達(dá)到5 cm時，即可判定該處邊坡巖體不穩(wěn)定，局部塊體甚至發(fā)生了脫落，相反的情況，該處邊坡處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

(3) 數(shù)值模擬分析。由于該段邊坡第1級臺階為砂土層，因而不考慮其節(jié)理裂隙的影響。因此對邊坡的第2～5步開挖進(jìn)行分析，從第2級臺階開始每級臺階布設(shè)5個監(jiān)測點，每開挖一級臺階監(jiān)測一次，模型建立及測點布置見圖5，設(shè)計開挖計算步數(shù)3 000步，模型的初始平衡位移為2.4 cm。

圖5邊坡模型及測點布置圖

圖6為左測監(jiān)測點位移曲線變化趨勢，左側(cè)邊坡測點1、2在2～5步開挖過程中位移變化逐漸增大，而其他監(jiān)測點位移量變化較小，且都小于(5.0+2.4)cm，得出在測點1、2附近出現(xiàn)了不穩(wěn)定塊體，且塊體的位移量遠(yuǎn)大于(5.0+2.4)cm，則邊坡在坐標(biāo)位置(19，24，5)5.0 m范圍內(nèi)的塊體將會出現(xiàn)滑落或者冒落，故在進(jìn)行邊坡開挖時應(yīng)在該處進(jìn)行加固支護(hù)。

圖6監(jiān)測點1、2、3、4、5在每步臺階開挖下的位移量

圖7顯示了右側(cè)邊坡各監(jiān)測點的位移量，變化較小且都小于(5.0+2.4)cm，所以可認(rèn)為右側(cè)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)?？梢姡?DEC數(shù)值模擬的結(jié)果是與赤平投影分析的結(jié)論是相吻合的。

圖7監(jiān)測點11、12、13、14、15在每步臺階開挖下的位移量

圖8顯示了邊坡巖體的位移矢量，左側(cè)邊坡不穩(wěn)定塊體出現(xiàn)區(qū)域的位移矢量是隨著邊坡開挖深度的增加而逐漸增大的，符合位移量變化的結(jié)果，進(jìn)而說明了該高邊坡是不穩(wěn)定的，在施工過程中極易出現(xiàn)塊體滑落或冒落的現(xiàn)象，因此在監(jiān)測點1、2的5.0 m范圍應(yīng)采取錨桿加固，且錨桿長度不應(yīng)小于10 m。

圖8開挖第三、五級臺階時巖體內(nèi)部的位移矢量圖

(4) 錨桿加固。根據(jù)前面模擬的結(jié)果，在位移量超過7.4 cm的監(jiān)測點位置進(jìn)行錨桿加固。在進(jìn)行添加錨桿支護(hù)后，左側(cè)邊坡監(jiān)測點1、2的位移量明顯減少，各監(jiān)測點的位移量都小于7.4 cm，說明經(jīng)過錨桿支護(hù)后，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié) 論

本文在總結(jié)了邊坡穩(wěn)定性分析已有方法的基礎(chǔ)上，將極射赤平投影分析法與適用于節(jié)理化巖體的離散元軟件3DEC相結(jié)合，對建興高速公路第七合同段的高邊坡進(jìn)行了結(jié)構(gòu)面特性調(diào)查和穩(wěn)定性分析，得到如下結(jié)論：

(1) 根據(jù)結(jié)構(gòu)面信息調(diào)查的結(jié)果，對邊坡初步進(jìn)行赤平投影法分析，得出結(jié)構(gòu)面J1和J2交線的傾向與左側(cè)邊坡相同，且傾角小于邊坡坡角，為危險節(jié)理面，將產(chǎn)生不穩(wěn)定塊體，影響邊坡的整體穩(wěn)定性。而在右側(cè)邊坡，交線的傾向與邊坡的傾向相反，傾角小于坡角，右側(cè)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 根據(jù)監(jiān)測點的位移變化圖和位移矢量圖，得出由于節(jié)理結(jié)構(gòu)面切割形成的不穩(wěn)定塊體，隨著邊坡的開挖，臨空面的增加，不穩(wěn)定塊體將出現(xiàn)冒落、掉落現(xiàn)象。因此，在邊坡的開挖過程中，不能采用開挖完成后一次支護(hù)，而應(yīng)該采取一邊開挖一邊支護(hù)，從而保證工程開挖的安全。

(3) 合理地選擇3DEC軟件對該邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，較準(zhǔn)確地確定了該段邊坡不穩(wěn)定塊體形成的所在位置以及影響范圍，并進(jìn)行錨桿加固，得到了較好的效果，為該邊破實際施工的安全提供理論指導(dǎo)，為邊坡的后期支護(hù)方案提供參考依據(jù)。

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StabilityAnalysisofHighRockSlopebasedon3DEC

NI Yong1, WANG Shuhong2

(1.China19thMCCGroupChengduConstructionCo.,Ltd.，Chengdu，Sichuan610091，China；2.SchoolofResource&CivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang,Liaoning110819，China)

Combining with the construction process of Jianchang-Xingcheng highway high slope in Liaoning province, modern non-contact digital measurement technology is adopted to collect information on rock slope structural plane and stereographic projection technique is used to group structural planes, which will help judge spatial relationship of slope surface and joint structure. Then the probable slipping zone in the process of excavation can be identified. Based on these, large 3D discrete element software 3DEC is adopted to simulate progress of slope excavation, from which the displacement will be calculated to find out the instability blocks' position. Then important reinforcement positions can be provided and treatment measures are taken to ensure the safe of slope excavation, which provides a theoretical basis and reference with the support of the slope in the future.

rockslope；structuralsurfacegroup；stereographicprojection； 3DEC；stabilityanalysis

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.041

2017-06-29

2017-08-23

倪 勇(1989—)，男，四川內(nèi)江人，碩士，工程師，主要從事建筑、市政施工技術(shù)方面的研究工作。 E-mail: ny19890131@126.com

王述紅(1969—)，男，江蘇泰州人，博士，教授，主要從事節(jié)理巖體工程特性研究工作。 E-mail: shwangneu@126.com

TU457

A

1672—1144(2017)06—0206—05