含軟弱夾層邊坡開(kāi)挖與支護(hù)數(shù)值模擬

贠永峰, 方騰飛, 郭光玲

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710054；2.陜西理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

隨著我國(guó)山嶺地區(qū)道路的修筑，涌現(xiàn)了大量的邊坡工程。在邊坡巖層的形成過(guò)程中，會(huì)形成顆粒細(xì)、層薄、間夾在相對(duì)堅(jiān)硬的巖層中的夾層，呈層狀或條帶狀，力學(xué)強(qiáng)度低，遇水易軟化，稱(chēng)為“軟弱夾層”[1-2]。巖土體沿軟弱夾層結(jié)構(gòu)面發(fā)生位移過(guò)大的滑動(dòng)，小則影響坡體的穩(wěn)定性及安全，大則引發(fā)工程事故[3]。由此可見(jiàn)，分析含軟弱夾層邊坡開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性，對(duì)于降低開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)有一定的意義。

軟弱夾層屬于軟質(zhì)巖石的一種，物理力學(xué)性質(zhì)差，流變效應(yīng)明顯，給地下工程施工帶來(lái)諸多問(wèn)題，成為隧道開(kāi)挖、巷道掘進(jìn)、邊坡抗滑穩(wěn)定等的控制性弱面[4]。以往諸多學(xué)者就軟弱夾層影響邊坡穩(wěn)定性的問(wèn)題進(jìn)行了深入研究,胡廣韜[5]從巖體的地質(zhì)成因角度出發(fā)，認(rèn)為巖體內(nèi)部存在一定厚度而且是較軟弱的物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)面，這個(gè)結(jié)構(gòu)面即軟弱夾層；任志丹[6]則認(rèn)為，軟弱夾層是位于巖體內(nèi)部巖性軟弱、泥炭質(zhì)含量高、強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)松散的巖層，且遇水后易崩解和軟化。在計(jì)算方法方面，楊令強(qiáng)等[7]提出了夾層法以及連續(xù)體法來(lái)處理軟弱夾層問(wèn)題，并在實(shí)際邊坡工程中得到了推廣應(yīng)用。目前廣泛使用數(shù)值模擬方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。本文針對(duì)具體邊坡工程，運(yùn)用ADINA有限元軟件模擬了只開(kāi)挖不支護(hù)、邊開(kāi)挖邊支護(hù)兩種工況，計(jì)算各階段豎向位移及主應(yīng)力大小，驗(yàn)證施加錨桿可增加坡面沿夾層滑動(dòng)阻力，保證開(kāi)挖的安全性。

1 工程概況

某高速公路邊坡位于斜嶺面上，地貌屬于丘陵地帶。由于公路一側(cè)修筑服務(wù)站，場(chǎng)地平整、人工削坡后，形態(tài)近似為傾斜式邊坡。坡長(zhǎng)90 m，坡高26.0 m，坡角45°。根據(jù)地勘報(bào)告資料，坡頂表層覆蓋灌木雜草，第一層為2～4 m的坡積含碎石粉質(zhì)粘土；第二層為碎石土，厚度為3～6 m；第三層是弱風(fēng)化基巖，巖體裂隙較為發(fā)育，多為碎狀，厚度為4～8 m，巖體發(fā)育產(chǎn)狀140°∠50°。坡體內(nèi)含有一條穿過(guò)一、二、三土層且與水平面呈45°夾角的軟弱夾層，每層軟弱夾層的巖性是一樣的，均由巖石強(qiáng)風(fēng)化在殘積土中形成的，主要礦物成分為高嶺土。與擬開(kāi)挖坡面水平距離為6.0 m，分析該軟弱夾層對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的評(píng)估具有重要意義。錨噴支護(hù)方式作為永久支護(hù)，錨桿長(zhǎng)度為6、8、10 m,傾角均為15°；采用φ10Ⅰ級(jí)150 mm的鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土厚度為150 mm。土層與錨桿物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層的物理力學(xué)參數(shù)

2 計(jì)算模型及模擬方案

2.1 計(jì)算模型

利用ADINA有限元軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖1所示。以左下方坡角角點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿邊坡高度方向?yàn)閆向，規(guī)定向上為正；以邊坡長(zhǎng)度方向Y向，規(guī)定右為正。根據(jù)開(kāi)挖影響范圍，取Y向左右距離坡面3倍長(zhǎng)度的范圍。計(jì)算中將應(yīng)變場(chǎng)簡(jiǎn)化為2-D實(shí)體模型(平面應(yīng)變)；土體材料選取Mohr-Coulomba模型(理想彈塑性)；錨桿采用線彈性材料，利用Rebar單元模擬，此處不考慮掛網(wǎng)噴錨模擬，利用有限元軟件“單元生死”功能模擬開(kāi)挖與錨桿支護(hù)的施工工序[8-10]。計(jì)算模型限制側(cè)面和Z向底面的變形，邊坡頂部為無(wú)約束的自由邊界，對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)均不考慮，只考慮位移。忽略軟弱夾層的化學(xué)成分的影響因素，假定卸載作用下夾層為一潛在滑動(dòng)面。由于該邊坡所處地區(qū)地震烈度小于6°，邊坡計(jì)算中不考慮地震的影響。計(jì)算中以巖土層的重力場(chǎng)模擬地表初始應(yīng)力，重力在模型第一個(gè)單位施加完畢，通過(guò)重力加載得到開(kāi)挖前的地應(yīng)力分布。模擬計(jì)算過(guò)程中，不考慮地下水對(duì)邊坡的影響。

圖1 計(jì)算模型圖

2.2 模擬方案

如圖1所示，將擬開(kāi)挖土體剖分為15個(gè)網(wǎng)格區(qū)域，沿Z軸負(fù)向依次分5層開(kāi)挖：A、B、C為第一層，厚度2.0 m；D、E、F為第二層，厚度3.0 m；G、H、I為第三層，厚度3.0 m；J、K、L為第四層，厚度3.0 m；M、N為第五層，厚度3.0 m。沿Y軸正方向逐層開(kāi)挖，沿坡面采用分臺(tái)階開(kāi)挖，每層完成后沿坡面打錨桿和掛網(wǎng)噴錨，直至挖完N區(qū)，整個(gè)開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程結(jié)束。

為了便于對(duì)比不同開(kāi)挖方式對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，采用兩種工況模擬邊坡開(kāi)挖與支護(hù)過(guò)程。

工況一：模擬分層順序依次開(kāi)挖，不采取支護(hù)措施。計(jì)算過(guò)程中，使用軟件中“單元生死”功能將錨桿單元凍結(jié)鎖死，而將軟弱夾層的界面單元激活。

工況二：分層順序依次開(kāi)挖至坡面時(shí)，每層完成后到達(dá)第二層時(shí)激活上一層支護(hù)坡面的錨桿和混凝土噴錨面層，以此按順序進(jìn)行，直至第五層完成。

在進(jìn)行單元節(jié)點(diǎn)劃分時(shí)，除了對(duì)于軟弱夾層處的網(wǎng)格適當(dāng)加密外，ADINA具有的軟土的蠕變單元模型可模擬軟弱夾層特殊性質(zhì)。

3 計(jì)算分析

網(wǎng)格劃分時(shí)，距離夾層較近的面每0.6 m一個(gè)節(jié)點(diǎn)，距離夾層較遠(yuǎn)的視具體情況而定。夾層區(qū)域單元格采用低階3節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行剖分，為使計(jì)算易于收斂，與夾層相距較遠(yuǎn)的區(qū)域采用4節(jié)點(diǎn)單元剖分，整個(gè)模型計(jì)算共采用了1238個(gè)節(jié)點(diǎn)，剖分了444個(gè)單元。

3.1 初始狀態(tài)應(yīng)力

在ADINA中定義該計(jì)算模型時(shí)間步長(zhǎng)為1，計(jì)算200步，總的計(jì)算時(shí)間為200。由于第一層土第一個(gè)單元開(kāi)挖時(shí)間從10開(kāi)始，故在重力場(chǎng)作用下查看該時(shí)刻最大第一主應(yīng)力，如下圖2所示。

(a)工況一 (b)工況二 圖2 開(kāi)挖前第一主應(yīng)力分布云圖

分析兩種工況的計(jì)算結(jié)果，工況一開(kāi)挖初期在重力場(chǎng)作用下，由于軟弱夾層的存在，在夾層與坡底邊交界處應(yīng)力集中，剪應(yīng)力值達(dá)到最大值-4.95×104N/m2,剪應(yīng)力方向與夾層走向平行；工況二未開(kāi)挖初期，夾層的存在使得坡面第一層擬開(kāi)挖土體出現(xiàn)局部塑性區(qū)，應(yīng)力同樣在坡底面與夾層交界處達(dá)到最大值-3.67×105N/m2，方向平行于夾層面。綜上分析，擬開(kāi)挖坡體存在滑移的傾向，軟弱夾層是潛在的滑動(dòng)面，后續(xù)開(kāi)挖過(guò)程中有必要采取加固措施。

3.2 第一次開(kāi)挖后對(duì)比分析

開(kāi)挖屬于巖土體卸荷的過(guò)程，應(yīng)力釋放必然會(huì)對(duì)周?chē)麦w產(chǎn)生擾動(dòng)，理論上分析，會(huì)沿著軟弱夾層滑動(dòng)產(chǎn)生沉降和變形。此處采用豎向(Z軸方向)沉降量指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算的最終結(jié)果如下圖3，由于Y軸向進(jìn)行了約束，因而會(huì)產(chǎn)生豎向趨勢(shì)的沉降和變形，在路基的右側(cè)尤為明顯。云圖可以看出，位移等值線基本上對(duì)稱(chēng)分布，位移等值線在夾層面處出現(xiàn)尖角和折角，說(shuō)明產(chǎn)生了較大的錯(cuò)動(dòng)力，最大的位移值為4.5×10-3m，根據(jù)《GB50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》要求，沉降量屬于合理范圍。

(a)工況一 (b)工況二 圖3 第一次開(kāi)挖Z向位移云圖

工況二開(kāi)挖時(shí)，每一層挖至坡面時(shí)，打錨桿進(jìn)行加固，阻止擬開(kāi)挖坡體沿軟弱夾層錯(cuò)動(dòng)滑移動(dòng)，這樣就使得擬開(kāi)挖坡體與邊坡右部分共同承擔(dān)巖土體卸荷所釋放的應(yīng)力，使得柔性支護(hù)構(gòu)件錨桿受力發(fā)揮作用。與工況一相比，云圖中夾層交界面處變形等值線平緩，沉降均勻，說(shuō)明增加錨桿支護(hù)減小了滑動(dòng)產(chǎn)生的錯(cuò)動(dòng)剪力。但是，坡角右側(cè)沉降量相比工況一明顯增大，最大沉降量為2.25×10-3m。坡角處由于應(yīng)力集中，位移云圖呈彎曲形狀，應(yīng)力向右側(cè)約束處擴(kuò)散，與理論分析吻合。

3.3 開(kāi)挖完成后對(duì)比分析

在重力場(chǎng)作用下，工況一不進(jìn)行支護(hù)的直接開(kāi)挖方式，輕則必然引起很大的變形和沉降，重則邊坡失去穩(wěn)定性，對(duì)工程安全帶來(lái)隱患。而即使是工況二邊開(kāi)挖及時(shí)支護(hù)，仍然不能滿(mǎn)足安全評(píng)價(jià)性指標(biāo)，下圖給出兩種開(kāi)挖過(guò)程中每層最大剪應(yīng)力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如圖4所示。由圖中數(shù)據(jù)可以分析得到，對(duì)坡面不支護(hù)直接開(kāi)挖，隨著開(kāi)挖深度的增加，每一層開(kāi)挖過(guò)程中最大剪應(yīng)力也隨之增大，說(shuō)明沿著夾層與擬開(kāi)挖面存在錯(cuò)動(dòng)剪力Vd。二至三層開(kāi)挖時(shí)，工況二由于打錨桿作用穿過(guò)夾層，Tm產(chǎn)生沿夾層面的分力T1擾動(dòng)使其夾層面出現(xiàn)輕微滑動(dòng),如圖5所示。

圖4 每層開(kāi)挖過(guò)程中最大剪應(yīng)力 圖5 受力分析簡(jiǎn)圖

可得到兩種工況最終開(kāi)挖完成后的最大第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力。如圖6、7所示，工況一的第一主應(yīng)力最大值為64 030 N/m2，工況二的第一主應(yīng)力最大值為91 262 N/m2。工況一的第三主應(yīng)力最大值為14 306 N/m2，工況二的第三主應(yīng)力最大值為0，符合開(kāi)挖的安全要求。結(jié)果表明采用工況二進(jìn)行開(kāi)挖滿(mǎn)足邊坡沉降位移要求，應(yīng)力狀態(tài)也處于安全范圍。錨桿作用分力T1可以平衡夾層與坡體之間錯(cuò)動(dòng)剪力Vd，發(fā)揮阻力作用。

(a)工況一 (b)工況二 圖6 開(kāi)挖完成后第一主應(yīng)力

(a)工況一 (b)工況二 圖7 開(kāi)挖完成后第三主應(yīng)力

4 結(jié) 語(yǔ)

利用有限元軟件模擬了含軟弱夾層邊坡兩種開(kāi)挖工況，通過(guò)對(duì)計(jì)算所得變形特征及剪應(yīng)力對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

(1)初始應(yīng)力場(chǎng)條件下，該邊坡的軟弱夾層是潛在的滑動(dòng)面，沿軟弱夾層面將發(fā)生較大的相對(duì)滑動(dòng)變形。相對(duì)滑動(dòng)使得夾層強(qiáng)度降低，平行夾層面處的剪應(yīng)力會(huì)發(fā)生較大的剪切變形,使邊坡土體抗剪強(qiáng)度發(fā)生變化。

(2)采用錨桿加固后，工況二每層開(kāi)挖過(guò)程中最大剪應(yīng)力急劇下降，錨桿支護(hù)使得滑動(dòng)產(chǎn)生的錯(cuò)動(dòng)剪力減小大約40%。坡角右側(cè)由于應(yīng)力集中，沉降量相比工況一明顯增大，最大沉降量為2.25×10-3m。開(kāi)挖完成后，工況二相對(duì)于工況一的第一主應(yīng)力增加43%，工況二第三主應(yīng)力最大值為0。

(3)分析結(jié)果表明，利用數(shù)值模擬技術(shù)分析邊坡動(dòng)態(tài)卸荷過(guò)程，可直觀反映各階段應(yīng)力-應(yīng)變的變化過(guò)程。然而，將問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維平面問(wèn)題就忽略了坡體滑動(dòng)時(shí)側(cè)面的阻滑力，以考慮阻滑力的三維強(qiáng)度折減彈塑性有限元分析將是往后研究的重點(diǎn)。