隧道開挖擾動對古滑坡穩(wěn)定性的影響分析

駱曉依，蘇永華，廖君橙

隧道開挖擾動對古滑坡穩(wěn)定性的影響分析

駱曉依，蘇永華，廖君橙

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

山區(qū)地形復雜，當隧道必須在一定位置穿越古滑坡這一不良地質(zhì)時，隧道的施工以及運營對古滑坡都存在著很大的威脅。隧道開挖對古滑坡穩(wěn)定性的影響是施工安全必須考慮的重點問題。針對隧道-古滑坡正交體系，基于二次回歸正交組合試驗設計，在局部強度折減法的基礎(chǔ)上，提出一種隧道開挖對古滑坡穩(wěn)定性影響的分析方法。由于古滑坡的變形與其穩(wěn)定性之間具有一定的內(nèi)在聯(lián)系，應用該方法建立隧道開挖后滑帶最大位移擬合公式，并結(jié)合室內(nèi)大型直剪試驗，依據(jù)局部強度折減法的原理，研究分析隧道開挖擾動對古滑坡穩(wěn)定性的影響。通過工程實例計算分析表明，該方法具有一定的有效性。

古滑坡；隧道；穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

在古滑坡地段修建道路時，由于選擇深路塹形式帶來的大范圍的開挖會對已穩(wěn)定的滑坡體產(chǎn)生擾動，所以往往大多選擇隧道的形式。但是山區(qū)地形復雜，由于道路選線的要求，當隧道必須在一定位置穿越古滑坡這一不良地質(zhì)時，隧道的施工以及運營對古滑坡都存在著很大的威脅。因此進行隧道選址時，隧道開挖對古滑坡穩(wěn)定性的影響是施工安全必須考慮的重點問題。任三紹等[1]對紅花屯古滑坡開展了原位大型直剪試驗和穩(wěn)定性模擬分析得出組成紅花屯滑坡的碎石土抗剪強度與其碎石含量呈顯著的相關(guān)性。采取抗滑樁、格構(gòu)錨等治理措施可有效控制滑坡變形。胡相波等[2]通過對西南某水電站在地下洞室的開挖過程中揭示的一些特殊地質(zhì)現(xiàn)象，分析該老滑坡結(jié)構(gòu)及解體特征，及變形破壞模式，并對其在各種工況下的穩(wěn)定性進行量化評價。劉夢琴等[3]以三峽庫區(qū)巴東縣某滑坡滑帶土為研究對象，對其重塑土樣進行了不同類型的剪切試驗，研究其峰值強度、折減強度以及殘余強度的變化，探討了軸向壓應力對滑帶土結(jié)構(gòu)強度再生的影響。張治國等[4]基于滑移線理論推導得到隧道開挖對圍巖擾動范圍公式，并結(jié)合隧道上部松動巖體的分析，得出隧道正交穿越滑坡體的最小安全下穿距離的解析表達式。本文針對隧道?古滑坡正交體系，基于二次回歸正交試驗設計以及強度折減法，提出一種隧道正交穿越古滑坡時古滑坡穩(wěn)定性的分析方法，并以某地工程實例為例詳細說明該方法的應用過程，以數(shù)值模擬技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合考慮多個影響因素，分析各個因素對隧道?古滑坡正交體系中古滑坡的穩(wěn)定性問題的影響。

1 基于回歸正交的滑帶位移分析

正交試驗可以利用較少的試驗次數(shù)獲得較好的實驗結(jié)果，但是所得到的優(yōu)化方案只是在一定的水平上，而不是一定試驗范圍內(nèi)的最優(yōu)方案；回歸分析所確立的回歸方程，可以對試驗結(jié)果進行預測優(yōu)化，但是對試驗數(shù)據(jù)只能進行被動的處理分析，沒有對試驗設計的要求?；貧w正交設計就是將正交設計和回歸分析結(jié)合起來，可以在因素的試驗范圍內(nèi)選擇適當?shù)脑囼烖c，用較少的試驗次數(shù)建立精度高、設計性好的回歸方程，同時優(yōu)化試驗[6]。

1.1 滑帶位移公式構(gòu)建方法

基于本文所給出的滑帶位移公式構(gòu)建方法，可根據(jù)實際情況改變隧道位置、滑帶以及滑體的強度參數(shù)等條件，得到符合實際工程的隧道開挖擾動下的滑帶最大位移公式。其步驟如下：

1) 確定滑帶最大位移的影響因素

2) 建立數(shù)值分析模型

3) 因素水平編碼

4) 確定試驗方案

5) 實施實驗方案

6) 建立回歸方程，進行顯著性分析，確定各個影響因素的敏感性大小

1.2 滑帶最大位移的影響因素

根據(jù)采用FLAC3D有限差分軟件對計算模型巖體參數(shù)的試算，本文中主要考慮隧道位置、滑帶土以及滑坡體的影響。

基于莫爾?庫侖強度準則，對參數(shù)和對滑帶位移的影響進行分析。

庫侖于1776年提出庫侖公式：

其中：和為黏聚力和內(nèi)摩擦角。

莫爾于1900年提出強度公式：

即一個平面上的抗剪強度τ取決于作用于這個平面上的正應力。其中破壞包線的函數(shù)()是由試驗確定的單值函數(shù)。

莫爾?庫侖強度準則被廣泛應用于巖土材料的理論與實踐中。它表明材料的抗剪強度與作用于該平面上正應力有關(guān)，引起材料破壞的不是最大剪應力，而是在某個平面上的最危險的組合。

其次，進行數(shù)值模擬分析時，隧道?滑帶的相對位置也是影響滑帶位移的一個因素?？紤]3個方面6個因素以及各個因素間的相互作用對滑帶位移的影響。1) 滑帶土：黏聚力1和內(nèi)摩擦角1；2) 滑坡體：黏聚力2和內(nèi)摩擦角2；3) 隧道圓心距滑帶的垂直距離和沿滑帶方向距滑帶中點的距離。

1.3 建立數(shù)值模型

采用FLAC3D有限差分軟件進行數(shù)值計算。邊坡模型采用一般形式的邊坡模型，如圖1所示。邊坡長=150 m，坡高=40 m，坡高比為1:2。隧道為=6.12 m的四心圓。假定滑體的滑動方向沿滑帶向下。

1.4 二次回歸正交組合試驗

根據(jù)一些隧道穿越古滑坡的工程實例，獲得各參數(shù)的上下限，各因素水平編碼見表1。

圖1 計算模型

表1 因素水平編碼

選用正交表L16(215)，二水平試驗次數(shù)為16，星號試驗次數(shù)為12，零水平試驗次數(shù)為1，總試驗次數(shù)為29。將Z1~Z7分別置于正交表的第1，2，4，8，11，13列，將交互作用12，13，23，14，24，34，35分別置于3，5，6，9，10，12，15列，第7和14列空白，該試驗方案的回歸方程為：

二次回歸正交組合試驗方案見表2。

1.5 回歸方程及顯著性分析

根據(jù)表2中的試驗方案進行數(shù)值模擬并得到相應的滑帶最大位移移值。對數(shù)值結(jié)果進行分析整理，可得到式(3)的各項系數(shù)。進行回歸方程以及偏回歸系數(shù)的顯著性檢驗，得到方差分析表3。

由表3可知，123412132314243435對計算結(jié)果的影響不顯著，將其計入殘差重新計算各因素的偏回歸系數(shù)得到。

回歸方程為：

將自然變量回代到式(4)，可得：

表2 試驗方案及結(jié)果

表3 方差分析表

注：0.01(1,9)=10.56,0.05(1,9)=5.12,0.01(1,24)=7.82,0.05(1, 24)=4.26。

2 基于局部強度折減法的古滑坡穩(wěn)定性分析

現(xiàn)有的邊坡穩(wěn)定性分析方法中，有限元強度折減法較為常用，主要用于求解邊坡的安全系數(shù)。該方法將邊坡模型中所有單元進行強度折減，直至出現(xiàn)表征邊坡滑動的位移或者應變計算結(jié)果不收斂。而本文中的局部強度折減法，僅對影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵區(qū)域進行強度折減，所得到的位移比全局強度折減法的小。且由于大多邊坡失穩(wěn)是因局部土體強度的下降，更符合邊坡失穩(wěn)機理。

2.1 局部強度折減法

局部強度折減法[7-9]通過降低局部土體的強度，直至邊坡達到極限平衡狀態(tài)。局部土體一般是指邊坡中潛在的滑裂帶或者軟弱土層，可根據(jù)地質(zhì)勘察報告判斷。若難以確定局部土體，可通過全局強度折減法，提取出滑裂帶的土體單元作為局部土體。然后初始化計算模型，只對滑裂帶土體的強度參數(shù)進行折減，折減方法仍采用式(6)：

式中：為折減系數(shù)。使得邊坡計算模型剛好不收斂時的，被定義為邊坡的安全系數(shù)，此時的臨界位移即為臨界位移。

2.2 滑帶強度折減的依據(jù)

邊坡體在發(fā)生滑動過后，經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)年代歷程，滑體、特別是滑帶重新固結(jié)并且進一步膠結(jié)，使滑坡體在總體上達到了內(nèi)應力場的平衡，處于一定的穩(wěn)定狀態(tài)。然而古滑坡的穩(wěn)定只是暫時的，在外界的自然和人為因素作用下，如降雨、地震、挖填構(gòu)筑擾動等，滑坡可能重新發(fā)生滑動。由于古滑坡原先發(fā)生過的滑動使滑帶產(chǎn)生了一定的剪切位移，滑帶的強度參數(shù)受到一定的弱化，因此古滑坡的復活一般會沿著長久以來形成的滑帶而發(fā)生滑動[10-14]。

當隧道正交穿越古滑坡時，隧道的開挖過程會對古滑坡體產(chǎn)生一定的擾動，從而使得滑帶產(chǎn)生新的剪切位移，其強度也進一步弱化。

因此，在對古滑坡穩(wěn)定性的分析過程中，僅對滑帶這一影響古滑坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵軟弱結(jié)構(gòu)面的強度參數(shù)進行折減，是符合實際情況的。

2.3 古滑坡穩(wěn)定性分析

對于實際工程中不同條件的隧道?古滑坡正交體系，可根據(jù)2.4中式(5)確定滑帶的最大位移max。

通過對現(xiàn)場的滑帶土進行分析，在實驗室中配制出相同顆粒級配的土樣，進行室內(nèi)大型直剪試驗，得到土樣的強度參數(shù)，。然后進行一組對比試驗：取相同的土樣，用大型直剪儀先剪切一定的位移max，釋放荷載后重新加載并剪切至破壞得到強度參數(shù)，。

對比是否預剪對土樣強度參數(shù)的影響，確定該工程條件下隧道開挖擾動使得滑帶所產(chǎn)生的位移對滑帶土抗剪強度的折減系數(shù)′等于與的比值或與的比值。

通過FLAC3D有限元分析軟件，取折減參數(shù)為′，若計算模型收斂，則古滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；若計算模型不收斂，則古滑坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。

3 算例分析

通過一個工程算例來進一步闡明以上所述的隧道開挖擾動對古滑坡穩(wěn)定性影響的分析方法。

3.1 工程概況及數(shù)值模型

工程原型為某西南地區(qū)穿越大型古滑坡體的公路隧道。該隧道?古滑坡體系主要是由碎石土以及未完全解體的灰?guī)r組成?；w上部主要成分為卵礫石土(灰?guī)r、砂巖等)，多為弱風化狀態(tài)；中下部為強風化巖體，裂隙較發(fā)育。隧道圍巖主要為中強風化的結(jié)晶灰?guī)r，完整性較差，圍巖為Ⅴ級。對該工程實例建立如圖2所示的簡化模型。

圖2 工程實例簡化模型

在進行數(shù)值模擬分析時，對模型采用莫爾?庫侖本構(gòu)模型，只考慮自重應力場。該古滑坡?隧道體系整體分為基巖、滑帶、滑體以及隧道4個部分。模型共有5 399個單元和10 840個節(jié)點。計算參數(shù)如表4所示。

表4 力學參數(shù)取值

3.2 滑帶位移對比

該工程實例中隧道圓心距滑帶的垂直距離=26.5 m，沿滑帶方向距滑帶中點的距離=12.8 m，代入式(5)可得滑帶最大位移max=9.581 mm。

圖3 隧道開挖前后位移差云圖

圖4 隧道開挖前后滑帶位移差云圖

3.3 室內(nèi)大型直剪試驗

根據(jù)滑帶土的力學參數(shù)，在實驗室中制作6個相同的重塑土樣分為第1組與第2組。第1組試驗：按照大型直剪試驗儀的操作步驟，所加法向荷載分別取100，200和300 kPa進行3次試驗，將試樣剪切至剪應力趨于不變，可得圖5所示結(jié)果。經(jīng)計算可得土樣1的1=0.021 6 MPa，tan1=0.396。第2組試驗：按照大型直剪試驗儀的步驟，所加法向荷載分別取100，200和300 kPa進行3次試驗，對試樣預剪以模擬隧道開挖對滑帶土產(chǎn)生的擾動，達到預剪位移max=9.581 mm后釋放荷載，繼續(xù)剪切至剪應力達到峰值?？傻脠D7所示結(jié)果，經(jīng)計算可得土樣2的2=0.018 8 MPa,，tan2=0.344。由此可得1/2=1.148，tan1tan2=1.151。

圖5 剪應力-水平位移關(guān)系曲線

圖6 峰值強度包線

圖7 預剪后剪應力-水平位移關(guān)系曲線

3.4 古滑坡穩(wěn)定性分析

運用FLAC3D有限差分軟件，僅對滑帶的強度參數(shù)進行折減，折減系數(shù)取4.3中的室內(nèi)大型直剪試驗所得的預剪前后tan的比值，折減系數(shù)=1.15。經(jīng)過數(shù)值模擬計算分析，數(shù)值模擬結(jié)果如圖9及圖10所示。

圖8 預剪后峰值強度包線

圖9 滑帶土強度折減后的位移云圖

圖10 滑帶土強度折減后的塑性區(qū)

經(jīng)過強度折減后，滑帶頂部最大位移為12.53 mm，且滑帶土的塑性區(qū)并未貫穿整條滑帶，該古滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，當隧道從該位置穿過時，開挖不會促使該古滑坡發(fā)生復活。

4 結(jié)論

正交組合設計的基礎(chǔ)上，提出了一種隧道：

1) 針對隧道?古滑坡正交體系，給出了一種隧道開挖后滑帶位移公式構(gòu)建方法，得到了考慮位置因素的滑帶位移公式。

2) 通過數(shù)值模擬分析，滑帶土的強度參數(shù)1和1，滑坡體的強度參數(shù)2和2以及隧道的位置對滑帶位移的影響程度不一?？傮w而言，隧道位置對滑帶的位移影響較大。

3) 通過實例分析，展示了該種方法的應用過程，在一定程度上驗證了該方法的有效性。

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Analysis on influence of tunnel excavation disturbance on stability of ancient landslide

LUO Xiaoyi, SU Yonghua, LIAO Juncheng

(College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Because of the complex terrain in mountainous area, when the tunnel must pass through bad geology in a certain position, the construction and operation of the tunnel have a great threat to the ancient landslide. The influence of tunnel excavation on the stability of ancient landslide is a key issue that must be considered in construction safety. Aiming at the tunnel-ancient landslide orthogonal system, based on the quadratic regression orthogonal combination test design and the local strength reduction method, an analysis method for the influence of tunnel excavation on the stability of ancient landslide was proposed. Because of the inherent relationship between the deformation of the ancient landslide and its stability, this paper applies the method to establish the displacement formula of the sliding zone after tunnel excavation, and combines the indoor large-scale direct shear test, to analyze the influence of tunnel excavation disturbance on the stability of ancient landslide on base of the local strength reduction method. Finally, the engineering example calculation analysis shows that the method has certain effectiveness.

ancient landslide; tunnel; stability; numerical simulation

P642.22

A

1672 ? 7029(2019)08? 2028 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.08.020

2018?10?25

國家自然科學基金資助項目(51578232，51878266)

蘇永華(1965?)，男，湖南漣源人，教授，博士，從事地下結(jié)構(gòu)研究；E?mail：yong_su1965@126.com

(編輯 蔣學東)