基于RLEM與FEM的高切坡應急搶險工程計算分析

張石虎 羅登昌 張瑋鵬

(1.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010；2.長江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

丹江口庫區(qū)許家畈安置點高切坡應急搶險工程位于丹江口市三官殿辦事處許家畈村，因安置點建設場地整平開挖，場地北西側(cè)形成最高約43m的高切坡，主要為巖質(zhì)高切坡，高切坡類型主要為Ⅰ2類。如圖1所示，受到強降雨影響，高切坡已出現(xiàn)滑移變形跡象，失穩(wěn)將影響300人的生命財產(chǎn)安全，危害程度很嚴重。高切坡安全等級為一級。

圖1 丹江口庫區(qū)許家畈安置點高切坡應急搶險

自然界中巖質(zhì)邊坡非常復雜[1]，坡內(nèi)部包含大量結(jié)構(gòu)面，如節(jié)理、裂隙、軟弱帶和斷層等。針對巖質(zhì)邊坡，最常用的分析方法是剛體極限平衡方法(Rigid Limit Equilibrium Method)[2]和有限單元方法(Finite Element Method)[3]，兩者分析方法和模型各有特點，其中有限單元方法更能夠體現(xiàn)出復雜巖體的力學特性[4]，已經(jīng)較成功地應用于各種巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析。

本文將有限單元方法(FEM)和剛體極限平衡方法(RLEM)相結(jié)合，對丹江口庫區(qū)許家畈高切坡進行了建模，分析了該高切坡的工程地質(zhì)條件和可能的失穩(wěn)模式，并分別基于RLEM與FEM兩種計算方法，對典型剖面治理前后進行穩(wěn)定性分析與評價，為類似問題探索一條新的技術(shù)分析路徑，具有十分重要的現(xiàn)實意義和實用價值。

1 工程地質(zhì)

高切坡位于許家畈安置點西南側(cè)，如圖2所示，全長約138m，高切坡平面走向較順直，走向289°～320°，坡向41°～43°，坡腳高程約149.6～150.4m，坡眉高程153～193m,最大坡高約43m，該段切坡開挖坡角34°～46°。坡體由絹云母石英片巖構(gòu)成，巖體破碎，完整性差，呈強風化狀。高切坡類型為Ⅰ2類。片巖片理產(chǎn)狀172°～174°∠62°～63°，坡體傾向41°～43°，片理傾向與坡體傾向的交角為131°～133°，該段高切坡屬逆向坡。

圖2 許家畈村安置點高切坡工程地質(zhì)分段示意圖1—第四系殘坡積； 2—第四系滑坡積； 3—中元古界武當群；4—粉質(zhì)黏土； 5—碎塊石土； 6—絹云石英片巖； 7—基巖與第四系界線； 8—變形裂縫及編號； 9—變形體范圍及代號

地層分述如下：

a.中元古界武當山群(Pt2wd)，巖性為灰黃色、灰色絹云母石英片巖，巖性軟弱，強度較低，屬軟巖類。

b.第四系殘坡積層(Qel+dl)：物質(zhì)成分為粉質(zhì)黏土夾碎石，黃褐色，可塑，碎石含量約10%～15%，粒徑一般1～2cm，成分主要為全、強風化絹云母石英片巖，一般厚1～5m。

c.第四系滑坡積層(Qdel)：物質(zhì)成分為碎塊石土，碎塊石含量約80%～90%，粒徑一般2～5cm，成分主要為絹云母石英片巖，細粒主要為粉質(zhì)黏土及巖屑，一般厚1～5m。巖體物理力學參數(shù)建議值見表1。

表1 巖體物理力學參數(shù)建議值

2 穩(wěn)定性分析與評價

通過分析該高切坡的工程地質(zhì)條件，得到以下兩種破壞模式：?高切坡表層巖體破碎，降雨后，絹云母石英片巖抗剪強度低，在重力作用下，切坡淺表層強風化巖體內(nèi)，產(chǎn)生類似圓弧形的滑移牽引變形破壞或折線形的滑移變形破壞；?不利的結(jié)構(gòu)面和邊坡面組合切割而成的楔形體滑移變形破壞。

如圖3所示，以3-3′剖面為分析對象分別采用基于RLEM的圓弧滑動法[5]、折線滑動法[5]和基于FEM的強度折減法[6-7]、赤平極射投影分析法[3]對穩(wěn)定性進行計算，計算采用巖土體飽和抗剪強度，不考慮動水壓力和地震力。計算主要參數(shù)見表1。

圖3 3-3′工程地質(zhì)剖面圖

2.1 基于RLEM的圓弧滑動法

對高切坡進行圓弧滑動面全局搜索和計算，得到的最危險滑面見圖4。計算結(jié)果安全系數(shù)Fs=1.178。

圖4 圓弧滑動計算簡圖

2.2 基于RLEM的折線滑動法

選取高切坡底滑面為折線段，用基于RLEM的傳遞系數(shù)法[5]計算折線滑動安全系數(shù)，計算簡圖如圖5所示，計算結(jié)果安全系數(shù)Fs=0.986。

圖5 折線滑動法計算簡圖

2.3 基于FEM的強度折減法

根據(jù)天然邊坡地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、風化卸荷等地質(zhì)條件，建立有限元計算模型(見圖6)，本構(gòu)模型依據(jù)莫爾-庫侖準則[8]，結(jié)合強度折減法計算邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。降強系數(shù)F在進行強度折減時，計算公式為

(1)

式中，c0,f0分別為未折減前巖體的黏聚力和摩擦系數(shù)，F(xiàn)為降強系數(shù)。

圖6 3-3′剖面有限元網(wǎng)格模型

圖7 塑性應變云圖(降強系數(shù)F=1.01)

如圖7所示，當降強系數(shù)F=1.01時，邊坡塑性應變增加，塑性屈服區(qū)由坡腳沿著底滑面逐漸向上發(fā)展，在高程185m處屈服區(qū)通過強風化巖體區(qū)域繼續(xù)向上發(fā)展，繼而貫通至坡頂，整個邊坡發(fā)生失穩(wěn)，穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs=1.01。

圖8 結(jié)構(gòu)面赤平極射投影分析

2.4 赤平極射投影分析法

如圖8所示，由邊坡巖體裂隙與巖層面和坡向繪制的赤平投影圖分析可知：外傾結(jié)構(gòu)面(面B)、片理面(面A)與邊坡面相交形成楔形體，處于可能滑動狀態(tài)，計算結(jié)果安全系數(shù)Ks=2.719。

2.5 高切坡穩(wěn)定性評價

根據(jù)上述計算結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)條件，可以得出以下穩(wěn)定評價[9]：

高切坡整體處于不穩(wěn)定—欠穩(wěn)定狀態(tài)。長期運行下巖體會產(chǎn)生風化剝落、掉塊，以及表層因不利結(jié)構(gòu)面組合塊體滑塌。高切坡的穩(wěn)定性計算結(jié)果與高切坡破壞模式分析吻合。

3 設計方案

高切坡的安全等級為一級。《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)[9]規(guī)定：一級永久邊坡一般工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst≥1.35。

如圖9所示，設計方案考慮以削坡減載為主，坡面采用格構(gòu)錨桿+植被護坡，切坡坡頂布設截水溝，坡腳布設排水溝，將水匯入坡腳市政排水系統(tǒng)。

圖9 3-3′剖面設計方案

高切坡按照設計坡率1∶2開挖。格構(gòu)梁為框格狀，水平間距為2.0m，垂直間距為2.0m。格構(gòu)梁的混凝土的強度等級為C25。格構(gòu)節(jié)點設置錨桿，錨筋采用直徑為25mm的HRB400級鋼筋，傾角為20°，錨桿鉆孔直徑110mm，錨桿長度8m、11m，錨桿注漿強度等級為M30。

混凝土格構(gòu)內(nèi)采用土工格室回填肥土15cm厚，坡面播種植草。坡頂設置截水溝，第一級和第三級馬道設置排水溝，坡腳設置護腳墻，擋墻的尺寸為高1.9m、埋深0.6m，采用漿砌塊石砌筑，墻后為綠化槽。

4 治理后穩(wěn)定性評價

設計方案考慮以削坡減載為主，3-3′剖面強風化巖體內(nèi)部最危險圓弧滑動面部分已經(jīng)被開挖，治理后穩(wěn)定性計算采用基于RLEM的折線滑動法和基于FEM的強度折減法進行，計算采用巖土體飽和抗剪強度，不考慮動水壓力和地震力。

4.1 基于RLEM的折線滑動法

對削坡減載后的高切坡，選取底滑面作為折線，考慮錨桿錨固力，用基于RLEM的傳遞系數(shù)法計算折線滑動安全系數(shù)，計算簡圖如圖10所示，計算結(jié)果安全系數(shù)Fs=1.961。

圖10 治理后3-3′剖面折線滑動法計算簡圖

4.2 基于FEM的強度折減法

圖11 治理后邊坡有限元網(wǎng)格模型

如圖11所示，對治理后的高切坡，建立有限元計算模型，巖土體本構(gòu)模型依據(jù)莫爾-庫侖準則，錨桿按照一維桿單元(見圖12)考慮，錨桿本構(gòu)模型依據(jù)von Mises屈服準則[10]，由于錨桿水平間距為2m，所以平面應變模型考慮厚度為2m，采用強度折減法計算邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。

圖12 錨桿單元局部放大圖

圖13 塑性應變云圖(降強系數(shù)F=2.47)

如圖13所示，當降強系數(shù)F=2.47時，坡腳至高程180m的邊坡內(nèi)部底滑面局部出現(xiàn)塑性區(qū)，但由于錨桿的加固作用未發(fā)生貫通；邊坡高程180～200m內(nèi)部發(fā)生剪切破壞，塑性區(qū)域貫通，整個邊坡發(fā)生失穩(wěn)，穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs=2.47。

4.3 治理后穩(wěn)定性評價

采用削坡+格構(gòu)錨桿+植被護坡+護腳墻的治理方案對高切坡進行綜合治理，可以取得較好的效果，治理后高切坡穩(wěn)定性均滿足《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)有關(guān)穩(wěn)定安全系數(shù)的規(guī)定。

5 結(jié) 論

本文以丹江口庫區(qū)許家畈高切坡應急搶險工程為研究對象，分析了該高切坡的工程地質(zhì)條件和可能的失穩(wěn)模式；基于RLEM計算方法，對典型剖面治理前后進行穩(wěn)定性分析與評價；建立FEM網(wǎng)格模型，分別對天然邊坡和開挖支護后高切坡進行模擬計算，分析了全過程受力、變形規(guī)律；建立了基于RLEM與FEM對高切坡工程綜合分析的技術(shù)路線，為研究同類工程探索了一條途徑。