某山區(qū)公路巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖效果數(shù)值模擬分析

黃 輝，聶 彪

（中鐵科學(xué)研究院有限公司深圳分公司 深圳518000）

0 前言

近年來(lái)，關(guān)于巖體卸荷的研究獲得了很大進(jìn)展，吳玉山、李天斌和王蘭生等人開(kāi)展了一系列巖石三軸試驗(yàn)的研究，G.Wu 和L.Zhang、李建林［1］和周小平等人在巖體卸荷的理論研究方面也有很大貢獻(xiàn)。以上的研究涉及邊坡巖體卸荷、卸荷力學(xué)、卸荷松弛帶等多個(gè)方面，并與開(kāi)挖聯(lián)系起來(lái)，但采用數(shù)值模擬具體與工程實(shí)踐問(wèn)題相聯(lián)系的相對(duì)較少。

隨著山區(qū)公路建設(shè)的不斷深入，開(kāi)挖穩(wěn)定問(wèn)題也越來(lái)越突出，本文以具體工程為例，通過(guò)數(shù)值模擬分析邊坡開(kāi)挖卸荷以及原有斷層對(duì)坡體變形、應(yīng)力變化的影響，為類似工程的開(kāi)挖施工提供借鑒。

1 工程概況

某山區(qū)公路路塹巖質(zhì)邊坡相對(duì)坡高72 m，坡度35°～40°，巖性為礫巖夾細(xì)砂巖、局部為灰?guī)r；層面發(fā)育，巖層傾角21°～32°，以傾向坡內(nèi)為主。邊坡坡表為第四系覆蓋層，局部為崩坡積塊碎石層，邊坡以強(qiáng)-中風(fēng)化巖層為主。山區(qū)公路自山體中下部穿過(guò)，需進(jìn)行開(kāi)挖施工。

2 水文地質(zhì)條件

本巖質(zhì)邊坡范圍大氣降水形成的地表（坡表）面流自地勢(shì)高處向地勢(shì)低洼處排泄較暢通，地下水主要為儲(chǔ)存在基巖裂隙及第四系覆蓋層、崩坡積塊碎石層的上層滯水，主要接受大氣降水補(bǔ)給。

3 開(kāi)挖卸荷理論

巖體卸荷作用是邊坡（斜坡）巖體淺表層改造的一種重要外界營(yíng)力，其主要表現(xiàn)方式之一的卸荷回彈是指邊坡（斜坡）巖土體發(fā)生變形破壞。巖體的卸荷作用從工程地質(zhì)角度上主要產(chǎn)生兩個(gè)效應(yīng)，即巖體完整性的變差和物理力學(xué)性能的降低。邊坡卸荷帶是指伴隨著邊坡開(kāi)挖或者自然演化河谷下切的過(guò)程，因?yàn)榈貞?yīng)力釋放，邊坡（斜坡）巖體向著臨空方向發(fā)生卸荷回彈變形，河谷（邊坡）地應(yīng)力場(chǎng)重新調(diào)整，而在邊坡（斜坡）的淺表部一定深度范圍內(nèi)（往往會(huì)結(jié)合原有結(jié)構(gòu)面）所形成的一套破裂變形體系，具體表現(xiàn)為原有結(jié)構(gòu)面的錯(cuò)動(dòng)加劇、張開(kāi)加劇、或沿著巖體薄弱部位產(chǎn)生新的表生破裂結(jié)構(gòu)面體系，結(jié)果在河谷邊坡一定深度范圍內(nèi)形成類似于地下洞室（隧道）圍巖“松動(dòng)圈”的岸坡卸荷回彈分帶特征。開(kāi)挖卸荷則是指上部巖土體挖除后，下部巖土體隨著上覆荷載的移除，將引起開(kāi)挖面巖土體的向臨空面的變形［2，3］。

4 數(shù)值模擬參數(shù)與模型

模型及計(jì)算參數(shù)Rocscience Phase 2.0 是一款功能強(qiáng)大的巖土工程彈塑性有限元計(jì)算軟件、廣泛使用于各類工程數(shù)值模擬分析中。本文采用Phase 2.0 軟件模擬該巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖后應(yīng)力場(chǎng)、變形等的變化。

根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖及開(kāi)挖設(shè)計(jì)方案建立該路塹巖質(zhì)邊坡有限元模型，如圖1所示［4］，邊坡坡體內(nèi)長(zhǎng)條狀為邊坡勘查孔揭示的斷層。

圖1 公路巖質(zhì)邊坡有限元計(jì)算模型Fig.1 Finite Element Calculation Model of Rock Slope

邊坡開(kāi)挖僅涉及表部，天然以及開(kāi)挖條件下的應(yīng)力及位移場(chǎng)特征的有限元計(jì)算不考慮構(gòu)造地應(yīng)力場(chǎng)影響，僅考慮邊坡自重應(yīng)力影響。計(jì)算中巖土體物理力學(xué)參數(shù)、斷層物理力學(xué)參數(shù)取值詳如表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Rock and Soil

5 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

5.1 應(yīng)力場(chǎng)特征

計(jì)算結(jié)果表明，天然狀態(tài)下邊坡應(yīng)力符合一般斜坡應(yīng)力場(chǎng)特征，應(yīng)力在風(fēng)化界線附近有一定的變化，在斷層及裂隙周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中，天然狀態(tài)下斜坡應(yīng)力隨深度變化，從坡表到坡體內(nèi)應(yīng)力逐漸增大，如圖2所示。

邊坡開(kāi)挖后，伴隨邊坡應(yīng)力場(chǎng)的重分布［5］，開(kāi)挖坡面的最大主應(yīng)力值介于0.00～2.00 MPa（見(jiàn)圖3a）。在開(kāi)挖面坡度變化處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，由開(kāi)挖前的1.00 MPa 增大為2.00 MPa。最小主應(yīng)力范圍為-0.01～0.28 MPa，巖體卸荷回彈［6］導(dǎo)致開(kāi)挖面局部出現(xiàn)拉應(yīng)力（集中在開(kāi)挖面及斷層附近），即最小主應(yīng)力為負(fù)值（見(jiàn)圖3b）。

圖2 天然狀態(tài)主應(yīng)力云圖Fig.2 Cloud Chart of Principal Stress in Natural State

圖3 開(kāi)挖后主應(yīng)力云圖Fig.3 Cloud Chart of Principal Stress after Excavation

5.2 邊坡開(kāi)挖的最大剪應(yīng)變能特征

邊坡開(kāi)挖的最大剪應(yīng)變能如圖4所示，開(kāi)挖后最大剪應(yīng)變發(fā)生在坡頂?shù)谒南蹈采w層，最大值為0.015。由于開(kāi)挖方量小，開(kāi)挖面部位最大剪應(yīng)變值基本為零。剪應(yīng)變能在斷層處有較明顯體現(xiàn)，最大值為0.005，表明斷層部位出現(xiàn)較明顯剪切變形，順傾坡外的斷層在開(kāi)挖面附近有局部破壞失穩(wěn)的可能［7，8］。

5.3 坡體位移場(chǎng)及破壞區(qū)分布特征

本路塹巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖后總位移如圖5a所示，由于開(kāi)挖對(duì)邊坡第四系覆蓋層［9］的擾動(dòng)且第四系覆蓋層本身穩(wěn)定性較差［10］，最大位移發(fā)生在第四系覆蓋層的開(kāi)挖面處，量值為3.7 cm。開(kāi)挖面巖體卸荷回彈，在開(kāi)挖路基前緣處位移較明顯，達(dá)1.3 cm。開(kāi)挖后邊坡塑性區(qū)分布特征如圖5b所示，塑性破壞主要分布在第四系覆蓋層和斷層帶，以拉、剪破壞為主，覆蓋層有失穩(wěn)的可能，發(fā)生剪切破壞的可能性較大。

圖5 邊坡開(kāi)挖后的整體位移云圖及破壞分布圖Fig.5 Cloud Chart of Overall Displacement and Failure Distribution after Slope Excavation

6 結(jié)論

以上數(shù)值計(jì)算根據(jù)巖質(zhì)邊坡工程地質(zhì)斷面圖建立計(jì)算模型，對(duì)邊坡開(kāi)挖后的應(yīng)力、應(yīng)變及可能破壞的情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。數(shù)值模擬結(jié)果體現(xiàn)了天然及開(kāi)挖邊坡總體穩(wěn)定性較好；另一方面，體現(xiàn)了巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖后開(kāi)挖面巖土體卸荷回彈的變形特征、變形總體情況及對(duì)應(yīng)量值，可能發(fā)生破壞的部位及破壞類型，即第四系覆蓋層開(kāi)挖面處和開(kāi)挖面斷層處是薄弱位置易發(fā)生較大的變形或發(fā)生破壞的部位；數(shù)值模擬的結(jié)果還著重體現(xiàn)了邊坡各部位斷層在開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力及變形破壞方面發(fā)生的變化。以上數(shù)值模擬結(jié)果可供實(shí)際開(kāi)挖施工過(guò)程中進(jìn)行參考，有針對(duì)性的對(duì)位移較大部位及時(shí)進(jìn)行碾壓，對(duì)易發(fā)生破壞的部位進(jìn)行預(yù)加固，避免滑塌發(fā)生。