開(kāi)挖影響下順層巖質(zhì)邊坡應(yīng)力與變形特征的研究與分析

蔣小權(quán)

摘要：本文以湖北省谷城至竹溪高速公路第24合同段杜家溝1號(hào)順層巖質(zhì)深路塹邊坡為研究背景，詳細(xì)闡述了杜家溝1號(hào)順層巖質(zhì)邊坡的變形特征及變形機(jī)理。并采用FLAC3D進(jìn)行建模，研究了在不同開(kāi)挖角度下，該邊坡的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的變形特征，為邊坡的后期治理提供了理論依據(jù)。

Abstract： Based on the research background of Dujiaghou No.1 bedding rock deep cutting slope of No.24 contract section of Gucheng-Zhuxi Expressway in Hubei Province， this paper expounds the deformation characteristics and mechanism of Dujiaghou No.1 bedding rock slope in detail. The FLAC3D model is used to study the deformation characteristics of the stress field and displacement field of the slope under different excavation angles， which provides a theoretical basis for the later treatment of the slope.

關(guān)鍵詞：順層巖質(zhì)邊坡;應(yīng)力特征;變形特征

Key words： bedding rock slope;stress characteristics;deformation characteristics

中圖分類號(hào)：U213.13? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）23-0202-03

0? 引言

順層邊坡對(duì)實(shí)際工程的建設(shè)造成巨大破壞，人民的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失[1-3]，本文在分析杜家溝1號(hào)順層巖質(zhì)邊坡坡體特征、變形機(jī)制及變形影響因素的基礎(chǔ)上，采用有限差分軟件FLAC3D建模計(jì)算，模擬該邊坡的分級(jí)開(kāi)挖過(guò)程。通過(guò)數(shù)值模擬，分析了邊坡在逐步開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力和位移的變化規(guī)律，為后期施工過(guò)程中的加固防護(hù)提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

1? 研究區(qū)工程地質(zhì)條件及變形機(jī)制分析

1.1 地形地貌及地層巖性

杜家溝1號(hào)順層巖質(zhì)邊坡位于湖北省竹山縣城關(guān)鎮(zhèn)杜家溝村境內(nèi)，路塹從邊坡底部通過(guò)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該邊坡在空間上呈舌狀，最寬處為160m，寬約為130m，縱向長(zhǎng)約200m，邊坡兩側(cè)以沖溝為界，邊坡前緣高程320m左右，邊坡相對(duì)高差約40m，潛在滑體的面積約18850m2，體積約113000m3，屬中型滑坡。根據(jù)地質(zhì)勘察資料分析得知，研究區(qū)巖芯揭露主要為碎石土、弱風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化絹云母片巖。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)的地層巖性主要為古生界志留系絹云母片巖，巖層產(chǎn)狀25°∠28°，地層產(chǎn)狀總體與山坡呈順向坡，巖層傾角小于邊坡坡角，因此發(fā)生大規(guī)模巖層順層巖質(zhì)邊坡的可能性較大。節(jié)理裂隙發(fā)育明顯，主要有2組，其中一組以閉合～微張為主，裂面較平直，泥質(zhì)部分充填，也有方解石脈和石英脈充填，在巖體中，裂隙面侵染生成的鐵錳質(zhì)較多，大部分淺部巖石觀測(cè)到一定風(fēng)化。

1.3 人類工程活動(dòng)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知，附近村民在邊坡下方修建村道時(shí)開(kāi)挖坡腳，而開(kāi)挖后的陡坡未有支護(hù)措施和截（排）水設(shè)施。同時(shí)，在修建高速公路時(shí)進(jìn)一步開(kāi)挖邊坡，并在邊坡后緣的出現(xiàn)了張拉裂縫，存在較大的安全隱患。因此，人類工程活動(dòng)也導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的原因之一。

1.4 邊坡體特征及變形機(jī)制分析

邊坡變形主要表現(xiàn)為坡體開(kāi)裂、抗滑樁的位移及路塹墻外傾。該邊坡曾經(jīng)發(fā)生過(guò)變形，坡體已經(jīng)變得十分松散，同時(shí)雨水入滲浸潤(rùn)坡體，加快了絹云母片巖風(fēng)化速度，惡化土體物理力學(xué)指標(biāo);并且，由于人類活動(dòng)導(dǎo)致邊坡前緣出現(xiàn)較大的臨空面。綜上所述，該邊坡的變形主要為絹云母片巖工程地質(zhì)條件極差，同時(shí)雨水下滲進(jìn)一步降低了順層巖質(zhì)邊坡中巖土體的力學(xué)強(qiáng)[4]，且前緣開(kāi)挖形成臨空面，最終形成一個(gè)牽引式滑坡。

2? 數(shù)值建模及參數(shù)選取

2.1 模型建立

本論文采用AUTOCAD、ANSYS、FLAC3D多種應(yīng)用軟件聯(lián)合使用，進(jìn)行模型的建立[5]。三維計(jì)算模型的約束條件為：上表面不采取約束（即自由邊界）;底面采取3個(gè)方向的位移約束（固定約束）;其余4個(gè)邊界面均為單向位移約束邊界。

2.2 模型參數(shù)的選取

①滑體土重度。

滑體重度：根據(jù)室內(nèi)測(cè)試滑體強(qiáng)風(fēng)化絹云母片巖天然重度取22.0kN/m3，飽和重度22.5kN/m3，碎石土的天然重度取19.6kN/m3，飽和重度取20.1kN/m3。

②滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

該滑坡體發(fā)生過(guò)一次滑坡位移，滑帶土主要為強(qiáng)風(fēng)化絹云母片巖，平均值（天然狀態(tài)下C=33.5kPa、？準(zhǔn)=21.0°，飽和狀態(tài)下C=29kPa、？準(zhǔn)=18°。

3? 邊坡開(kāi)挖影響下的杜家溝順層巖質(zhì)邊坡應(yīng)力與變形特征

3.1 主應(yīng)力場(chǎng)的分布特征和變化規(guī)律

本文為了研究邊坡逐步開(kāi)挖卸荷影響作用下邊坡的受力特征和變化規(guī)律，在模型計(jì)算和分析中選擇具有代表性的開(kāi)挖階段，即分別選取邊坡逐步開(kāi)挖至-9.38m、開(kāi)挖至-16.12m、開(kāi)挖至-24.11m四個(gè)階段，然后對(duì)每個(gè)階段的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力等值線的變化規(guī)律進(jìn)行研究，每個(gè)階段最大、最小主應(yīng)力如圖1所示。

3.1.1 最大主應(yīng)力分布特征及變化規(guī)律

隨著開(kāi)挖的進(jìn)行（開(kāi)挖到坡腳），最大主應(yīng)力呈增大的趨勢(shì)，隨著埋深的增加，最大主應(yīng)力值也隨之變大，坡腳處最大主應(yīng)力較其它部位較大，達(dá)到2.91MPa;剛開(kāi)始開(kāi)挖時(shí)，最大主應(yīng)力的大小變化較小，后期最大主應(yīng)力增加幅度變大，說(shuō)明上部受開(kāi)挖影響較小，向下影響逐漸逐漸變大。邊坡開(kāi)挖到坡腳，最大主應(yīng)力最大，坡面處的最大主應(yīng)力開(kāi)始向潛在滑動(dòng)面移動(dòng)，潛在滑動(dòng)面局部范圍內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)較大值，如果不進(jìn)行加固，任由其發(fā)展下去，邊坡可能發(fā)生變性破壞。

3.1.2 最小主應(yīng)力分布特征及變化規(guī)律

對(duì)邊坡進(jìn)行削方放坡開(kāi)挖時(shí)，最小主應(yīng)力減小，分布規(guī)律基本與最大主應(yīng)力的相似，但明顯能看出巖層分界面把最小主應(yīng)力錯(cuò)開(kāi);淺層邊坡的最小主應(yīng)力與邊坡坡面平行，坡腳處同樣出現(xiàn)最小主應(yīng)力的最大值，達(dá)到0.34MPa。邊坡開(kāi)挖前期，對(duì)邊坡進(jìn)行削方放坡卸載，此時(shí)開(kāi)挖對(duì)最小主應(yīng)力的影響絕對(duì)值要比最大主應(yīng)力的影響小;邊坡開(kāi)挖后期，對(duì)坡腳前方的土體開(kāi)挖時(shí)，在此開(kāi)挖過(guò)程對(duì)最小主應(yīng)力的影響絕對(duì)值要比最大主應(yīng)力的影響大。

3.2 邊坡開(kāi)挖過(guò)程中邊坡豎向和水平位移變化特征

圖2顯示邊坡在各個(gè)開(kāi)挖階段時(shí)的豎直和水平位移云圖，從豎直位移云圖中可以看出，露天開(kāi)挖卸載可以產(chǎn)生不同程度的豎向回彈，而且這種開(kāi)挖卸荷作用對(duì)邊坡淺部的影響較為明顯。剛開(kāi)挖時(shí)，豎向位移變化較大，說(shuō)明剛開(kāi)始時(shí)開(kāi)挖卸載對(duì)豎向位移影響較大;開(kāi)挖后期，豎向位移變化較小，說(shuō)明邊坡位移由開(kāi)挖卸荷影響轉(zhuǎn)為重力牽引。結(jié)合前面應(yīng)力的分析，由于邊坡的滑動(dòng)，坡腳處于應(yīng)力集中的地方，從而導(dǎo)致坡腳處出現(xiàn)較大的豎向回彈，回彈值達(dá)到1.61m。

在邊坡開(kāi)挖過(guò)程中，形成了大角度的杜家溝順層巖質(zhì)邊坡，邊坡在重力的作用下，邊坡會(huì)產(chǎn)生向凈空向移動(dòng)的趨勢(shì)，從而導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生水平方向的位移。隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，水平位移主要集中在潛在滑面以上的潛在滑體內(nèi)部，最大值集中在坡腳處，為1.18cm，水平位移由坡腳向邊坡后緣逐漸減小。

4? 結(jié)論

本文以杜家溝1號(hào)順層巖質(zhì)深路塹邊坡為研究背景，詳細(xì)闡述了杜家溝1號(hào)順層巖質(zhì)邊坡的變形特征及變形機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，本文通過(guò)FLAC3D建立了該邊坡的開(kāi)挖模型，并對(duì)其應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)地研究，研究結(jié)果表明：①應(yīng)力場(chǎng)變化：主要是對(duì)邊坡進(jìn)行削方放坡處理，各主應(yīng)力均有下降的趨勢(shì)，坡腳處各主應(yīng)力均較大，說(shuō)明對(duì)邊坡進(jìn)行削方放坡處理，有利于減小邊坡的滑動(dòng)。②位移場(chǎng)變化：剛開(kāi)挖時(shí)，豎向位移變化較大;開(kāi)挖后期，豎向位移變化較小。由于邊坡的滑動(dòng)，坡腳處于應(yīng)力集中的地方，從而導(dǎo)致坡腳處出現(xiàn)較大的豎向回彈，回彈值達(dá)到1.61m。隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，水平位移主要集中在潛在滑面以上的潛在滑體內(nèi)部，最大值集中在坡腳處，為1.18cm，水平位移由坡腳向邊坡后緣逐漸減小。

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