張志勇,宋之恒,余化彪,胡朝赟,聶正一
(云南省建設投資控股集團有限公司,云南 大理 671000)
我國公路、鐵路、水利等基礎設施建設不可避免開挖大量的巖質(zhì)邊坡,巖質(zhì)邊坡中結構面的存在極大削弱其穩(wěn)定性,使邊坡的破壞更具有突發(fā)性。為了邊坡的防災、減災及治災,避免不必要的損失,有必要開展結構面巖質(zhì)邊坡監(jiān)測預警研究。
斷續(xù)結構面巖體以塊體移動方式失穩(wěn)時,首先是原有結構面擴展,生成新裂面,進而使原有結構面相互連通,構成統(tǒng)一的失穩(wěn)分離面。近年來,諸多學者[1-11]開展了結構面巖質(zhì)邊坡監(jiān)測的理論分析、模型試驗及數(shù)值模擬研究。其中,尤春安[3]采用明德林解推導出全長黏結錨桿在拉拔力作用下錨桿軸力和剪應力的數(shù)學解析解,證實全長黏結錨桿能夠準確的傳遞出邊坡內(nèi)部應力場的變化,是應力監(jiān)測的良好載體;朱訓國[5]基于Boussinesq位移解,推導出與尤春安教授相同的錨桿應力解析解數(shù)學表達式。在離心模型試驗研究中,姚裕春等[6]進行離心模型試驗,采用在小鋼片貼應變計的方法監(jiān)測邊坡內(nèi)部應力變化,來反應不同開挖支護時機對邊坡穩(wěn)定性的影響;楊明等[7]對斜坡堆積體的抗震防護措施進行研究,發(fā)現(xiàn)錨桿可以改善坡體內(nèi)部的應力調(diào)整規(guī)律,能極大地減小地震作用下邊坡坡面變形以及改善抗滑樁受力狀態(tài);郭永建[8]提出運用全長黏結錨桿作為“媒介”來反應坡體內(nèi)應力調(diào)整,從而對巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定狀況進行預警;采用全長黏結錨桿對巖質(zhì)邊坡破壞過程中內(nèi)部應力場的變化進行研究,得出巖質(zhì)邊坡應力敏感部位;晏長根等[9]開展均質(zhì)巖質(zhì)邊坡離心模型試驗,研究了錨桿的應力響應規(guī)律。在數(shù)值模擬分析中,廖小平等[10]對全長黏結式預應力錨桿進行數(shù)值模擬和現(xiàn)場實驗,得出全長黏結式預應力錨桿能夠在預應力損失的前提下,能保持較高的預應力水平;何忠明[11]采用FLAC3D進行加錨情況下順傾向巖質(zhì)邊坡的數(shù)值分析,結果表明:全長黏結錨桿的軸力分布函數(shù)是一條多峰值曲線,且錨桿軸力最大值均位于結構面處,證實錨桿軸力最敏感部位處于滑動面位置。學者們對于均質(zhì)巖的邊坡研究較多,而在實際應用和生活中,由于自然界的不確定因素,非均質(zhì)巖的邊坡研究就顯得尤為重要。
本文在總結前人研究成果的基礎上,以錨桿為測力媒介進行了三組結構面分布形式不同的斷續(xù)結構面巖質(zhì)邊坡離心模型試驗,并用 FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬,以探討三種斷續(xù)結構面應力敏感部位,研究成果可為斷續(xù)結構面巖質(zhì)邊坡錨桿應力監(jiān)測的推廣應用提供參考。
模型試驗采用TLJ-3土工離心試驗機,最大容量為 60 g-t,最大離心加速度為200 g,有效半徑為 2.0 m,模型箱長×寬×高為500 mm×360 mm×400 mm。該試驗是將土工模型置于高速旋轉(zhuǎn)的離心機中,讓模型承受離心加速度(大于重力加速度),補償因模型縮尺帶來的自重損失,更接近于實際。邊坡模型材料按照石英砂∶重晶石粉∶石膏粉∶水=1∶1∶0.3∶0.42 的比例配制模擬軟巖[12-14],通過試驗確定邊坡模型材料的物理力學參數(shù)見表1。模型采用填筑法制作,在模型箱內(nèi)側(cè)均勻涂抹凡士林以盡量消除邊界摩阻效應,填筑至結構面時鋪設裁好的塑料紙模擬結構面,經(jīng)直剪試驗測得厚塑料紙內(nèi)摩擦角為29°,黏聚力為5 kPa。采用熟鐵片模擬全長黏接錨桿,橫截面積為 8 mm(寬)×1 mm(厚),長10 cm,彈性模量約為200 GPa,上部貼設120-3AA無端子免焊接電阻應變計進行應力監(jiān)測,模型加工時預留錨桿注漿孔道,采用超細水泥漿作為錨桿黏接劑[12]。
本文共設計三種不同斷續(xù)結構面巖質(zhì)邊坡應力監(jiān)測模型(圖1),三種模型中斷續(xù)結構面貫通率均為50%,結構面傾角為49°。模型A設有2組沿在同一條直線分布的結構面,模型B設有3組沿同一條直線分布的結構面,模型C設有2組平行分布結構面。沿模型坡面自上而下依次布置1號、2號、3號錨桿,錨桿間距為90 mm。1號錨桿布設監(jiān)測點1、2、3,2號錨桿布設監(jiān)測點4、5、6,3號錨桿布設監(jiān)測點7、8、9。各監(jiān)測點布設原則:1、4、7監(jiān)測點距離錨桿端頭20 mm,2、5、8監(jiān)測點距離錨桿端頭50 mm,3、6、9監(jiān)測點距離錨桿端頭80 mm,同時適當調(diào)整位置以保證監(jiān)測點布置在結構面處。
圖1 三種斷續(xù)結構面邊坡模型
圖2 三種斷續(xù)結構面邊坡模型實物圖
試驗中采用分級加速方法,離心加速度按每級提升20 g,模型A、B、C離心加速時間見表2。
表 2 三種模型(A,B,C)的離心加速時間
離心機可實時監(jiān)控并傳輸試驗過程中錨桿的應變數(shù)據(jù),根據(jù)胡克定律可計算錨桿的應力值。由于工程上主要以軸力描述錨桿的受拉狀態(tài),通過公式F=n2EζA模(F為軸力,n為離心加速度,E為錨桿彈性模量,ζ為錨桿應變,A模為錨桿截面積)將應力值換算為軸力值。
試驗加載至約120 g時,各邊坡模型發(fā)生破壞,試驗破壞側(cè)視圖見圖3。由圖3a可知,邊坡模型A破壞時滑動面為直線型,開挖邊坡發(fā)現(xiàn)監(jiān)測錨桿均被壓彎,上部錨桿彎折幅度較小,中下部錨桿彎折幅度較大。由圖3b可知,邊坡模型B產(chǎn)生近似圓弧型滑動,開挖邊坡發(fā)現(xiàn)上部監(jiān)測錨桿被拔出且有小幅彎折,中下部錨桿被壓彎。由圖3c可知,邊坡模型C破壞時滑動面近似“S”型,開挖邊坡發(fā)現(xiàn),中上部錨桿大幅度彎折,下部錨桿彎折幅度較小。
圖3 三種模型的邊坡破壞側(cè)視圖
模型A各監(jiān)測點軸力歷時曲線見圖4。由圖4可知,在660 s之前,監(jiān)測點1、2、3軸力值為負,錨桿1為受壓狀態(tài),監(jiān)測點4、5、6、7、8、9軸力值為正,錨桿2、3為受拉狀態(tài)。監(jiān)測點7約480 s時產(chǎn)生明顯應力響應,其他監(jiān)測點在700~900 s時產(chǎn)生明顯應力響應。在900~1620 s,監(jiān)測點3、5、7分別相對于錨桿1、2、3上的其他監(jiān)測點響應量值及增速更大,則模型A應力敏感區(qū)域位于結構面貫通區(qū),且監(jiān)測點3、5、7位于邊坡破壞直線型滑面上,驗證模型A試驗現(xiàn)象。監(jiān)測點1~9軸力終值趨于收斂,分別為 41 kN、60 kN、78 kN、52 kN、96 kN、35 kN、103 kN、42 kN、14 kN。監(jiān)測點5、7的軸力增長速率及軸力終值均大于監(jiān)測點3,說明模型A中下部比上部更為敏感,但監(jiān)測點5、7的軸力增長速率較為相近,下文采用數(shù)值模擬分析模型A最敏感部位。
圖4 模型A監(jiān)測點軸力-時間變化曲線
模型B各監(jiān)測點軸力歷時曲線見圖5。由圖5可知,在360 s之前,錨桿1、2、3為受壓狀態(tài),邊坡相對穩(wěn)定。監(jiān)測點7約在540 s時產(chǎn)生明顯應力響應,其他監(jiān)測點在800~900 s時產(chǎn)生明顯應力響應。在900~1610 s時,監(jiān)測點2、5、7分別相對于錨桿1、2、3上的其他監(jiān)測點響應量值及增速更大,證明模型B應力敏感區(qū)域位于潛在滑動面處,且監(jiān)測點2、5、7位于邊坡破壞圓弧滑面上,驗證模型B試驗現(xiàn)象。監(jiān)測點1~9軸力終值趨于收斂,分別為42 kN、78 kN、45 kN、54 kN、97 kN、80 kN、106 kN、88 kN、31 kN。監(jiān)測點5/7的軸力增長速率及軸力終值均大于監(jiān)測點2,同時監(jiān)測點8監(jiān)測量值及變化速率也較大,綜合分析模型B應力最敏感位置在靠近邊坡下部坡腳剪出口。
圖5 模型B監(jiān)測點軸力-時間變化曲線
模型C各監(jiān)測點軸力歷時曲線見圖6。由圖6可知,在加速之后,各監(jiān)測點軸力值均為正值,錨桿1、2、3為受拉狀態(tài),邊坡產(chǎn)生相對滑動趨勢。監(jiān)測點2、4、5、7約500 s產(chǎn)生明顯應力響應,其他監(jiān)測點在600~800s時產(chǎn)生明顯應力響應。在800~1640 s時,監(jiān)測點2、7分別相對于錨桿1、3上的其他監(jiān)測點響應量值及增速更大;監(jiān)測點4、5對邊坡內(nèi)部應力調(diào)整均較為敏感,可推測2號錨桿軸力最大值位于監(jiān)測點4、5之間。綜合監(jiān)測點2、4、5、7監(jiān)測數(shù)據(jù),模型C應力敏感區(qū)域位于結構面貫通區(qū),同時可驗證模型C試驗現(xiàn)象。監(jiān)測點1~9軸力終值趨于收斂,分別為45 kN、105 kN、33 kN、65 kN、85 kN、35 kN、96 kN、47 kN、18 kN。監(jiān)測點2軸力增長速率及軸力終值均大于其他監(jiān)測點,則模型C應力最敏感部位位于結構面貫通區(qū)上部。
圖6 模型C監(jiān)測點軸力-時間變化曲線
巖體本構關系采用莫爾-庫倫模型,邊界條件采用將構造應力作為安全儲備的位移邊界條件,模型網(wǎng)格劃分主要采用六面體單元,局部采用四面體單元;單元劃分時主要在潛在滑體以及全長黏結錨桿位置處加密,其他位置相對較大[15-16]。
根據(jù)模擬相似材料物理力學參數(shù),參照我國相關規(guī)范[17]附錄D對工程巖體物理力學參數(shù)的建議,選取泊松比為0.3。采用彈性求解法生成數(shù)值模型初始地應力,然后采用莫爾-庫倫本構模型進行計算,可得出摩爾庫倫模型中的
結構面采用 FLAC3D中的 interface 接觸面單元進行模擬,interface參數(shù)見表3。錨桿入射角為18°,直徑為22 mm,長度取10 m,鉆孔直徑取75 mm,采用cable單元模擬,取cable單元物理力學參數(shù)表見表4。
表3 Interface 參數(shù)
表4 Cable 單元參數(shù)
提取各模型錨桿監(jiān)測點在不同重力加速度下錨桿軸力數(shù)據(jù)并繪制監(jiān)測點-軸力加速度曲線圖,在重力加速度為1.2 g的情況下邊坡的剪應變增量云圖(對應于邊坡在120 g離心加速度情況邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的狀態(tài))見圖7b、圖8b、圖9b,錨桿各監(jiān)測點在不同重力加速度下錨桿軸力數(shù)據(jù)并繪制監(jiān)測點-軸力加速度曲線,見圖7a、圖8a、圖9a。
圖7 模型A監(jiān)測點軸力-加速度曲線(a)與模型A應變增量云圖和錨桿軸力分布云圖(b)
圖8 模型B監(jiān)測點軸力-加速度曲線(a)與模型B應變增量云圖和錨桿軸力分布云圖(b)
由圖7a可知,3、5、7號監(jiān)測點曲線增長速度和變化量值均遠大于同錨桿其他監(jiān)測點,且由圖7b可知,模型A邊坡最大剪應變增量位于潛在的結構面貫通區(qū),證實離心試驗中模型A敏感區(qū)域位于潛在的結構面貫通區(qū)。5、7號監(jiān)測點的軸力最大值相近,但在離心加速度為80 g~100 g 時,5號監(jiān)測點軸力值比7號監(jiān)測點變化速率快,應力響應更為敏感,故模型A的應力最敏感部位位于潛在結構面貫通區(qū)的中部。
由圖8a可知,2、5、7號監(jiān)測點曲線增長速度和變化量值均遠大于同錨桿其他監(jiān)測點,且由圖8b可知,模型B邊坡最大剪應變增量呈現(xiàn)圓弧形,證實模型B離心試驗產(chǎn)生類似的圓弧形滑動,敏感區(qū)域位于2、5、7號監(jiān)測點構成的潛在圓弧滑面。在離心加速度為80 g~100 g時,7號監(jiān)測點軸力值比5號監(jiān)測點變化速率快,應力響應更為敏感,故模型B的應力最敏感部位位于坡腳部位。
由圖9a可知,2、7號監(jiān)測點曲線增長速度和變化量值均遠大于同錨桿其他監(jiān)測點,且由圖9b可知,模型C邊坡最大剪應變增量位于潛在的結構面貫通區(qū),證實模型試驗中模型C敏感區(qū)域位于潛在的結構面貫通區(qū)。4、5號監(jiān)測點數(shù)據(jù)均比較大,側(cè)面反映邊坡在錨桿2的4、5監(jiān)測點之間產(chǎn)生貫通區(qū)。在離心加速度為80 g~100 g時,2號監(jiān)測點軸力值比7號監(jiān)測點變化速率快,應力響應更為敏感,故模型C的應力最敏感部位位于潛在結構面貫通區(qū)的上部。
本文利用離心模型試驗和數(shù)值方法對巖質(zhì)邊坡三種斷續(xù)結構面的分布形式進行模擬,通過兩種不同的方法得到的結果能互相印證綜合對比得出以下結論:
1)在貫通率都為50%的情況下,斷續(xù)結構面的不同分布形式對邊坡的穩(wěn)定性及邊坡破壞模式產(chǎn)生較大影響。邊坡模型A破壞時滑動面為直線型,邊坡模型B破壞時產(chǎn)生近似圓弧型滑動,邊坡模型C破壞時滑動面近似“S”型。
2)隨著離心加速度的增大,大部分監(jiān)測點軸力值呈現(xiàn)階梯式增長趨勢。模型A的7號監(jiān)測點在1620 s時產(chǎn)生軸力最大值為103.34 kN,模型B的7號監(jiān)測點在1560 s時產(chǎn)生軸力最大值為106.09 kN,模型C的2號監(jiān)測點在1620 s時產(chǎn)生軸力最大值為105.63 kN。
3)斷續(xù)結構面的不同分布形式影響邊坡內(nèi)部應力場調(diào)整,邊坡模型A應力敏感區(qū)域位于結構面貫通區(qū),且結構面貫通區(qū)中部的應力最敏感;邊坡模型B應力敏感區(qū)域位于潛在滑動面處,且滑動面坡腳剪出口處應力最敏感;邊坡模型C應力敏感區(qū)域位于結構面貫通區(qū),且結構面貫通區(qū)上部的應力最敏感。