某順層巖質(zhì)邊坡及其支護(hù)穩(wěn)定性數(shù)值分析

吳聲志

(機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計院有限公司福建分公司 廈門市 361000)

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)重心的西移，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷向山區(qū)發(fā)展，巖質(zhì)邊坡被大量修建。路塹開挖后導(dǎo)致土體應(yīng)力重分布，尤其當(dāng)巖層為順層條件時，由于巖層抗滑巖體減少，導(dǎo)致邊坡整體抗滑力下降，結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度不滿足自身的重力所產(chǎn)生的下滑力，極易發(fā)生邊坡滑坡，從而引發(fā)相應(yīng)次生災(zāi)害，因此邊坡穩(wěn)定性問題不可忽視。目前國內(nèi)已有不少學(xué)者對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究，研究重心主要集中于高速公路、城市干道、水利工程等[1-3]，并取得了許多研究成果，如錨索技術(shù)在巖質(zhì)邊坡加固中得到進(jìn)一步應(yīng)用[4-5]。

為研究順層巖質(zhì)邊坡支護(hù)穩(wěn)定性、改善邊坡結(jié)構(gòu)面易失穩(wěn)問題，以某巖質(zhì)邊坡為研究對象，采取噴混凝土及施加錨桿的支護(hù)方案，基于Midas/GTS軟件平臺對巖質(zhì)邊坡支護(hù)前后邊坡塑性區(qū)分布情況、邊坡整體位移變化以及剪切應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行研究，分析該巖質(zhì)邊坡的支護(hù)穩(wěn)定性。

1 工程概況

某巖質(zhì)邊坡，位于盆地丘陵、低山地區(qū)，高約24m，是一個巖層外傾的順層邊坡，邊坡主要以凝灰?guī)r組成，風(fēng)化程度較高，頂部為全風(fēng)化凝灰?guī)r層，其下為強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r以及中風(fēng)化凝灰?guī)r，中風(fēng)化凝灰?guī)r巖體完整性較好。巖土參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)表

根據(jù)邊坡巖土體性質(zhì)，擬定支護(hù)方案采用第三級1∶1.25放坡，其余兩級1∶1放坡，每級放坡之間留2m的馬道，每級坡高8m。邊坡錨桿采用直徑為20mm的HRB400鋼筋，長度為6m。坡腳設(shè)置9m高的重力式擋墻。支護(hù)方案設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 支護(hù)參數(shù)表

施工具體步驟為開挖一級邊坡，一級邊坡噴混凝土、施作錨桿(工序1)→開挖二級邊坡，二級邊坡噴混凝土、施作錨桿(工序2)→開挖三級邊坡，三級邊坡噴混凝土、施作錨桿(工序3)→擋土墻施工開挖，施作擋土墻(工序4)。

2 有限元模型建立

在利用Midas/GTS軟件建立有限元模型時，邊界的選取十分重要。邊界范圍越大能夠讓計算結(jié)構(gòu)更接近真實(shí)結(jié)果，但與此同時則帶來計算量過大的問題，因此需要綜合考慮相關(guān)因素再選擇合理邊界范圍[6-7]。根據(jù)摩爾-庫倫強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則將邊坡及周圍土體視為理想彈塑性材料，邊坡地面采用固定支座約束，坡面為自由邊界，荷載僅考慮土體自重。邊坡單元主要以三面體和四面體混合而成，共2255個節(jié)點(diǎn)，2273個單元，邊坡的錨桿實(shí)際作用機(jī)理除了能夠起到一定的抗拔作用以外，還能承受一定的剪力。但考慮一定的安全儲備情況下，在模型建立過程中錨桿采用植入式桁架單元來模擬，噴混凝土采用板單元來模擬。采用的模型尺寸邊界及網(wǎng)格模型如圖1、圖2所示。

圖1 建模尺寸示意圖

圖2 邊坡模型網(wǎng)格圖

3 結(jié)果分析

3.1 塑性區(qū)及位移結(jié)果分析

邊坡的塑性區(qū)分布是坡體應(yīng)力重分布的結(jié)果，能夠反映邊坡的變形以及邊坡是否發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此建立巖質(zhì)邊坡的二維模型，分析了初始應(yīng)力狀態(tài)以及支護(hù)施作完成后的邊坡塑性區(qū)分布，如圖3、圖4。

圖3 初始狀態(tài)下邊坡塑性區(qū)分布圖

圖4 支護(hù)后邊坡塑性區(qū)分布圖

分析圖3和圖4得到：

在對邊坡進(jìn)行支護(hù)前的初始狀態(tài)下，如圖3所示，塑性區(qū)分布面積不大，主要集中在全風(fēng)化凝灰?guī)r層以及強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r層，且沿全風(fēng)化凝灰?guī)r層至強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r層邊坡塑性變形貫通上下，其中在靠近強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r層與中風(fēng)化凝灰?guī)r層分界面處的塑性應(yīng)變值最大，為1.42×10-3，是邊坡最危險的滑動巖層的等效塑性應(yīng)變區(qū)。由圖可看出該潛在的表層滑動帶呈圓弧狀，破壞形式為平面剪切滑動。由圖4看出在支護(hù)完成后，邊坡塑性區(qū)面積有所增大，且塑性應(yīng)變最大值位置轉(zhuǎn)移至中風(fēng)化凝灰?guī)r層，但由于該層巖層風(fēng)化程度低，且最大塑性應(yīng)變值從初始狀態(tài)減小至2.15×10-4，坡體發(fā)生破壞的概率大大減小。

邊坡位移云圖揭示了邊坡開挖時坡面處的變形情況，反映了邊坡的位移變化。分析圖5可以發(fā)現(xiàn)，

對比邊坡支護(hù)前后的位移云圖，邊坡在初始狀態(tài)下整體位移值較大，最大位移值為43.8mm，位于全風(fēng)化凝灰?guī)r層至強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r層之間。在進(jìn)行噴混凝土及錨桿支護(hù)之后邊坡的整體最大位移為12.6mm，位移減小了31.2mm。分析可知采用噴混凝土錨固的支護(hù)措施之后，由于錨桿的存在，承受較大拉力的同時也起到一定抗剪抗滑作用，極大地約束了邊坡的側(cè)向位移以及限制等效塑性區(qū)域的發(fā)展，避免危險滑面發(fā)生滑動破壞，邊坡穩(wěn)定性得以提高。

3.2 剪切應(yīng)力分析

利用Midas/GTS有限元分析軟件對該巖質(zhì)邊坡在支護(hù)施作過程的剪應(yīng)力變化情況進(jìn)行計算，計算結(jié)果如圖6所示。

邊坡坡面處的最大剪應(yīng)力代表邊坡可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位，應(yīng)力集中的逐漸擴(kuò)展容易導(dǎo)致邊坡發(fā)生剪切破壞。從圖6(d)中可以看出初始狀態(tài)下邊坡最大剪應(yīng)力為1.085MPa，支護(hù)施作完成后減小

圖5 支護(hù)前后邊坡整體位移云圖

圖6 各階段施工完成后剪應(yīng)力云圖

至1.035MPa，可知邊坡的開挖支護(hù)對邊坡深處最大剪應(yīng)力值影響較小。對比支護(hù)前后坡面位置處的剪應(yīng)力值發(fā)現(xiàn)，除受支護(hù)結(jié)構(gòu)影響較大的邊坡坡面剪應(yīng)力有所增大以外，剪應(yīng)力分布從下至上呈過渡狀態(tài)，由邊坡深處向臨空面層層遞減。在未進(jìn)行支護(hù)前坡腳處剪應(yīng)力值較大，出現(xiàn)坡腳處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，是導(dǎo)致該邊坡發(fā)生剪切破壞的重要荷載因素。由圖6(a)也可以看出，在第一級邊坡支護(hù)完成之后，坡面剪應(yīng)力主要集中在一級邊坡與二級邊坡位置，此時主要影響邊坡穩(wěn)定性的因素就是支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度。分析圖6(a)～圖6(d)，發(fā)現(xiàn)三級邊坡開挖支護(hù)過程中，隨著工序的施作推進(jìn)，坡面處的最大剪應(yīng)力值增大了0.065MPa，但增加幅度有限，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)存在坡面并不會發(fā)生剪切破壞。分析支護(hù)過程發(fā)現(xiàn)，每級邊坡進(jìn)行開挖支護(hù)后，坡體剪切力大小整體分布趨勢基本不變，但由于邊坡上部土體自重的減輕使得坡腳處剪應(yīng)力值都有所減小，在第三級、二級、一級邊坡分別施作完成后，坡腳剪應(yīng)力相應(yīng)的減小了7.8%、18.3%和56.2%，表明支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠改善邊坡坡面剪應(yīng)力分布情況，減小邊坡坡腳處的剪應(yīng)力和剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，施工過程坡腳處發(fā)生剪切破壞情況的可能性較低。

4 結(jié)論

通過Midas/GTS有限元分析軟件，研究分析了某巖質(zhì)邊坡支護(hù)方案下的塑性區(qū)變化、整體位移及剪切應(yīng)力的變化規(guī)律，得到了以下主要結(jié)論：

(1)初始狀態(tài)下，等效塑性應(yīng)變區(qū)位于該邊坡全風(fēng)化凝灰?guī)r層與強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r層，破壞形式為平面剪切滑動；在完成支護(hù)后，塑性應(yīng)變最大值位于中風(fēng)化凝灰?guī)r層，且塑性應(yīng)變值有所減小，使邊坡發(fā)生剪切破壞的概率大大降低。

(2)施作支護(hù)結(jié)構(gòu)后邊坡的最大位移值相對初始狀態(tài)下邊坡減小了31.2mm，支護(hù)結(jié)構(gòu)有效地抑制了邊坡的變形，提高了邊坡穩(wěn)定性。

(3)影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素是邊坡坡面巖層抗剪強(qiáng)度，支護(hù)結(jié)構(gòu)對邊坡剪應(yīng)力的整體分布趨勢改變較小，但能夠改善邊坡坡面最大剪應(yīng)力的分布情況；隨著支護(hù)措施的施作，坡腳處剪應(yīng)力值逐漸減小，施工過程中坡腳處發(fā)生剪切破壞情況的可能性較低。