板梁狀陡坡裂縫性狀變化與地基穩(wěn)定分析

胡惠華，張鵬，張奇華，舒魏碧章

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙410219；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢430074；3.中南公路建設(shè)及養(yǎng)護(hù)技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙410219)

陡坡分為巖質(zhì)陡坡和土質(zhì)陡坡，其中巖質(zhì)陡坡更為常見。從地質(zhì)演化過程而言，裂隙巖體在風(fēng)化、卸荷、重力、降雨和地震等環(huán)境因素作用下，巖體沿著陡傾裂隙發(fā)生開裂、傾倒和墜落等形式的變形破壞過程。坡體前部失穩(wěn)后，后部巖體暴露在外并可進(jìn)一步發(fā)生變形破壞，坡體逐漸后退。因此陡坡的變形失穩(wěn)是一個(gè)具有時(shí)效性的地質(zhì)演化過程。陡坡變形失穩(wěn)主要表現(xiàn)為巖體沿著陡傾裂縫發(fā)生開裂、傾倒或墜落等形式。適用于陡坡這種變形失穩(wěn)形式的穩(wěn)定分析方法主要有：定性分析法[1]、解析法[2]和數(shù)值分析法[3]等。定性分析法簡單實(shí)用，是定量分析方法的基礎(chǔ)，也是工程實(shí)踐采用最多的的方法。但單獨(dú)的定性分析往往憑借經(jīng)驗(yàn)，難以滿足重大控制性工程的精度要求。解析法屬于最常用的定量分析方法，其原理簡單易懂，但在計(jì)算過程中，必須采用諸多假定，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜陡坡工程的分析計(jì)算。數(shù)值分析方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)解析方法的不足，不僅可以求出安全系數(shù)與極限荷載，還可以求出材料的破壞位置與形態(tài)，且無需采用過多假定，已經(jīng)成為了陡坡穩(wěn)定性分析方法的焦點(diǎn)。在陡坡問題的數(shù)值分析方法中，以有限元強(qiáng)度折減法的應(yīng)用范圍最為廣泛。自ZIENKIEWICZ等[4]于1975年提出強(qiáng)度折減法以來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其展開了大量的探索和創(chuàng)新，包括：強(qiáng)度折減法的失穩(wěn)判據(jù)[5]、局部強(qiáng)度折減法[6]、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法[7]、雙參數(shù)強(qiáng)度折減法[8]、材料屈服準(zhǔn)則的研究[9]等等。這些探討很好地解決了強(qiáng)度折減法在理論上所存在的一些缺陷，擴(kuò)大了強(qiáng)度折減法的應(yīng)用范圍，使得強(qiáng)度折減法的理論邏輯趨于完善。有限元強(qiáng)度折減法已廣泛應(yīng)用于許多陡坡工程的穩(wěn)定性分析中，分析內(nèi)容主要包括坡體自身穩(wěn)定性[10-14]以及與構(gòu)筑物相互作用時(shí)的穩(wěn)定性[15-19]2個(gè)方面，并取得了諸多研究成果。但是，在針對(duì)板梁狀結(jié)構(gòu)陡坡[20]問題的分析中，有限元強(qiáng)度折減法仍存在一些不足。一方面，板梁狀結(jié)構(gòu)陡坡的穩(wěn)定性受控于巖體內(nèi)裂縫的發(fā)育情況，其裂縫性狀具有連續(xù)性與非連續(xù)性2種特征。在外界因素作用下，板梁狀陡坡內(nèi)部裂縫2種性狀可能發(fā)生轉(zhuǎn)換，而單獨(dú)的有限元程序計(jì)算難以擬合這個(gè)變化過程。另一方面，當(dāng)構(gòu)筑物位于此類陡坡上時(shí)，其前部巖塊的失穩(wěn)與構(gòu)筑物地基的失穩(wěn)并不同時(shí)發(fā)生，而有限元強(qiáng)度折減法僅輸出陡坡體內(nèi)的最易失穩(wěn)巖塊，難以分析構(gòu)筑物的地基穩(wěn)定性。為解決上述問題，本文從矮寨懸索橋吉首岸陡坡工程實(shí)際出發(fā)，從巖體受力特點(diǎn)出發(fā)，通過將生死單元法與迭代修正法引入強(qiáng)度折減法中，解決了強(qiáng)度折減法在分析板梁狀結(jié)構(gòu)陡坡地基穩(wěn)定性過程中所存在的2類問題，可以為有限元強(qiáng)度折減法在同類工程的應(yīng)用提供參考。

1 工程概況及場地工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況

矮寨懸索橋位于湖南省吉首市矮寨鎮(zhèn)，是吉首至茶洞高速公路的控制性工程。矮寨懸索橋跨越矮寨峽谷，橋面與地面高差達(dá)355 m，經(jīng)過多次優(yōu)化后橋長1 009.04 m，索塔間距1 176 m，橋型布置圖見圖1。吉首岸索塔塔基采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底面為18 m×21 m，基底設(shè)計(jì)標(biāo)高為566.50 m。

圖1 橋型總體布置圖Fig.1 Overall arrangement of bridge

1.2 地形地貌及地層巖性

矮寨懸索橋吉首岸陡坡主體巖性為薄層狀灰?guī)r，下部為泥質(zhì)白云巖。邊坡表面巖體呈微風(fēng)化，層面結(jié)合較好，巖層產(chǎn)狀為340°∠9～16°，傾向峽谷，越靠近峽谷傾角越大。巖體內(nèi)存在2組陡傾節(jié)理，節(jié)理產(chǎn)狀分為134°∠86°，262°∠87°。層面和節(jié)理構(gòu)成邊坡巖體的基本構(gòu)造格局。上部灰?guī)r巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，發(fā)育多條溶蝕裂縫與多個(gè)溶洞，溶蝕裂縫多追蹤2組陡傾節(jié)理發(fā)育，并伴有陡坡的卸荷作用，延伸至下部白云巖頂部。施工階段開挖揭露L1～L17等確定性的溶蝕裂縫、溶洞7和溶洞9等大型溶洞，各裂縫發(fā)育統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 吉首岸主要溶蝕-卸荷裂縫統(tǒng)計(jì)Table 1 Geo-statistics of the main dissolution-unloading fissures on the steep slope

吉首岸上部灰?guī)r坡體形成陡坡懸崖，從工程地質(zhì)定性角度分析，主要有2個(gè)原因。一是，上部灰?guī)r因陡傾溶蝕-卸荷裂縫深大切割，上部灰?guī)r坡體形成大塊狀巖體，部分塊體演變?yōu)槲r體，前方塊體易崩落，坡面近于直立；二是，與灰?guī)r交界處的泥質(zhì)白云巖相對(duì)隔水，順溶蝕-卸荷裂縫下滲的地下水在泥質(zhì)白云巖頂部匯集，造成該部位風(fēng)化軟化并產(chǎn)生一定厚度的風(fēng)化軟化層，上部灰?guī)r的重力作用造成該風(fēng)化軟化層發(fā)生壓陷，使得上部灰?guī)r巖體整體發(fā)生一定程度的外傾變形，越靠近臨空面巖層傾角越大，巖體外傾加大了大塊體崩落的風(fēng)險(xiǎn)。吉首岸陡坡地質(zhì)演化過程見圖2，工程地質(zhì)圖見圖3。

圖2 吉首岸陡坡地質(zhì)演化歷史Fig.2 Slope geological evolution history on the Jishou Bank

圖3 吉首岸陡坡工程地質(zhì)圖Fig.3 Engineering geology of steep slope on the Jishou Bank

2 有限元模型構(gòu)建

2.1 地質(zhì)概化模型

根據(jù)地質(zhì)資料及施工期現(xiàn)場勘查情況，對(duì)工程地質(zhì)條件進(jìn)行概化，是數(shù)值計(jì)算結(jié)果是否合理的關(guān)鍵所在。根據(jù)吉首岸陡坡基本工程地質(zhì)特征，以及上述的陡坡穩(wěn)定性工程地質(zhì)定性分析，在地質(zhì)概化模型中，主要考慮以下穩(wěn)定性控制因素：

1)在地質(zhì)演化過程中，陡坡已經(jīng)形成的溶蝕-卸荷裂縫L3～L16；

2)陡坡巖體內(nèi)部形成的層間剪切帶；

3)受地下水的作用而逐漸風(fēng)化軟化，在灰?guī)r交界處的泥質(zhì)白云巖所產(chǎn)生的具有一定厚度的風(fēng)化軟化層。

在本次數(shù)值分析過程中，數(shù)值模型的初步構(gòu)建原則如下：

1)對(duì)于風(fēng)化軟化層，通過賦予的力學(xué)參數(shù)差異性體現(xiàn)出其與微新巖體的差異；

2)對(duì)于層間剪切帶，采用具有一定厚度的低強(qiáng)度實(shí)體單元進(jìn)行模擬；

3)對(duì)于卸荷溶蝕裂縫的模擬，則較為復(fù)雜。首先，對(duì)于L15～L16裂縫，裂縫張開度較大在宏觀上，理應(yīng)進(jìn)行脫空考慮，但由于這2組裂縫同時(shí)脫空時(shí)，二者所切割的巖塊會(huì)同時(shí)失穩(wěn)，因此考慮為L15裂縫脫空而L16裂縫未脫空；對(duì)于L3，L4，L6，L7，L10～L14裂縫，其張開度較小，且在宏觀上并非完全脫空而有一定的介質(zhì)相連，因此考慮為模量及強(qiáng)度很低的連續(xù)介質(zhì)；

4)對(duì)于巖體內(nèi)部廣泛存在的2組陡傾角節(jié)理裂縫，采用宏觀巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬。

由于吉首岸陡坡上部的風(fēng)化層較薄，對(duì)坡體整體穩(wěn)定性影響較小，本次模擬過程中不再單獨(dú)劃分，而是統(tǒng)一為微新巖體。對(duì)于泥質(zhì)白云巖層下部的基巖體，由于其強(qiáng)度并不影響上部坡體的穩(wěn)定性，本次模擬過程采取強(qiáng)度很大的單元進(jìn)行模擬。數(shù)值模擬過程中，采用摩爾—庫倫模型作為材料本構(gòu)模型，建立的二維有限元計(jì)算模型及邊界條件如圖4所示，其中以虛線標(biāo)示的裂縫為脫空的裂縫。

圖4 有限元模型Fig.4 Finite element model

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

本次計(jì)算采取的參數(shù)以地質(zhì)勘察報(bào)告為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場對(duì)開挖巖體實(shí)際性狀的認(rèn)識(shí)，并參考ZHANG等[21]對(duì)矮寨大橋基礎(chǔ)巖體問題的分析，確定出本次數(shù)值計(jì)算過程中所用的參數(shù)，見表2。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of rock mass

3 吉首岸陡坡地基穩(wěn)定性分析

相對(duì)于自然陡坡的穩(wěn)定性而言，板梁狀結(jié)構(gòu)陡坡的地基穩(wěn)定性問題顯得更為復(fù)雜，利用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算時(shí)主要存在以下3個(gè)難點(diǎn)：

1)單次的強(qiáng)度折減法運(yùn)算往往只可以得出陡坡內(nèi)部最易失穩(wěn)的塊體及穩(wěn)定系數(shù)。

2)橋梁荷載作用在巖塊上時(shí)，巖塊后部原先張開度較小的裂隙可能產(chǎn)生拉裂，使得該巖塊與后部巖塊脫開，不再滿足連續(xù)體假設(shè)。

3)橋梁荷載作用巖塊先于其前部巖塊失穩(wěn)時(shí)，荷載作用巖塊的前傾會(huì)使原本獨(dú)立的2個(gè)巖塊發(fā)生接觸，使得兩者之間有作用力的傳遞。

鑒于上述問題的復(fù)雜性，在計(jì)算分析過程中，筆者通過反復(fù)試驗(yàn)和計(jì)算方案調(diào)整，最后進(jìn)行歸納總結(jié)的方法。根據(jù)工程資料，建立基坑開挖模型圖如圖5所示，計(jì)算過程中所采用的塔基均布荷載q=1.4×103kN/m2，為塔基基底荷載Q=540 MN與塔基底面積18×21 m的換算。單次試算的一般性方案見表3，計(jì)算過程中共采取了5次試算，試算過程見表4，位移云圖見圖6。

圖6 X方向變形云圖Fig.6 X-direction deformation cloud map

表3 一般性試算方案Table 3 General calculation scheme

表4 試算過程具體內(nèi)容Table 4 Specific content of the trial plan

圖5 基坑開挖區(qū)域及荷載位置Fig.5 Excavation area and load position

試算過程1(④=0)的計(jì)算結(jié)果表明，荷載直接作用時(shí)，L15外側(cè)巖塊安全系數(shù)為1.388，為最易失穩(wěn)巖塊，是坡體失穩(wěn)源，失穩(wěn)形式為L15與L16裂縫所控制的巖塊在重力作用下傾倒，推動(dòng)L16裂縫外側(cè)巖塊沿軟弱面滑移，同時(shí)對(duì)L15裂縫產(chǎn)生拉裂。

進(jìn)行試算過程2(④=殺除L15前部條塊)的計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)L15裂縫控制的前部巖塊移除后，坡體最容易失穩(wěn)的巖塊轉(zhuǎn)為由L8裂縫所控制的巖體，計(jì)算所得穩(wěn)定系數(shù)為1.653，坡體失穩(wěn)形式上部巖塊的滑移引起L8裂縫的拉裂。

試算過程3(④=殺除L8前部所有條塊)的計(jì)算結(jié)果表明，若不考慮對(duì)L5裂縫脫空段(即L5裂縫區(qū)域內(nèi)的溶洞)進(jìn)行處置，當(dāng)受L8裂縫所控制的前部巖塊發(fā)生失穩(wěn)后，坡體最容易失穩(wěn)的巖塊為塔基荷載作用下的巖塊，此時(shí)計(jì)算所得地基穩(wěn)定系數(shù)為2.039，該巖塊的失穩(wěn)形式為在塔基荷載作用下壓屈，滑動(dòng)面貫通，并沿軟弱結(jié)構(gòu)面推動(dòng)L4裂縫與L5裂縫所控制的巖塊向脫空區(qū)的局部失穩(wěn)，實(shí)際過程中表現(xiàn)為向L5裂縫區(qū)域里溶洞的局部失穩(wěn)。

試算過程4(④=殺除L8前部條塊，激活L5脫空段)的計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)對(duì)L5裂縫區(qū)域內(nèi)的溶洞注漿后，基礎(chǔ)的失穩(wěn)形式為塔基荷載作用使下部巖塊壓屈，并推動(dòng)L4裂縫與L8裂縫所控制的巖塊沿軟弱面的滑移失穩(wěn)，計(jì)算所得穩(wěn)定系數(shù)為2.123。

綜上所述，矮寨懸索橋吉首陡坡可以分為3個(gè)失穩(wěn)區(qū)，依次為：L15裂縫所控制的外側(cè)巖塊區(qū)(外側(cè)巖塊區(qū))、L8與L15裂縫所組合切割的巖塊區(qū)(中部巖塊區(qū))、L3與L8裂縫所組合切割的巖塊區(qū)(塔基巖塊區(qū))。外側(cè)巖塊區(qū)的巖體穩(wěn)定系數(shù)為1.388，中部巖塊區(qū)的巖體穩(wěn)定系數(shù)為1.653，塔基巖塊區(qū)的地基穩(wěn)定系數(shù)為2.123。陡坡外側(cè)巖塊區(qū)最易失穩(wěn)，為坡體失穩(wěn)源；塔基設(shè)置在穩(wěn)定的巖塊區(qū)。

4 結(jié)論

1)通過將生死單元法與有限元強(qiáng)度折減法相結(jié)合，以及對(duì)有限元模型的迭代修正，解決了傳統(tǒng)有限元強(qiáng)度折減法難以分析的裂縫性狀變化與地基穩(wěn)定性問題。

2)確定了矮寨懸索橋吉首岸墻板結(jié)構(gòu)陡坡外側(cè)巖塊區(qū)穩(wěn)定系數(shù)為1.388，其值最小，最易失穩(wěn)，為坡體失穩(wěn)源。

3)矮寨懸索橋吉首岸塔基設(shè)置在穩(wěn)定的巖塊區(qū)，在主塔荷載作用下，地基穩(wěn)定系數(shù)為2.123。